趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

寬厚板熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封設(shè)計(jì)選型

趙 崠1吳慶君2

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

通過對(duì)寬厚板熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封的技術(shù)要求進(jìn)行分析，對(duì)油封的類型確定、材料選擇、安裝部位設(shè)計(jì)、摩擦力矩、使用壽命、安裝維護(hù)等方面進(jìn)行了技術(shù)方案分析，得出熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封正確選型，安裝后，可延長(zhǎng)油封的使用壽命，提高設(shè)備使用效率。

熱矯直機(jī)；支承輥；旋轉(zhuǎn)油封

寬厚板熱矯直機(jī)的支承輥是設(shè)備的核心部件，其軸承采用油氣潤(rùn)滑，工作環(huán)境溫度高，轉(zhuǎn)速高，承受矯直力大，在矯直過程中會(huì)產(chǎn)生氧化皮。在生產(chǎn)實(shí)踐中，支承輥軸承因潤(rùn)滑故障損壞和漏油污染板面的事例很多，國內(nèi)各鋼鐵廠因此而造成的經(jīng)濟(jì)損失很大，故對(duì)此油封進(jìn)行設(shè)計(jì)選型、安裝維護(hù)時(shí)需引起足夠的重視。

1 熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封的技術(shù)要求

寬厚板熱矯直機(jī)工作時(shí)，支承輥?zhàn)龈咚傩D(zhuǎn)，其軸承采用油氣潤(rùn)滑，在軸承座與回轉(zhuǎn)輥?zhàn)娱g必需留有機(jī)械間隙，為避免因漏油而引起的軸承潤(rùn)滑故障和漏油污染板面，需設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)油封，防止?jié)櫥蛷臋C(jī)械間隙處泄漏。

支承輥旋轉(zhuǎn)油封應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

(1)環(huán)境溫度高，轉(zhuǎn)速高?，F(xiàn)代寬厚板熱矯直機(jī)需矯直鋼板溫度高達(dá)450～900℃，由于鋼板熱輻射作用，在正常工作條件下，支承輥旋轉(zhuǎn)油封軸承座外部溫度為250～300℃，并且支承輥油封唇口處的輥?zhàn)幼畲笮D(zhuǎn)速度達(dá)到1.2 m/s。

(2)適用于油氣潤(rùn)滑的密封要求。寬厚板熱矯直機(jī)支承輥軸承采用的是油氣潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑介質(zhì)是壓縮空氣連續(xù)作用帶動(dòng)的極壓齒輪油，由于在軸承座內(nèi)設(shè)計(jì)有油氣回路，故油封潤(rùn)滑介質(zhì)一側(cè)的壓力按最高0.03 MPa考慮。

(3)適用于有塵場(chǎng)合的密封要求。在生產(chǎn)中，有時(shí)熱矯直機(jī)使用大量的外冷卻液，此液體中含有矯直時(shí)產(chǎn)生的微小金屬顆粒、酸性物質(zhì)及其它雜質(zhì)，一旦因密封不良進(jìn)入軸承座，會(huì)直接引起磨粒磨損，導(dǎo)致軸承早期疲勞而失效；另外，矯直過程中會(huì)伴有板面氧化鐵皮的脫落，如果吹掃清理時(shí)存留在輥隙中的輕薄氧化皮進(jìn)入軸承座，也會(huì)導(dǎo)致軸承的磨損。

(4)拆裝、維護(hù)方便。熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封屬易損件，要求能快速更換，以減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低設(shè)備的維護(hù)及使用成本。

由此可見，熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封的工作環(huán)境溫度高，旋轉(zhuǎn)速度大，工作環(huán)境中有冷卻液及鐵屑等雜物，易進(jìn)入軸承內(nèi)部，輥?zhàn)泳S護(hù)更換較為頻繁。因此支承輥油封應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝及維護(hù)方便的特點(diǎn)，同時(shí)油封的選型不應(yīng)特殊，這樣易于備件采購，縮短訂貨周期。

2 熱矯直機(jī)支承輥油封的選擇

為了充分發(fā)揮油封的功能，必須根據(jù)油封的使用條件選擇合適的類型、材料與規(guī)格。

2.1 油封類型的選擇

結(jié)合熱矯直機(jī)支承輥裝配結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其油封類型需滿足以下使用條件：

(1)油封采用固定安裝方式，支承輥軸肩做回轉(zhuǎn)動(dòng)作；

(2)油封與軸之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)為表面滑動(dòng)；

(3)油封由軸肩端進(jìn)行安裝；

(4)油封安裝腔體為熱膨脹較大的金屬材料，腔體不開溝槽；

(5)支承輥軸肩直徑為?170 mm，轉(zhuǎn)速為134.8 r/min；

(6)需密封的介質(zhì)為采用油氣潤(rùn)滑方式的潤(rùn)滑油，油量為2 ml/h；

(7)潤(rùn)滑介質(zhì)一側(cè)的壓力最高為0.03 MPa；

(8)適用于有塵場(chǎng)合。

綜上所述，油封類型可選擇為DIN3760標(biāo)準(zhǔn)AS型，如圖1所示。適應(yīng)于軸做回轉(zhuǎn)動(dòng)作，一方為有油密封介質(zhì)，另一方為有塵場(chǎng)合的密封使用。

1—安裝腔體 2—外周橡膠 3—金屬骨架 4—彈簧 5—密封唇部 6—回轉(zhuǎn)軸 7—防塵唇部

2.2 熱矯直機(jī)支承輥油封唇口材料的選擇

油封唇口材料受密封介質(zhì)種類、唇端溫度、回轉(zhuǎn)速度等因素的影響，為了選擇合適的油封密封唇口材料，應(yīng)推測(cè)唇口端部的溫度。

油封唇口端部溫度值T0為：

(1)

式中，T1為油封附近的密封介質(zhì)最高常用溫度，取140℃，約占全部運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的30%；T2為油封唇口部位溫升，根據(jù)支承輥軸肩直徑與轉(zhuǎn)速查得T2為6℃。

密封介質(zhì)最高溫度時(shí)間大約占全部運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的30%，唇端溫度值大約需增加20℃，因此取T0=166℃。唇口材料可選定為氟橡膠(FKM)F585(茶色)，硬度為75HS，適用溫度范圍為-15～+200℃，具有良好的耐油性和耐化學(xué)藥品性，在油封用橡膠中它是性能平衡的最優(yōu)良品種。

2.3 油封的彈簧及金屬骨架

彈簧的作用是提高密封唇在軸上的壓緊力，其微小的伸長(zhǎng)就可以得到必要的負(fù)荷，在一定伸長(zhǎng)限度下，彈簧負(fù)荷沒有太大變化。彈簧可選用標(biāo)準(zhǔn)材料JISG3521SW(高碳鋼絲)、JISG3522SWP(琴鋼絲)。

金屬骨架的作用是在油封與腔體孔間產(chǎn)生配合力，保證密封唇在正確的位置上。可選用標(biāo)準(zhǔn)材料JISG3141SPCC(冷軋鋼板及帶鋼)、JISG3131SPHC(熱軋鋼板及帶鋼)。

2.4 油封規(guī)格的選擇

熱矯直機(jī)支承輥裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示，選用DIN3760-AS170 200 15型油封。

1—支承輥 2—旋轉(zhuǎn)油封 3—透蓋 4—軸承 5—軸承座 6—悶蓋

3 熱矯直機(jī)支承輥油封安裝部位的設(shè)計(jì)

油封安裝部位的設(shè)計(jì)分為支承輥軸肩與透蓋腔體兩部分。

3.1 支承輥軸肩的設(shè)計(jì)

支承輥軸肩的設(shè)計(jì)需注意以下幾方面：

(1)軸肩端部應(yīng)倒角。當(dāng)油封裝入輥?zhàn)虞S肩時(shí)，如果密封唇口與軸端旋合處存在銳角，會(huì)使唇口翹起，會(huì)造成彈簧有脫開的可能，也會(huì)損傷唇口而產(chǎn)生泄漏，因此必須在軸肩端部設(shè)計(jì)5×30°倒角。

(2)控制軸肩的表面硬度與尺寸公差。軸肩部分的表面硬度必須在30HRC以上，這樣在加工時(shí)容易得到較高的表面光潔度，搬運(yùn)及裝配時(shí)軸的表面不會(huì)碰傷，運(yùn)行中密封唇部也不易對(duì)軸造成磨損，避免因此產(chǎn)生密封泄漏。根據(jù)支承輥使用要求，選擇軸肩直徑尺寸為?170 mm，公差為h11，表面滲氮處理，硬度為56～60HRC。

(3)軸肩表面光潔度與加工工藝。由于軸轉(zhuǎn)速與潤(rùn)滑油量不同，軸的光潔度過大或過小都會(huì)影響到油封的泄露與磨損。另外，軸的加工紋路也有方向性，軸旋轉(zhuǎn)時(shí)交叉和傾斜的紋路會(huì)產(chǎn)生螺旋泵作用，將潤(rùn)滑油向大氣側(cè)擠出，成為泄露的原因。根據(jù)支承輥使用要求，選擇軸肩光潔度為Ra0.8 μm，采用無進(jìn)給精磨削，這樣加工痕跡不連續(xù)，但垂直于軸心線，最適合與油封唇口的接觸。

3.2 透蓋腔體的設(shè)計(jì)

在內(nèi)壓小于0.03 MPa時(shí)，透蓋腔體的形狀設(shè)計(jì)，只需對(duì)油封的軸向移動(dòng)作一側(cè)定位。其主要尺寸為安裝孔直徑、安裝面寬度與光潔度、定位孔直徑與光潔度以及控制安裝偏心與軸偏心的偏心度，并在腔體一側(cè)上鉆有4個(gè)小孔，以便油封的拆卸，安裝時(shí)，透蓋內(nèi)孔與外圓定位止口，也具有將腔體與軸進(jìn)行導(dǎo)向的作用。透蓋腔體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 透蓋腔體結(jié)構(gòu)

4 熱矯直機(jī)支承輥油封的摩擦力距與摩擦功率

由于熱矯直機(jī)支承輥數(shù)量較多，每個(gè)支承輥均配備兩個(gè)油封，如一臺(tái)4300 mm十一輥熱矯直機(jī)有60個(gè)支承輥，120個(gè)油封，因此通過估算單個(gè)油封產(chǎn)生的摩擦力矩M與摩擦功率P，進(jìn)而可以得出全部油封造成的傳動(dòng)功率增加。

油封的摩擦力矩取決于摩擦面的表面質(zhì)量、潤(rùn)滑條件、彈簧力的作用。單個(gè)油封的摩擦力為：

式中，d0為軸肩直徑，取d0=17 cm；F0為軸肩油封唇口圓周單位長(zhǎng)度的摩擦力，取F0=0.3 N/cm。

單個(gè)油封的摩擦功率P為：

式中，n為軸的轉(zhuǎn)速，n=134.8 r/min。

由上計(jì)算可以得出120個(gè)油封，矯直機(jī)傳動(dòng)功率將會(huì)增加2.3 kW。

5 支承輥油封的使用壽命

影響熱矯直機(jī)支承輥油封使用壽命的主要因素是唇口材料老化與唇口磨損。

由于熱矯直機(jī)長(zhǎng)期在高溫下使用，會(huì)使唇口材料老化加速，造成唇口滑動(dòng)部位硬化、龜裂，使唇口過盈量降低而失去密封能力。

唇口的磨損與潤(rùn)滑油量有關(guān)。潤(rùn)滑油量不足，油中有異物，外部灰塵的侵入等均會(huì)促使唇口磨損加速。由于熱矯直機(jī)采用油氣潤(rùn)滑，壓縮空氣以精細(xì)油滴的方式導(dǎo)入潤(rùn)滑點(diǎn)，潤(rùn)滑油耗量小，但同時(shí)也造成油封唇口因潤(rùn)滑油量不足而加快磨損。因此在設(shè)定油氣潤(rùn)滑給油量時(shí)，不僅要計(jì)算軸承的潤(rùn)滑油量，還要計(jì)算油封唇口的潤(rùn)滑油量。

熱矯直機(jī)支承輥油封的設(shè)計(jì)壽命目標(biāo)值約為4000 h。

6 支承輥油封的安裝使用

熱矯直機(jī)在使用過程中，要完全發(fā)揮出油封的預(yù)定功能，不僅需要正確的設(shè)計(jì)選型，而且必需采取正確的安裝方法。

(1)組裝前的準(zhǔn)備工作。油封唇口端部不得有劃擦，并在兩個(gè)唇口間填充礦物油型鋰基潤(rùn)滑脂，對(duì)唇口部位進(jìn)行潤(rùn)滑。用金剛砂紙將軸肩與透蓋腔體表面倒角，除毛刺并涂敷薄層鋰基潤(rùn)滑脂，檢查油封外圓及唇口接觸的表面是否有缺陷及銹蝕點(diǎn)，不得附有防銹油或沙塵等異物，否則可使用壓縮空氣吹掃。

(2)透蓋腔體組裝。安裝時(shí)，油封應(yīng)水平放置，不能傾斜，密封唇口應(yīng)朝向密封介質(zhì)一側(cè)，防止推壓油封的力與油封外圓配合部分的摩擦力相互作用使油封變形。在組裝油封時(shí)，必須使壓力的作用點(diǎn)靠近油封外圓配合處。當(dāng)用錘擊安裝時(shí)，應(yīng)使用墊板，在油封配合處的全周均勻敲打墊板；使用壓力機(jī)壓裝時(shí)，應(yīng)使用設(shè)計(jì)合理的夾具，使油封配合處全周均勻受力，標(biāo)準(zhǔn)壓入力約為10 kN。

(3)插入軸肩。將已裝入透蓋腔體孔內(nèi)的油封插入軸肩時(shí)，應(yīng)使油封中心與軸肩中心保持同心，防止唇口部分翹起或唇口部分因受力而損傷。

(4)油封的更換與清洗。油封更換時(shí)一定要更換新的油封，拆卸過程中不得損傷腔體與軸的表面，為防止唇口材料溶脹，降低其性能，應(yīng)避免使用洗滌液與汽油清洗。

7 支承輥油封泄漏的原因

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐過程中所發(fā)生的問題，造成油封泄漏失效的主要原因有以下幾方面：

(1)潤(rùn)滑油量不足，造成唇口在干燥狀態(tài)下滑動(dòng)，產(chǎn)生異常磨損?？杉哟鬂?rùn)滑油量的供給，特別是在輥系運(yùn)轉(zhuǎn)前，先啟動(dòng)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，待潤(rùn)滑油達(dá)到指定量再運(yùn)轉(zhuǎn)輥系。

(2)在矯直過程中，輥隙中存留的輕薄氧化皮在吹掃清理時(shí)容易附著在唇口處，造成卡咬唇口，使端部磨損加大，局部有異物卡咬痕跡。

(3)油氣潤(rùn)滑回路不暢通，使油封的使用壓力超過設(shè)計(jì)值，造成唇口端部凹形磨損。

(4)環(huán)境溫度過高，使油封附近的密封介質(zhì)溫度超過了唇口橡膠的耐熱極限，造成唇口滑動(dòng)部位光滑、硬化，甚至發(fā)生龜裂。

(5)如果腔體內(nèi)徑尺寸比指定尺寸小，勉強(qiáng)將油封壓入，易造成油封配合部橡膠的軸向損傷或擠壞。

(6)如果腔體內(nèi)徑尺寸比指定尺寸大，在油封配合部易有切屑、異物附著，造成腔體孔與油封配合部橡膠的損傷。

(7)如果軸肩、腔體加工的倒角不良、表面光潔度過低或者安裝錯(cuò)誤易造成油封變形、安裝傾斜、彈簧脫落、唇口部分翻轉(zhuǎn)。

8 結(jié)論

通過以上方式，對(duì)熱矯直機(jī)支承輥旋轉(zhuǎn)油封進(jìn)行設(shè)計(jì)選型及正確安裝后，在實(shí)際應(yīng)用中，油封的使用壽命顯著延長(zhǎng)，更有利于油封的維護(hù)與更換，明顯提高了設(shè)備的使用效率。

編輯 陳秀娟

Design and Model Selection of Rotary Oil Seal for Wide and Heavy Size Plate Hot Straightener Back Up Roll

Zhao Dong, Wu Qingjun

Technical requirements of rotary oil seal for wide and heavy size plate hot straightener back up roll have been analyzed, further technical schemes analyses have also been conducted in terms of type determination, material selection, mounting position design, friction torque, serve life and installation and maintenance as well as other aspects of the oil seal, lastly the correct model selection of the oil seal for hot straightener back up roll has been worked out to extend serve life and improve working efficiency after mounting the oil seal on the device.

hot straightener; back up roll; rotary oil seal

2017—01—03

TG333.2+3

B