王 軍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

2 800 mm軋機油膜軸承輥頸進水原因分析與研究

王 軍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

安鋼2 800 mm軋機油膜軸承經(jīng)常發(fā)生進水事故，出現(xiàn)事故后需要提前更換支承輥，造成油品消耗增加,輥耗增加，從而導致生產(chǎn)成本增加，影響了正常的生產(chǎn)節(jié)奏。針對此類問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)DF密封是造成軋機油膜軸承進水的關(guān)鍵因素，從而找出了解決DF密封失效的有效方法。

油膜軸承 DF密封 進水

AbstractAfter the water inlet accident of the oil film bearing roller of 2 800 mm rolling mill which often happens in Anyang Steel, supporting roller have to be replaced early, thus the consumption of oil increases and the roll consumption increases, which leads to the increase of production cost and affect the normal production rhythm. In view of this problem, it is found that DF seal is the key factor causing the water inlet of the roller, and the effective method is proposed and carried out to solve the sealing failure of DF.

KEYWORDSoil film bearing DF sealing water

0 前言

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，對軋機油膜軸承也提出了更高的要求，油膜軸承正常運轉(zhuǎn)與否直接受其密封性能制約。而熱軋的工作環(huán)境比較差，大量氧化鐵皮、冷卻水等雜質(zhì)隨時有進入油膜軸承的可能，軋機油膜軸承潤滑系統(tǒng)進水后，主要表現(xiàn)為軋機軋制力負載增大、軸承滾柱變黑、潤滑油流量下降、過濾器濾芯的壓差增大等，因此防止雜質(zhì)、冷卻水的進入和防止?jié)櫥托孤┦谴_保油膜軸承正常運作的保障。同時，我們根據(jù)其DF密封與水封的損壞形式，做出相應的原因分析和預防改進措施，為油膜軸承的正常工作和維護提供有力依據(jù)，從而大大提高油膜軸承的壽命。

1 軋機油膜軸承的特點

2 800 mm軋機選用的油膜軸承為ZYC1350-75軸承，油膜軸承是軋鋼機械的關(guān)鍵設備，也是動壓潤滑的典型系統(tǒng)，不僅表現(xiàn)為液體摩擦，更重要的是建立足夠的油膜承載力。油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，軸承參數(shù)見表1。

油膜軸承是一種表面加工精度以及相關(guān)參數(shù)匹配非常理想的滑動軸承，它的主要特點有：

圖1 油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1)軸承剛性強，承載能力大，與軸承外徑相同的油膜軸承承載能力要遠大于滾動軸承。

2)使用壽命長：從原理上講，油膜軸承是不會發(fā)生磨損的。但是實際上，即使正確的使用和妥善地維護，也是要發(fā)生磨損的，只是很輕微而已。其理論上壽命可達15 年左右，一般實際由于潤滑和軋機設備等原因，壽命在5年～10 年左右。

3)速度范圍寬：軋機油膜軸承可以在很低的速度下工作，也可以在很高的速度下運行，還可以使用可逆軋機，由正轉(zhuǎn)速到零，再由零到負轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下工作，速度范圍較寬。

4)結(jié)構(gòu)尺寸?。涸谙嗤某休d能力下，油膜軸承輪廓尺寸要比滾動軸承小，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。

5)摩擦系數(shù)低：采用巴氏合金，材質(zhì)硬度低，摩擦系數(shù)小，油膜軸承的摩擦系數(shù)一般在0.001～0.005之間，從而摩擦損耗低。

6)抗沖擊能力強：油膜軸承中的油膜的擠壓效應對于沖擊載荷的承受能力，使得油膜軸承能很好地承受沖擊載荷。

2 油膜軸承DF密封的結(jié)構(gòu)及特點

輥頸部位的密封為行業(yè)熟知的DF密封，DF型密封融合了靜密封、動密封以及迷宮密封三種形式，既可封油也可封水，以密封檔板中心凸緣為界，封水防線與封油防線分布于兩側(cè)[1]。DF密封結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，工作條件見表2。

圖2 DF密封結(jié)構(gòu)形式

項目單位工作條件速度(m·s-1)≤25油壓MPa≤0．5水壓MPa≤0．15溫度℃≤50介質(zhì)油膜軸承油、水、氧化物

DF密封是一個復雜而近似完好的結(jié)構(gòu)，其具有以下特點：動密封唇口封水唇和封油唇彈性好，能防止軸承內(nèi)部油的泄漏與外圍冷卻水的進入，密封效果比X型密封顯著提高；在較大程度上克服了X型密封對安裝定位要求苛刻、易泄漏的缺點。因此，DF密封在冷、熱軋薄板軋機、鋁箔軋機等大型冶金裝備中得到廣泛應用。但是隨著對軋制產(chǎn)品要求的不斷提高，對軋機設備要求也不斷提升，密封系統(tǒng)的密封性能也必須相應隨之提高，而DF密封系統(tǒng)存在以下缺點：支輥軸向竄動影響比較大，產(chǎn)品安裝也有影響；密封唇口接觸表面應力偏低；在動壓狀況下，密封唇的密封效果穩(wěn)定性欠佳；DF密封系統(tǒng)下的油溫與油的流量的可調(diào)節(jié)性相對較差[5]。

3 密封機理

DF密封隨錐套、鋁環(huán)和軋輥同步旋轉(zhuǎn)，與密封擋板產(chǎn)生高速相對運動，有五個密封肢，其功能與作用不同，協(xié)同形成有效密封，防止軸承座內(nèi)的潤滑油外泄，形成連續(xù)不斷的油膜，防止外界冷卻水、軋制液及鐵屑、灰塵等雜物侵入軸承腔內(nèi)，保證軸承正常運轉(zhuǎn)。DF密封作為唇口式密封，主要靠密封唇的尖角壓緊密封耦合面，理論上應該是線接觸，而實際上是個窄帶接觸，但帶不能太寬，有足夠的壓緊力，且接觸應力的分布呈峰值狀。對于唇口式密封，不能壓的太死，接觸帶也不能太寬[2]。從潤滑和密封的雙重角度來分析，就是：如果壓的太死，則使密封件與耦合面處于半干摩擦狀態(tài)，加劇了密封件的磨損與發(fā)熱，縮短了使用壽命；若果接觸帶太寬，則可能形成厚膜潤滑狀態(tài)，并由此向外泄露，降低了密封效果。其潤滑原理如圖3所示。

圖3 潤滑原理

4 密封失效原因分析

1)軋機工作時，輥頸油封在正反轉(zhuǎn)時，因密封橡膠圈的彈性，以及受摩擦力的作用，在環(huán)狀空間內(nèi)蠕動拉長，然后在彈性的作用下又收縮，在收縮的過程中由于摩擦力和重力的共同作用，使密封圈有落向環(huán)形空間底部的趨勢，最終會因密封圈自身的強度不能繼續(xù)向底部蠕動滑落，此時密封圈唇口在頂部與密封面的過盈量會變小，即密封圈工作時在環(huán)形空間內(nèi)是下墜的非正圓狀態(tài)，下部密封唇口過盈量略大，頂部密封唇口過盈量略小。

如圖2所示，水封首先擋住大部分冷卻水，小部分滲入系統(tǒng)的水會順零件表面流動到油封的封水側(cè)唇口處，由于離心力的作用，部分水聚集在封水側(cè)密封唇口與密封面的結(jié)合處，這個部位如果存在制造或磨損因素形成的縫隙，則水會進入油封內(nèi)部，越過沒有向外密封功能的封油側(cè)密封唇，進入軸承座的回油通道，進入液壓系統(tǒng)的油箱。

2)下支承輥軸承座兩側(cè)標高不一致：如因均壓墊、測壓儀模擬塊、階梯墊等因素造成標高較大差異(>3 mm)，引發(fā)支承輥傾斜(如圖4所示)，密封的上部和下部狀態(tài)不一致，一邊受壓縮，另一邊則可能形成間隙，導致水分進入。

圖4輥系垂直高差示意圖

3)軋機牌坊、工作輥、支承輥的軸心線不平行，軸承座在牌坊開口中的對中不良，軋機牌坊操作側(cè)與傳動側(cè)磨損狀況不一致，導致支承輥軸承座在牌坊內(nèi)扭斜不對中(如圖5所示)，出現(xiàn)密封件一邊被壓緊，另一邊松弛的狀態(tài)，從而造成軸承進水。

圖5 軋輥水平交叉示意圖

4)支承輥旋轉(zhuǎn)速度與剪切油量不匹配，致使軸承座內(nèi)生成負壓腔，形成吸水效果。

5 密封失效的危害

對潤滑油的危害，進入液壓系統(tǒng)的水，會與潤滑油結(jié)合使?jié)櫥腿榛?，其運動黏度、酸值、磨斑直徑、污染度等級等指標變差，還會影響潤滑系統(tǒng)脫水效果而損失部分潤滑油，造成潤滑油浪費，環(huán)境污染。對設備的危害，DF密封失效會使這會使?jié)櫥偷某休d性能降低，大量氧化鐵皮、冷卻水等雜質(zhì)進入油膜軸承，主要表現(xiàn)為軋機轉(zhuǎn)動負載增大、軸承滾柱變黑、潤滑油流量下降、過濾器濾芯的壓差增大等，直接導致支承輥軸承座潤滑嚴重不良，軸承座錐套靜壓壓力承載區(qū)嚴重磨損、巴氏合金大面積脫落，最終導致軸承座燒損。錐套損壞狀況如圖6所示。

(a) 燒損的錐套

(b) 巴氏合金起皮

(c) 巴氏合金脫落

6 解決密封失效的方法

1)對DF密封進行檢測，發(fā)現(xiàn)加工誤差是造成密封失效的主要原因。由于油膜軸承潤滑油箱內(nèi)的潤滑油長期存在進水乳化的現(xiàn)象，因此我們對軸承可能的進水部位進行了大量的監(jiān)測調(diào)查研究，排除了軸承座其它靜密封部位進水的可能，確認進水是從輥頸的動密封部位，即DF密封系統(tǒng)進入的?，F(xiàn)場使用過的油封如圖7所示。

圖7使用后的密封

根據(jù)DF密封設計的原則，允許少部分水越過水封，流到密封唇口與密封面處，但不允許密封唇口與密封面之間有縫隙，因此對DF密封的油封的密封唇尺寸和密封面尺寸進行了測量檢查，密封斷面圖如圖8所示。

圖8 DF密封斷面圖

按圖8對油封的尺寸測量，經(jīng)檢查測量，在線使用過的油封密封唇口實際過盈量約3 mm。測量用盤尺測量油封腰部周長，折算成直徑尺寸，再加腳部長度尺寸，計算如下：

d=c/π

(1)

δ=(d+2l-d1)/2

(2)

式中： d——油封腰部直徑，mm； c——油封腰部周長，mm； l——油封腿長,mm； d1——密封面直徑,mm。

經(jīng)現(xiàn)場實測油封腰部周長為4 170 mm，油封腿長為41 mm，密封面直徑為1 403 mm，通過計算密封唇口的過盈量為3.2 mm，與拍照的用過的油封狀況相符。

對比使用的油封唇口磨痕，及實物測量結(jié)果，油封腰部的尺寸為1 327 mm，圖紙設計尺寸為1 335 mm，比設計尺寸小8 mm。由于制造的尺寸誤差，導致油封的唇口過盈量僅為3.2 mm，通過對密封失效的分析，不能滿足密封要求。

由于DF密封是油膜軸承的關(guān)鍵組成部件，更是油膜軸承正常運行的防護盾，由此將密封圈唇口的過盈尺寸加工達到設計的7.8 mm，公差應為中位的公稱尺寸，即1335±1 mm。油封腰部用盤尺測量的尺寸應為：(4 194±3)mm。這樣的改進會對DF密封的密封性能起到很大的改善，能有效的解決油膜軸承進水問題。

2)在更換支承輥時，嚴格測量均壓墊、測壓儀模擬塊、階梯墊等因素造成的標高差，將高差控制在3 mm以內(nèi)。

3)在更換支承輥時，嚴格測量牌坊磨損情況，適時調(diào)整滑板厚度，兩側(cè)磨損應均勻，將牌坊與軸承座之間的間隙控制在1 mm以內(nèi)。尺寸差因磨損超出原始差值的50%時應采取措施修復牌坊。

4)通過程序控制供油過程，轉(zhuǎn)速提高時增大供油壓力，用來消除負壓腔的形成。

7 結(jié)論

通過改變密封尺寸、調(diào)整標高、調(diào)整滑板厚度、增加供油壓力等方法，可以大大的改善支承輥油膜軸承的工況，提高設備使用率，延長其使用壽命，降低備件費用，為生產(chǎn)順行保駕護航！

[1] 李正波．軋機油膜軸承的DF密封與水封及其常見損壞形式的分析與對策[J]．潤滑與密封，2003(6)：101-105.

[2] 王庚福，史恭健，趙海龍．軋機油膜軸承DF密封機理的探討[C]．第四屆中國軋機油膜軸承技術(shù)研討會論文集，1998：67-69.

[3] 王樹友，李連勝，白世軍．邯鋼中板線2 800 mm軋機油膜軸承的改進[J]．山東冶金，2010，32(6)：23-24．

[4] 魏東，宋洪林．Φ1500 油膜軸承 DF 密封原理及改進[J]．潤滑與密封，2005(4)： 209-211.

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ANALYSISANDRESEARCHONTHEWATERINLETOFTHEOILFILMBEARINGROLLEROF2 800mmROLLINGMILL

Wang Jun

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

2017—03—07