陳 兵，張 雷，趙慶林

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

1 前言

某鋼企新建寬幅冷軋線自2009年5月投產(chǎn)半年以后，生產(chǎn)線機(jī)組核心設(shè)備——六輥冷連軋機(jī)操作側(cè)上工作輥止推軸承開始出現(xiàn)燒毀，至今已達(dá)數(shù)十套，嚴(yán)重影響機(jī)組生產(chǎn)的順利進(jìn)行，使企業(yè)蒙受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文利用有限元分析軟件Ansys對在軋制力和彎輥力作用下，受中間輥軸向竄動(dòng)量的影響時(shí)上下工作輥在止推軸承段的撓曲度和曲線形態(tài)進(jìn)行分析，探索上工作輥止推軸承燒損的原因，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

2 工作輥軸承配置方式及特點(diǎn)

圖1為軋機(jī)工作輥操作側(cè)軸承裝配圖，工作輥采用復(fù)合軸承結(jié)構(gòu)，即用兩種軸承分別承受徑向和軸向載荷。四列圓錐滾子軸承承受徑向載荷，軸向載荷由雙列圓錐滾子止推軸承承受。

軋機(jī)工作輥的各相關(guān)參數(shù)如下:

工作輥四列圓錐滾子徑向軸承 φ220.662 mm/φ314.323 mm/239.712 mm;工作輥兩列圓錐滾子止推軸承φ180 mm/φ330/73 mm;工作輥φ435 mm/φ385 mm×1 420 mm;工作輥彎輥力+360 kN/－180 kN，軋機(jī)軋制速度范圍為300～1 700 m/min，最大軋制力Pmax=1 800 kN。工作輥和中間輥上的軸承都采用人工填充干油脂潤滑的潤滑方式，支撐輥上的軸承采用稀油循環(huán)潤滑的方式。

圖1 工作輥操作側(cè)軸承裝配圖Fig.1 Assembly drawing of side bearings of working roll

3 影響因素分析

工作輥軸承是軋鋼機(jī)主要易損部件之一，軸承的使用壽命對軋制成本和生產(chǎn)效率有著重要的影響。在以往生產(chǎn)實(shí)踐中，工作輥軸承經(jīng)常發(fā)生在線燒損而被迫中斷生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞軋輥，造成較大經(jīng)濟(jì)損失［4］。通過現(xiàn)場觀察測試發(fā)現(xiàn)軋機(jī)工作時(shí)工作輥止推軸承溫度在短時(shí)間劇烈升高，導(dǎo)致軸承燒損。在調(diào)查研究并查閱了國內(nèi)外文獻(xiàn)［1-3］基礎(chǔ)上，初步認(rèn)為冷軋機(jī)組各輥在正常工作情況下，并不是表現(xiàn)為剛體，而是柔性體，在中間輥發(fā)生竄輥時(shí)，柔性變形尤為明顯。工作輥止推軸承在工作輥柔性變形作用下開始承受徑向載荷，工作輥止推軸承因承受徑向載荷是導(dǎo)致軸承燒損的主要原因。

為了研究不同工藝參數(shù)情況下，工作輥操作側(cè)止推軸承位置處的撓曲程度，以六輥軋機(jī)工作輥為研究對象，利用有限元軟件對該型軋機(jī)輥系變形進(jìn)行了研究，分析計(jì)算其承載及變形，解決軸承的燒損問題。

3.1 仿真模型的建立

利用有限元軟件Ansys建立了全輥系1/2仿真模型，模型中使用二維桿單元代替軋件，建立的有限元模型如圖2所示。

3.2 仿真工況的設(shè)計(jì)

針對軋制過程中不同帶鋼寬度、不同工作輥和工作輥彎輥力及不同的中間輥竄輥量設(shè)計(jì)了6個(gè)仿真計(jì)算工況，各工況對應(yīng)的參數(shù)值見表1。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of finite element model

表1 仿真計(jì)算工況表Table 1 Parameters corresponding to each working condition of simulation calculation

3.3 仿真計(jì)算結(jié)果

(1)帶鋼寬度1 300 mm，中間輥無竄動(dòng)，中間輥彎輥力+500 kN，工作輥彎輥力+360 kN，上下工作輥撓曲曲線如圖3所示。

圖3 上下工作輥撓曲曲線Fig.3 Deflection curves of upper and lower working roll

(2)帶鋼寬度700 mm，中間輥竄動(dòng)量366 mm，中間輥彎輥力+500 kN，工作輥彎輥力+360 kN，上下工作輥撓曲曲線如圖4所示。

圖4 上下工作輥撓曲曲線Fig.4 Deflection curves of upper and lower working roll

圖4中上下工作輥的撓度曲線不再是反對稱，這主要是因?yàn)?，在帶鋼較短時(shí)，小桿與帶鋼間的接觸力很大，使得工作輥在軸向的位移增加，而模型中對工作輥傳動(dòng)側(cè)端部進(jìn)行了軸向位移約束，工作輥存在向工作側(cè)的剛性位移，造成上下工作輥撓度曲線的不對稱。

(3)帶鋼寬度1 300 mm，中間輥竄動(dòng)量108 mm，中間輥彎輥力+500 kN，工作輥彎輥力+360 kN，上下工作輥撓曲曲線如圖5所示。

圖5 上下工作輥撓曲曲線Fig.5 Deflection curves of upper and lower working roll

(4)帶鋼寬度700 mm，中間輥竄動(dòng)量366 mm，中間輥彎輥力+500 kN，工作輥彎輥力為0，上下工作輥撓曲曲線如圖6所示。

圖6 上下工作輥撓曲曲線Fig.6 Deflection curves of upper and lower working roll

(5)帶鋼寬度1 300 mm，中間輥竄動(dòng)量108 mm，中間輥彎輥力+500 kN，工作輥彎輥力為0，上下工作輥撓度曲線如圖7所示。

圖7 上下工作輥撓曲曲線Fig.7 Deflection curves of upper and lower working roll

(6)帶鋼寬度700 mm，中間輥竄動(dòng)量366 mm，中間輥彎輥力為0，工作輥彎輥力－18 N，上下工作輥撓度曲線如圖8所示。

圖8 上下工作輥撓曲曲線Fig.8 Deflection curves of upper and lower working roll

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，可以整理得到各個(gè)工況下上下工作輥軸線在操作側(cè)止推軸承段的撓度差見表2。

表2 上下工作輥軸心線在操作側(cè)止推軸承段的撓度差 mmTable 2 Deflection difference of axial lines of upper and lower working rolls in side thrust bearing section

3.4 仿真結(jié)果分析

通過上述仿真計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)在正常生產(chǎn)中，由于UCM軋機(jī)結(jié)構(gòu)的不對稱性，操作側(cè)上工作輥止推軸承處的撓曲程度大于下工作輥的對應(yīng)位置的撓曲程度，且之間的差值與中間輥竄動(dòng)量、工作輥彎輥力和帶鋼寬度有密切關(guān)系。

(2)隨著中間輥竄動(dòng)量的增加，或工作輥彎輥力的增大，上下工作輥操作側(cè)止推軸承位置處的撓度差也隨之增加。

(3)在某些工況下，止推軸承段的撓度值的差值達(dá)到接近1 mm，即止推軸承的內(nèi)圈的傾斜量達(dá)到接近1 mm，而其外圈在軸承座(因受軸承座側(cè)向鎖緊板、彎輥缸活塞桿T型端和徑向軸承寬度的制約而不能自由彎曲)和外蓋板的阻擋下不能完全隨內(nèi)圈彎曲，這將導(dǎo)致止推軸承會(huì)承受一定的徑向力，即工作輥彎輥力。因此，止推軸承分擔(dān)的工作輥彎輥力的大小取決于工作輥撓曲度、外蓋板的預(yù)壓緊力(擰緊力)、止推軸承外圈與軸承座內(nèi)孔間的間隙、工作輥彎輥缸活塞桿T型端上下圓柱表面的曲率、軸承座側(cè)向鎖緊板間隙、徑向軸承對軸承座的制約能力。

3.5 徑向載荷定量影響分析

工作輥所受軸向力為最大軋制力的0.5～1%［5］，這里假定軸承承受軸向力不變，徑向承載量變化對軸承壽命影響見表3。

表3 徑向承載量對軸承壽命影響Table 3 Influence of oad carrying capacity in radial direction on bearing lifetime

由表3可以得到，軸承壽命隨著徑向承載量的增加而顯著降低，可見徑向承載對止推軸承壽命影響很大。

4 改進(jìn)措施

針對以上分析原因，提出了以下改進(jìn)措施:

(1)操作端軸承座和軋機(jī)牌坊一定要無間隙固定，降低軋制過程中軋制反力對工作輥軸承的沖擊。

(2)保證工作輥止推軸承外圈和軸承座內(nèi)孔之間擁有適量的游隙，防止工作輥發(fā)生撓曲變形時(shí)止推軸承外圈和軸承座接觸而承受徑向載荷。

(3)軸承安裝過程中要保證軸承和工作輥同軸度要求，減小由于工作輥和軸承孔同軸度不高引起的額外撓度。

(4)冷卻水的進(jìn)入也會(huì)造成潤滑脂的乳化導(dǎo)致潤滑脂失效，從而引發(fā)軸承燒損事故［4］，故要定期加注軸承潤滑油脂。

5 結(jié)束語

通過分析得出止推軸承承受徑向載荷是導(dǎo)致其燒損的主要原因，對此提出了以上4點(diǎn)改進(jìn)措施。同時(shí)軸承燒毀是一個(gè)系統(tǒng)原因，要多方面綜合考慮才能有效地解決問題。

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