毕业设计（论文）-20辊森吉米尔轧机支承辊轴承设计与应用研究（有图纸） .doc

河南科技大学毕业设计（论文） 1 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承设计与应用研究 摘 要 滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦 损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。 内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转，外圈作用是与轴承座相配合，起支承 作用。滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大 小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，保持架能使滚动体均匀分布， 防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。 随着钢铁业突飞猛进的发展，20 辊森吉米尔轧机由于具有轧制压下率高，轧 制控制精度高以及高产量等优点在轧钢行业显现出其独特的优势，20 辊森吉米尔 轧机已广泛应用于冷轧行业尤其是不锈钢的冷轧行业，几乎承担了全世界 96%的 不锈钢生产，并广泛轧制硅钢和碳素钢以及各种有色金属。 轧机轴承作为轧机的重要零部件，能够提高轧机设备轧制水平，提高轧机稳 定性，提高轧机产品质量，在轧制过过程中轧辊与所扎金属直接接触，其是轧机 使金属产生塑性变形的主要部件。同时轧机轴承是整个轧机中易磨损的重要零部 件，而且轧辊是由轧机轴承支承的，因此轧机轴承的质量和使用寿命直接关系到 轧机的生产效率产品质量及生产成本。如何减少轧机轴承的磨损，提高轧机的工 作效率，为企业创造更好的经济效益，这是摆在我们面前一个重要难题。因此， 在轧辊轴承设计和实际应用中，设计与研究 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承具有 重要的学术价值。 关键词：森吉米尔轧机，滚动轴承，设计，应用研究 装配图，加装配图，加 153893706153893706 河南科技大学毕业设计（论文） 2 design and applied research of 20-roller sendzimir mill backup roll bearing abstract rolling bearing is a precision mechanical components, which turn the sliding friction between the operation of the shaft and the bearing block into rolling friction,and reducing the friction loss.generally,rolling bearing consist of outer ring, inner ring, roller and cage components.the role of inner ring is compatible with the shaft and rotating with the shaft,the role of bearing outer ring matched with bearing block is to play a supportive role.roller is a uniform distribution between the inner and outer rings by means of the cage, the size and number of the roller directly impact on the performance and life of rolling bearings.besides,the rolling element cage can prevent rollers off, guiding the rollors rotating and lubricate. with the rapid development of steel industry,20-roller sendzimir rolling mills demonstrate its unique advantages with a high pressure rolling, rolling high control precision and high yield advantages in the steel rolling industry. it almost undertake ninety-six percent of the world stainless steel production, and is widely rolled silicon steel, carbon steel and various non-ferrous metals. rolling mill bearings is important component,whicn can improve the level of rolling mill equipment and improve rolling mill stability and improve product quality.in the process of rolling metal,rolling mills directly contact with the metal, which is a metal main components to produce plastic deformation. rolling bearings are also easy to wear , and roll is supported by the bearings, so the quality and life of rolling bearings is directly related to production efficiency and product quality and production costs. 河南科技大学毕业设计（论文） 3 how to reduce the mill bearing wear and improve mill efficiency for enterprise to create better economic,this is an important challenge facing us. therefore,design and research of 20-roller sendzimir rolling mills bearing have important academic value in the roller bearing design and practical applications. key words: sendzimir rolling mill, rolling bearing, design,applied research 河南科技大学毕业设计（论文） 4 目 录 前 言.1 第一章 绪论.2 1.1 课题的目的与意义 .2 1.2 国内外有关课题的研究现状 .2 1.3 课题设计研究的内容及方法 .3 第二章 20 辊森吉米尔轧机概述5 2.1 轧机简介 .5 2.2 轧机结构特点 .6 第三章 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承概述9 3.1 轴承的类型 .9 3.2 轴承结构特点 12 4.1 轴承材料选取 14 4.2 轴承的热处理工艺 15 4.3 辊系的载荷分析 17 4.4 轴承的载荷分析 18 4.5 轴承的参数设计 19 4.6 轴承的公差选取与分析 21 4.7 轴承的优化 23 第五章 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承应用研究26 5.1 轴承的润滑 26 5.2 轴承的失效因素及预防措施 28 结 论.31 参考文献.32 致 谢.34 河南科技大学毕业设计（论文） 1 前 言 轧机轴承是森吉米尔轧机中易磨损的重要零部件，在轧辊轴承的设计和应用 研究中，如何提高支承辊轴承的使用寿命和工作性能，一直以来是轴承研究设计 追求的目标，无论是轴承结构的改进，还是辅助设备的改进，近年来都有了长足 的发展，但轧机轴承在使用中仍经常遇到一些问题。因此，深入研究森吉米尔轧 机支承辊轴承的机理具有十分重要的学术和实用价值。 本文通过对 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承的研究，从支承辊轴承结构分析、 设计、安装及润滑维护等几方面进行了认真仔细的分析和探究，提出了一些解决 方法，使支承辊轴承更好的满足实际生产需要，期望对轧机轴承的设计和使用有 所帮助。 河南科技大学毕业设计（论文） 2 第一章 绪论 1.1 课题的目的与意义 20 辊森吉米尔辊轧机的轧制力从工作辊通过中间辊传到支承辊装置，并最终 传到坚固的整体机架上，这种结构设计保证了工作辊在整个长度方向的支承，由 于辊系变形极小，可以在轧制的整个宽度方向获得非常精确的厚度偏差，因此 20 辊森吉米尔辊轧机在实际应用很广，几乎承担了全世界 96%的不锈钢生产，并广 泛轧制硅钢和碳素钢以及各种有色金属。 轧机轴承能够提高轧机设备水平，提高轧机稳定性，提高轧机产品质，它在 我国轧钢行业已占据了主导位置。但同时轧机轴承是轧机中易磨损的重要零部件， 使生产受到影响，给企业也造成了很大的经济损失。如何减少轧机轴承的磨损， 提高轧机的工作效率率，为企业创造更好的经济效益，在轧辊轴承设计和实际应 用中，轴承的承载能力和寿命问题是必须考虑到问题。因此，设计与研究 20 辊 森吉米尔轧机支承辊轴承具有身份重要的学术的使用价值。 1.2 国内外有关课题的研究现状 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承是轧制工艺过程中的易损常换件，对于这类问 题的研究国内外有许多论文有所涉及。喻海良、刘相华等使用有限元分析方法模 拟森吉米尔轧机工作辊的挠度，分析轧制压力、带钢宽度对轧辊挠度的影响，显 示工作辊的挠度随着工作辊直径的减少和轧辊压力的增加而上升；张雁、彭涛等 介绍了支承辊轴承的结构特点，从精度的保证及承载能力和寿命方面分析了支承 辊厚壁轴承的应用；陈於学和杨曙年通过虚滚子的假设，得出圆柱滚子轴承各滚 子的动负荷随轴承的转动周期性变化，以及径向载荷的大小、游隙、转速和滚子 个数等于圆柱滚子轴承动负荷分布的关系。 此外，国外轴承厂商从改进轴承结构和润滑及精度等方面提高了轧机轴承的 寿命。如 skf 多辊机轴承的滚子和滚道采用了对数曲线形状，改善了轴承的应力 分布，接触表面采用优化抛光可改善轴承润滑；timken 的 z-spexx 型森吉米尔 河南科技大学毕业设计（论文） 3 轧机用圆柱滚子轴承采用特殊的表面处理可以提高轴承寿命并使零件敏感度低于 边界润滑条件以提高轴承的使用寿命。德国的 fag 能生产出内径 70-180mm，外 径 160.02-406.42 的支承轴承，最大动态径向负荷可达 2550kn，最大静态径向负 荷可达 3450kn。瑞典 skf 能生产出内径 55-180mm，外径 120-406.4 的支承轴承， 最大动态径向负荷可达 1900kn，最大静态径向负荷可达 3100kn。日本 nsk 能 生产出内径 31.75-180mm，外径 76.2-406.42mm 的支承轴承，最大动态径向负荷 可达 2610kn，最大静态径向负荷可达 3500kn。国内某厂家能生产出内径 70- 260mm，外径 160-520mm 的支承轴承，最大动态径向负荷可达 2336kn，最大静 态径向负荷可达 4073kn。 1.3 课题设计研究的内容及方法 本论文通过对 20 辊森吉米尔轧机结构进行认真的分析，并根据轧机实际的 工作环境，分析了支承辊轴承实效原因，并针对实效提出了相应的预防措施。 论文主要从以下几方面分析支承辊轴承： (1)20 辊森吉米尔轧机的辊系结构，并对其工作辊、中间辊以及支承辊的分布 和调整进行了具体的剖析； (2)分析 20 辊森吉米尔轧机辊系特点，支承辊轴承结构； (3)根据轧机实际的工作环境，从结构设计、装配、润滑、过载等方面分析轴 承原因，并提出相应的预防措施。 针对支承辊轴承的受载情况，可以应用赫兹接触理论，分析轴承滚动体接触 变形与应力计算。 1881 年 h.r.赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹 性变形。他假设：接触区发生小变形；接触面呈椭圆形；相接触的物体可 被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接 触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺 寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结 果。 hertz 弹性接触理论在滚动轴承载荷分布计算中占有重要地位，它构成了滚 动体接触变形与应力计算的基础。经典分析法假定套圈的刚度为无穷大，除局部 河南科技大学毕业设计（论文） 4 接触变形外套圈不会产生其他形式的偏离其初始几何形状的整体弹性变形，于是 内、外套圈的相对位移情况变得非常简单。正因其所得结论简单直观，便于设计 应用，因而迄今为止仍然使用最多。实践证明该理论可以用于一般滚动轴承中的 接触应力和变形分析，理论计算结果与试验结果较为吻合。 河南科技大学毕业设计（论文） 5 第二章20 辊森吉米尔轧机概述 森吉米尔(sendzimir)轧机是最适合冷轧不锈钢、硅钢和高强度金属及其合金 薄带和极薄带的轧机，而 20 辊森吉米尔轧机应用广泛，几乎承担了全世抖 96 的不锈钢生产，广泛用于轧制硅钢、碳素钢和各种有色金属。 2.1 轧机简介 钢铁轧制工业中，板材和带材的生产比例已超过 50%，合金薄带的需求也不 断地增长。在各种轧制设备中，由于轧制过程中轧辊弹性变形和轧制力较大的原 因，四辊轧机不适合轧制高强度钢和精密合金的冷轧薄板和薄带。在技术可行与 经济性方面采用多辊轧机冷轧薄板和薄带有着无可比拟的优越性。多辊轧机支承 辊轴承的精度和寿命对轧制薄板带的生产及质量有相当重要的影响。 自 1932 年出现第一台多辊轧机以来，多辊轧机发展很快，具有不同的结构 形状和几何尺寸，机型有森吉米尔型、山特维克型，按辊系可分为 6 辊、12 辊和 20 辊轧机等，但最多的是 20 辊轧机，其中又以森吉米尔型为主导。 20 辊森吉米尔型轧机的机座牌坊为内部装有成套轧辊的整体结构，刚性极高， 能够充分保证工作辊在轧制方向上的稳定性及补偿小直径工作辊的挠度。工作机 座是一个复杂块体，工作机座包括牌坊、支承辊系、压下装置、磨损补偿机构、 辊形控制和平衡机构、传动装置、导卫、润滑和冷却参数控制系统等。 20 辊森吉米尔冷轧机形式是 1-2-3-4 型。例如 zr33-18， “z“是波兰语 zimna 的第一个字母，意思是“冷” ；“r”表示“可逆的” ；“33”表示轧机的型号； “18”是轧制带材宽度的英寸数。 20 辊森吉米尔轧机是单机架可逆式冷轧机，主要适用于用于不锈钢、硅钢及 合金钢等难于变形的金属板卷，主要特点是：20 个轧辊环形叠加式镶嵌在具有 “零凸度”的整体铸钢机架内，在轧机机架受力情况下，轧机宽度方向变形均匀 且有较小的接触弧长和不易变形的小直径工作辊，使该轧机可以达到大压下量， 高速连续轧制薄带钢。 20 辊森吉米尔冷轧机与四辊轧机或其他类型轧机的本质区别是轧制力的传递 河南科技大学毕业设计（论文） 6 方向不同。森吉米尔冷轧机轧制力从工作辊通过中间辊传到支承辊装置，并最终 传到坚固的整体机架上。这种设计保证了工作辊在整个长度方向的支承。这样辊 系变形极小，可以在轧制的整个宽度方向获得非常精确的厚度偏差。 2.2 轧机结构特点 20 辊森吉米尔轧机机架为一个整体铸(锻)钢件，并和齿轮机座安装在同一底 板上。作用在工作辊上的轧制力，通过中间辊呈放射状分散到各支承辊装置上， 而各支承辊装置为多支点梁的形式，将轧制力沿辊身长度方向传递给整体机架。 森吉米尔型轧机的机座牌坊为内部装有成套轧辊的整体结构，刚性极高，能 够充分保证工作辊在轧制方向上的稳定性及补偿小直径工作辊的挠度。工作机座 是一个复杂块体，工作机座包括牌坊、支承辊系、压下装置、磨损补偿机构、辊 形控制和平衡机构、传动装置、导卫、润滑和冷却参数控制系统等。 20 辊森吉米尔轧机辊系由 2 个工作辊（st） 、4 个第一中间辊（opqr） 、6 个第二中间辊（iklnjm）及 8 个支承辊（abcdefgh）组成，按 1-2-3-4 呈塔 形布置，上下对称设置在机架的 8 个梅花孔内。上下两个工作辊分别靠在两个第 一中间辊上，上下两对第一中间辊又支承在 3 个第二中间辊上，而 6 个第二中间 辊则支承在外层固定于梅花孔里的 8 个支承辊组上。如下图 2-1 和图 2-2 所示。 图 2-1 轧辊的辊系平面图 河南科技大学毕业设计（论文） 7 图 2-2 轧辊的辊系结构 辊系配置的特点是在塔形支承辊组中，前排的每一个轧辊紧靠在后面的轧辊 上，20 辊轧机中的两小直径工作辊由四根带有斜度的中间辊支承，四根中间辊由 其后的六根中间辊支承，最外是八根由一组厚壁外圈轴承、心轴及鞍座组成的支 承辊。支承辊上一组厚壁外圈轴承装在同一根心轴上，心轴则靠一系列鞍座支承， 鞍座均安装在轧机座的半圆形座孔里。 20 辊森吉米尔轧机每个支承辊的数个短圆柱轴承(亦称背衬轴承)和鞍座安装 在同一轴上。除 b、c 辊组（见下图 2-3）外，其余各支承辊结构基本相同， b、c 辊组视有无径向辊形调整机构其结构有所不同。轧机中心线两侧的 4 个第 二中间辊是传动辊，由电机通过万向接轴来传动。两个工作辊是靠 4 个传动辊和 第一中间辊的摩擦力而驱动的。8 个支承辊组的心轴及背衬轴承的位置，对机架 而言是能够变化的，以准确地控制两个工作辊之间的距离(即轧机辊缝)。这是森 吉米尔轧机的基本控制运动，这种控制是快速的，对轧辊而言是平行的，并且位 置非常准确。 河南科技大学毕业设计（论文） 8 图 2-3 轧机的支承辊（b、c 支承辊） 1.厚壁外圈轴承 2.鞍座 3.心轴 4 齿轮 作为支承辊的轴承外径直接承受轧制分力，并通过心轴和鞍座将轧制分力传 递给刚性牌坊。支承辊厚壁轴承与整体机座的高刚性，可以消除工作辊的挠度。 支承辊心轴通过偏心装置来控制工作辊辊缝和轧制力的传递，其压下机构和调整 机构均采用液压缸或液压马达，通过齿轮、齿条带动与偏心轮连接的齿轮来实现 参数的调整，对所轧钢带的尺寸精度和表面质量起着重要的作用。 20 辊森吉米尔轧机在结构性能上有如下主要特点： (1)具有整体铸造（或锻造)的机架，刚度大，轧制力呈放射状作用在机架的 各个断面上； (2)工作辊径小，道次压下率大，最大达 60。有些材料不需中间退火，就可 以轧成很薄的带材； (3)具有轴向、径向辊形调整，辊径尺寸补偿，轧制线调整等机构，并采用液 压压下及液压 agc 系统，因此产品板形好，尺寸精度高； (4)设备质量轻，轧机质量仅为同规格的四辊轧机的三分之一。轧机外形尺寸 小，所需基建投资少。 河南科技大学毕业设计（论文） 9 第三章 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承概述 在轧制生产中，轧辊与所轧金属直接接触，它是轧机使金属产生塑性变形的 主要工具，而轧辊是由各类轴承支承的。因此，轧机轴承的质量和使用寿命直接 关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成本。通常 20 辊森吉米尔轧机支承辊 轴承采用圆柱滚子轴承，因为其承载能力要比圆锥滚子轴承高。本章介绍了森吉 米尔式轧机轴承的类型及使用特点，然后比照一般轴承的结构，分析了森吉米尔 式轧机轴承的结构特点。 3.1 轴承的类型 20 辊森吉米尔轧机的支承辊轴承，自身外圈就直接担负着支承辊的作用，外 圈的厚度比普通的轴承外圈厚得多，这种特殊结构使轴承能够具有相当高的刚性。 支承辊轴承一般是圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承及滚针轴承等，有单列和多 列滚子、带挡边和无挡边的结构；滚子有满装和带保持架分隔的。轴承上有润滑 孔，有些轴承的内圈有一道或多道环形槽。通常 20 辊森吉米尔支承辊采用圆柱 滚子轴承，因为其承载能力要比圆锥滚子轴承高。 无挡边或挡圈的圆柱滚子轴承（如图 3-1 所示）不能承受轴向载荷，因此需 要在外圈和支承鞍座侧面之间放置青铜或塑料止推垫圈。带有挡边（或挡圈）的 圆柱滚子轴承与圆锥滚子轴承能够承受同时作用的径向力和轴向力，不需要止推 垫圈。对于高速轧机，轴承带有保持架可以分隔并引导滚子；如果轴承转速较低， 采用满滚子的结构能使轴承在外形尺寸小的情况下具有大的承载能力。 河南科技大学毕业设计（论文） 10 图 3-1 圆柱滚子轴承（背衬轴承）结构 装在同一根心轴上的一组轴承的个数取决于轧机的尺寸。一根心轴上一般装 有 57 套轴承。支承辊上各轴承承受轧制分力，整个心轴相当于一个刚性多支 点梁。如图 3-2 所示 图 3-2 带有背衬轴承的支承轴和支承座架 1.支承轴 2.中间辊 3.工作辊 4.背衬轴承 5 支承座架 为了防止轧机工作辊的抖动，工作辊由中间辊和支承轴支承。在这些支承轴 上，几个背衬轴承由支承座架分开彼此相邻布置。这样的布置满足了载荷分布的 河南科技大学毕业设计（论文） 11 要求。根据设计形式不同，背衬轴承可以承受高的径向载荷，也可同时承受高的 径向和通过相邻的结构传递到机架上的轴向载荷。 轧机轧制的质量，不仅取决于整个支承轴系的弯曲刚度，更取决于每个背衬 轴承的截面高度公差、运行精度和外圈外表面的表面质量。 背衬轴承的性能要求： (1)按照严格的公差要求制造； (2)保持 p4 级的运行精度； (3)分成 3 到 7 个公差组别，每个组别公差范围 35 微米； (4)可以承受高载荷； (5)可承受较高的轧制速度。 这些特殊性能有效的保证了轧制产品的表面质量和平面度。最终，带材被经 济地加工到非常好的厚度公差，并得到最优的表面质量。 常见支承辊轴承的类型： 类型 1 的特点（见图 3-3）：外圈不带挡边，第一和第二列滚动体由双列梳 状保持架引导，第三列滚动体由单列的梳状保持架引导。滚动体由位于内圈上的 活动挡边进行轴向引导。此种背衬轴承不带密封。非密封轴承可适用轧制乳化液 润滑，乳化液可以从轴承中均匀的无障碍流进和流出。 图 3-3 三列圆柱滚子轴承 类型 2 的特点（见图 3-4）：这些双列背衬轴承外圈有三个挡边。滚动体由 双列梳妆黄铜保持架引导。此类型轴承可适用于各种润滑方式，根据润滑方式不 同，可提供不带密封或密封轴承。 河南科技大学毕业设计（论文） 12 图 3-4 双列圆柱滚子轴承 类型 3 的特点（见图 3-5）：双列满装背衬轴承内圈和外圈都有中挡边。此 种背衬轴承不带密封，可适用轧制乳化液润滑。 图 3-5 满装双列圆柱滚子轴承 3.2 轴承结构特点 与一般的滚动轴承相比，森吉米尔轧机轴承有以下特点： (1)工作负荷大。通常轧辊轴承所承受的单位压力，比一般用途的轴承高 2 到 4 倍，甚至更高，而 pv 值(轴承单位压力与线速度的乘积)是普通轴承的 3 到 20 倍。 (2)工作环境恶劣。轧辊冷却时有氧化皮飞溅，轧制的时候需要用工艺润滑剂 来润滑，多数情况下他们是不能与轴承润滑剂相混合，这对轴承的密封提出了更 高的要求。 (3)要求轴承有很高的制造精度，轴承的制造精度要求为 p4 级以上。还有一 个特殊要求是，安装在同一根心轴上的轴承“有效截面”全部相同，使负荷能均 河南科技大学毕业设计（论文） 13 匀地分布于与之接触的中间辊和工作辊的整个长度上，这是保证薄钢带轧制精度 的重要因素。轴承“有效截面”是指内外圈的厚度加上滚子的直径的总和。 (4)根据 20 辊森吉米尔轧机的轧制精度和轴承的尺寸，一组轴承的截面高度 必须控制在 0.0020.01mm 的范围内，按照高度差异为 5m 进行分组，同时外 径的相互差也应控制在同样的范围内。支承辊轴承按截面高度分组后，在轴承内 外圈端面上标出厚度最大的点、轴承组号和分组公差。注意对应的一组滚动体不 能相互混杂。 支承辊轴承外圈为旋转圈，根据轧机工况与轴承类型，最大转速可由 150rpm 至 850rpm，甚至更高。内圈为非旋转圈，内圈滚道受载位置的应力循环次数远远 大于外圈滚道。因此轴承的内圈应定期调整位置，使内圈滚道负荷区的部位不断 变化，延长轴承寿命。 河南科技大学毕业设计（论文） 14 第四章 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承设计 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承要满足高速、重载、冲击负荷大等多项轧制要 求，可以根据轧机支承辊轴承异常失效的形式分析原因，不仅要从设计制造上改 进，提高轴承各元件需要有足够高的强度；提高设计寿命，选用优良材料，各元 件间的工作间隙必须合理，正确安装使用，提高轴承精度及其公差要求。 4.1 轴承材料选取 滚动轴承对材料的基本性能要求取决于轴承的工作特性，一般而言，轴承用 钢应具备以下特性：(1)高的接触疲劳强度；(2)高的耐磨性；(3)高的弹性极限和 屈服强度；(4)高而均匀的硬度；(5)一定的冲击韧性；(6)好的尺寸稳定性；(7)良 好的缓蚀性能：(8)良好的工艺性能。 轴承钢的主要类型包括：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈钢轴承钢、碳素 轴承钢以及陶瓷材料等。根据森吉米尔背衬轴承高载荷、工作环境恶劣的特点， 选用优质渗碳轴承钢 g20cr2ni4a，其主要特点是能够承受较大的冲击载荷，与 高碳铬轴承钢相比它有较高的心部冲击韧度，较好的尺寸稳定性和抗缺口敏感性。 这种轴承用钢采用电渣重熔精炼，钢材的化学成分见表 4-1。 表 4-1 g20cr2ni4a 化学成分表 4.2 轴承的热处理工艺 钢的热处理工艺在决定轴承的使用寿命中占据越来越重要的地位。因为轴承 mocups 化学成分csimncrni 质量分数0.17-0.230.15-0.400.30-0.601.25-1.753.25-3.75-0.250.0200.030 河南科技大学毕业设计（论文） 15 钢的最佳性能取决于组织形态和亚结构，而组织形态和亚结构则取决于加热温度、 保温时间及冷却方式。 轴承钢的通常淬火法采用的是常规马氏体淬火，而从上世纪 80 年代开始以 来，轴承钢的贝氏体等温淬火应用越来越广泛，skf 公司把高碳铬轴承钢贝氏体 等温淬火工艺主要应用于铁路轴承、轧机轴承以及在特殊工况下使用的轴承，同 时开发了适合于贝氏体淬火的钢种(skf24、skf25、l00m07)。其淬火时采用较长 的等温时间，淬火后得到全下贝氏体组织。近来 skf 又研制出一种新钢种 775v，并通过特殊的等温淬火得到更均匀的下贝氏体，淬火后硬度增加的同时其 韧性比常规等温淬火提高 60，耐磨性提高了 3 倍，处理的套圈壁厚超过 l00mm。 贝氏体等温淬火后的组织为下贝氏体+未溶碳化物、下贝氏体+马氏体+未溶 碳化物或者下贝氏体+少量的屈氏体+未溶碳化物。其中贝氏体为不规则相交的条 片，条片为碳过饱和的结构，其上分布着与片的长轴成 55600的粒状或短杆 状的碳化物，空间形态为凸透镜状，亚结构为位错缠结，未发现有孪晶亚结构。 贝氏体的数量及形态因工艺条件不同而各异。随淬火温度的升高，贝氏体条变长； 等温温度升高，贝氏体条变宽，碳化物颗粒变大，且贝氏体条之间的相交的角度 变小，逐趋向于平行排列，形成类似予上贝氏体的结构；贝氏体转变是一个与等 温转变时间有关的过程，等温淬火后的贝氏体量随等温时间的延长而增加。 贝氏体的淬火工艺图如图 4-1 所示，其工艺特点为： (1)毛胚需经碳化物细化处理，通常选用正火和快速退火； (2)淬火加热温度比常规马氏体淬火温度要高 20-c，淬火加热应在可控气 o 30 氛炉或盐浴炉中加热； (3)冷却在 220240oc 硝盐中进行，按冷却介质的 0.5一 1(质量分数)加 水，以调节冷却速度。 河南科技大学毕业设计（论文） 16 图 4-1 贝氏体的淬火工艺 下贝氏体组织的突出特点是冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性好， 表面残余应力为压应力。因此适用于装配过盈量大、服役条件差的轴承，如承受 大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承、润滑条件不良的矿山运输机械或矿山 装卸系统、煤矿用轴承等。一般认为，全贝氏体或马贝复合组织的耐磨性和接 触疲劳性能低于淬火低温回火马氏体，与相近温度回火的马氏体组织的耐磨性和 接触疲劳性能相近或略高。 这种淬火工艺的主要优点在于： (1)扩大了轴承钢应用范围。一般地轴承钢马氏体淬火时套圈有效壁厚在 12mm 以下，但贝氏体等温淬火时由于硝盐冷却能力强，若采用搅拌、串动、加 水等措施，套圈有效壁厚可扩大至 28mm 左右。 (2)硬度稳定、均匀性好。由于下贝氏体转变是一个缓慢过程，套圈在硝盐中 长时间等温，表面心部组织转变几乎同时进行，因此硬度稳定、均匀性好，不象 马氏体淬火时套圈壁厚稍大一些就出现硬度低、软点、均匀性差等问题。 (3)减少淬火、磨削裂纹。在铁路、轧机轴承生产中，由于套圈尺寸大、重量 重，油淬火时马氏体组织脆性大，为使淬火后获得高硬度常采取强冷却措施，结 果导致淬火微裂纹；由于马氏体淬火后表面为拉应力，在磨加工时磨削应力的叠 加使整体应力水平提高，易形成磨削裂纹，造成批量废品。而贝氏体淬火时，由 于贝氏体组织比马氏体组织韧性好得多，同时表面形成高达-400-500mpa 的压应 力，极人地减小了淬火裂纹倾向；在磨加工时表血压应力抵消了部分磨削应力， 使整体应力水平下降，大大减少了磨削裂纹。 (4)大大提高了轴承的使用寿命。对于承受太冲击载荷的铁路、轧机轴承等， 经马氏体淬火后使用时主要失效形式为：装配时内套开裂使用过程中受冲击外 圈挡边掉块、内圈碎裂，而等温淬火轴承由于冲击韧性好、表面压应力，无论装 河南科技大学毕业设计（论文） 17 配时内套开裂，还是使用过程中外套挡边掉块、内套碎裂倾向性太大减小，且可 降低滚子的边缘应力集中。因此，经等温淬火后比马氏体淬火后平均寿命及可靠 性提高。 4.3 辊系的载荷分析 为有效地计算支承辊轴承的承载力，需要对辊系进行受力分析。为便于计算， 采用简化受力分析方法，忽略轧辊的弹性变形及摩擦损失，假设作用力的方向均 在两辊的连心线上，如下图 4-2 所示。 图 4-2 辊系受力分析 如上图 4-2 显示，20 辊森吉米尔轧机辊系的受力为层层传递，一直传递到最 外层的支承辊上，而支承辊最终将力传递到刚性极高的连体机架上，有效地解决 了其他轧机刚性不足而导致的辊系变形移位导致的产品质量缺陷问题。 由上图 4-2 得到如下公式： （4-1）（2sinap/p1 （4-2）（）（-90/sin-sinpp 0 12 （4-3）（）（-/cos-sinpp 13 （4-4）/sincospp 34 （4-5）（）（-90/sin-90sinpp 0 25 （4-6）（）（-/cos-sinpp 26 河南科技大学毕业设计（论文） 18 （4-7）（-90cosp2pppp 0 46 2 4 2 67 单个支承轴承的载荷 f 按下式计算 （4-8）p/llf b ）（ 式中：为轴承宽度，为心轴上轴承的数目，为整个支承辊长度。 b lnl 计算表明辊系上载荷的分布极不均匀，两边支承辊 a、d 的载荷比中间支承 辊 b、c 的载荷值大。某些类型的轧机 a、d 支承辊辊上的载荷值与 b、c 支承 辊辊上的载荷相对差可达 40%，以至于位于辊系边侧的支承辊磨损较为严重，两 边支承辊轴承寿命大大地降低。 4.4 轴承的载荷分析 一般轴承的寿命计算只适用于安装在实心轴上并且置于刚性轴承座的轴承， 对于多辊轧机，轴承外圈直接做支承辊，外径的局部与中间辊接触，在外载的作 用下厚壁外圈会发生一定的弹性弯曲变形，影响滚道上的载荷分布，从而影响承 载能力。 计算滚动体与滚道的接触变形时，必须考虑外圈径向挠度的影响。按薄壁圆 环的平面弯曲理论，任意角位置处的径向挠度微分方程为 （4-9）/ei-mrww/dd 222 式中：w 为角处径向挠度，ei 为弯曲刚度，m 为处截面上弯矩，r 为曲率 半径。 由（1）式可求解外圈的径向挠度）（ n w 又任意位置滚动体与滚道的接触变形为 n （4-10） ）（ nrcosn w 式中：为内外圈相对位移，n 为滚动体编号。 r 建立每个滚动体的变形方程，再加上一个套圈的受力平衡方程，共 n+1 个方 程，解以上的非线性方程组，可求出各点的接触变形。 n 则各点的接触载荷为 （4-11） 1 . 1 n q n k 式中：k 为轴承载荷变形常数。 河南科技大学毕业设计（论文） 19 按线接触的额定计算公式分别计算轴承内、外圈的额定载荷“” 、 “” ， ci q ce q 以及轴承内、外圈与滚动体的当量载荷“” 、 “” ，得到轴承内、外圈的额 ei q ee q 定寿命为 （4-12） 4 eici10i /qql）（ （4-13） 4 eece10e /qql）（ 则整套轴承的额定寿命为 （4-14） -8/9 -9/8 10i -9/8 10e10 lll）（ 计算表明，支承轴承的载荷分布不同于刚性座的轴承。由于支承轴承的外圈 弹性变形，滚动体载荷区变小，载荷区顶部滚子所受的载荷增大，所以支承轴承 的当量载荷明显增大，寿命也会大大地降低。由于弹性变形，轴承的寿命大约比 常规计算的降低了 75%。 针对支承辊轴承的特殊应用，轴承的结构设计就须有助于改善载荷的分布状 况。轴承外圈的壁厚既要保证外圈有足够的刚性，不至于因承受重载而发生较大 弯曲变形，又要兼顾轴承具有大的动载荷能力（国外轴承公司的经验值是外圈滚 道直径与外径之比） 。0.7/dde 有关研究表明，采取大直径滚子的设计比采取小直径滚子而数目稍多的设计 要合理；对转速不高、载荷较重的应用，可采取无保持架的满装滚子结构，增大 轴承的载荷能力，同时降低滚道接触点的载荷，提高轴承的刚性。 4.5 轴承的参数设计 本论文以双列满装圆柱滚子轴承为设计对象，双列满装圆柱滚子轴承结构适 用于转速不高或低速转动，能承受径向冲击载荷，具有以下特点： (1)轴承的外圈壁较厚，一般为内圈壁厚的 33.5 倍。在承受较大冲击载荷时， 防止外圈发生弯曲变形； (2)轴承外圈无中挡边、内圈无挡边的分离型结构，便于装卸和修磨，同时也 增加了滚子的长度； (3)双列满装圆柱滚子使轴承额定动载荷及运转平稳性显著提高； (4)轴承内圈有油孔及油沟，可扶轴颈的中心油孔中注入润滑油经内囱船孔和 油沟进入轴承。 河南科技大学毕业设计（论文） 20 因此，轴承的结构参数应根据轴承的使用工况，参照设计标准设计。对于双 列满装滚子轴承来说，应确切保证圆周总间隙和双列滚子的轴向间隙。圆周总间 隙是指一列滚子排满并消除相邻滚子间隙，其第一个滚子与最后一个滚子的中心 连线与滚子直径之差。轴向间隙是指双列滚子在轴承外圈滚道上的轴向位移。此 两值是双列满装滚子轴承的重要参数，关系到轴承的使用性能。 1.圆周总间隙 从图 4-3 可知 图 4-3 圆周总间隙 由图 4-3 可得到： （4-15） rwbe u2ddd （4-16） wb ddp （4-17）/pdsin w （4-18）（/pd2sin2 w -1 （4-19）（）（/pdsin1-z2-2 w -1 因为 （4-20） p d sin1-zpsin 2 psinoo w 1 - 32 ）（ （4-21） w32 d-oos 所以 （4-22） w w 1 - d- p d sin1-zpsins ）（ 式中，为外滚遭直径，为内滚道直径，为径向游隙，为滚子中心圆直 e d b d r up 径，单列滚子数目，圆周总间隙。zs 为保证轴承的运转平稳性，径向游隙值一般在 0.050.08mm 之间。两列 r u 河南科技大学毕业设计（论文） 21 滚子的圆周总间隙应一致，且值应在 0.600.90mm 之间。s 值过大过小都是不利 的，可通过调整内、外滚道直径和滚子直径来改变。 2双列滚子的轴向间隙 从图 4-4 可知 图 4-4 滚子轴向间隙 （4-23） u 2l-b 式中，b 为外滚道宽度，为滚子长度， 为滚子问轴向间隙。 u l 滚子轴向闯隙一般在 0.050.10mm 之间，值过大或过小，影响滚子在滚 道里的正常滚动，特别是滚子端面和外滚道、滚子之间的摩擦、磨损。为减小这 种摩擦，可通过改进滚子端面和挡边引导面的设计，实现点接触，使其易于形成 润滑油膜。采用环下润滑的方法也可以减小这种摩擦。 上述 s 与的值选择不当，会影响滚子的滚动或导致滚子的偏斜，增大滑动 摩擦，出现早期的疲劳剥落，从而降低轴承的寿命。 4.6 轴承的公差选取与分析 减小轧材的公差需要高的轴承精度，特别是对外圈的跳动和轴承的截面高度 公差要求。这需要高要求的制造公差和各部件的公差组别分类来达到。 背衬轴承被分成 3 到 7 个截面高度公差组别 i 到 vii，每一个为或m3 公差（见表 4-2） 。m5 表 4-2 截面高度组别和公差 截面高度组别型号截面高度公差m 河南科技大学毕业设计（论文） 22 i 00.005 ii 0.0050.010 iii 0.0100.015 每一个背衬轴承都有截面高度公差组别名称标示（图 4-5） 。标记位于内外圈 最大壁厚处（图 4-6） 。为了减小内圈壁厚的波动，在一个支承轴上的所有轴承内 圈标记必须在同样的位置。 安装在同一支承轴上的所有背衬轴承必须是同一公差组别，见图 4-5。 图 4-5 截面高度分组标记 图 4-6 最大壁厚处标记 轴向定位（见图 4-7）：一旦背衬轴承和支承座被安装，所有支承座、背衬 轴承和支承轴必须被轴向定位。 河南科技大学毕业设计（论文） 23 图 4-7 支承轴、背衬轴承和支承座轴向定位 4.7 轴承的优化 轴承载荷目标函数的确定： 轧机轴承工作过程中，由轧制力导致的接触应力很大，并且受到冲击载荷的 作用，轴承的受力变形也大，因此，优化设计时考虑基本额定动载荷和额定静载 荷两方面。 根据圆柱滚子轴承的特点，可以得到滚动轴承的基本额定动载荷计算公式。 （4-24） 9 2 9 2 108 143 27 29 w 9 7 we 4 1 27 29 9 2 d 1 1 04 . 1 1dzil 1 1 207c 4 3 ）（）（ ）（ ）（ 式中：；为接触状态系数，这里取值为 0.83；dw滚子直径，为 pw w d d we l 滚子有效长度，z 为每列滚子个数，i 为滚子列数，为滚子组节圆直径。 pw d 额定静载荷公式为 （4-25） wwes zdil144c）（ 这是多目标约束函数的优化问题，采用线性加权法确定几个目标函数的权数， 再进行相加即得到统一的目标函数。其表达式为 （4-26） s2d1 ccxf）（ 河南科技大学毕业设计（论文） 24 式中：f 为目标函数，x 为优化参数，为权数，根据目标函数对轴承性能的影 响因素，取 （4-27）3 . 0 7 . 0 则目标函数为 （4-28） sd c3 . 0c7 . 0xf）（ 约束条件 从(2)式和(3)式可知，有关轴承结构设计变量的参数包括滚子组节圆直径， pw d 滚动体直径 d，滚动体有效长度。滚动体个数 z 以及滚动体列数 i。根据滚动 we l 轴承几何学关系，确定了以上的结构参数，轴承的其他结构参数便可以通过以上 的参数计算出来。因此，轴承的优化设计的设计变量可以表示为 （4-29） zl d dx wewpw 滚子组节圆直径 轴承滚子组节圆直径的约束与轴承的内径 d，外径 d 以及滚动体直径有 pw d 关，但由于森吉米尔式轧机轴承为外圈受载，对外圈的承载能力提出了要求，因 此这里轴承滚子组节圆直径的取值范围可定为 pw d （4-30）（）（dd48. 0ddd4 . 0 pw 滚动体直径 因为滚子直径的变化对径向基本额定载荷的影响较大，必须充分利用 w d d c 有限的滚子轴承横截面积，尽可能增大，根据设计经验的取值范围为 w d w d （4-31）（）（dd6 . 0d2dd4 . 0 w 装配角 轴承的装配角是约束滚子个数的一个重要条件，根据理论计算和实际经验， 0 可以确定轴承的装配角为 （4-32） )2/(2/)2/(2/duarccos22 w 222 0 dtdutddt w ）（ 其中 （4-33） 4/d2ddt w） （ （4-34） 4/32/ )(tddu 装配角必须满足以下条件 （4-35） 0pww/d darcsin1z2）（）（ 外圈壁厚 河南科技大学毕业设计（论文） 25 森吉米尔轧机轴承外圈的壁厚不应该小于 0.15，约束条件可以表示为 pw d （4-36） 0d15 . 0 ddd5 . 0 pww ）（ 滚子长度 根据滚动轴承宽度，预留密封环的安装位置为 0.03b，可以得到滚子长度的 约束条件为 （4-37） 0ilb03 . 0 x2b8 . 0 we 保持架过梁宽度 根据理论和实践经验，保持架过梁宽度在 510mm 之间，转化为约束条件则 为 （4-31）8d z d 5 w pw 河南科技大学毕业设计（论文） 26 第五章 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承应用研究 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承工作在十分恶劣的工作环境下，要满足高速、 重载、冲击负荷大等多项轧制要求，还要结合轴承安装使用环境等因素，合理设 计润滑结构，正确选择润滑方式；同时分析了轴承的失效因素及预防措施，对轴 承日常维护，要及时诊断。合理维护可以提高轴承保持较高的轧制水平和轧制精 度，提高工作性能。 5.1 轴承的润滑 轴承的润滑是利用油膜将相对运动的滚动表面彼此隔开，不致因粗糙点接触 导致磨损过度而失效。如果能高度重视轴承润滑技术，则能长期保持稳定的性能 和旋转精度。 20 辊森吉米尔轧机支承辊轴承的润滑原则上与其他滚动轴承的润滑基本一致， 只是轴承的工作条件比较恶劣，其工作性能能否获得有效发挥在很大程度上取决 于轴承的润滑情况。润滑方法、润滑剂的量和粘度取决于背衬轴承的工作条件， 必须保证在轧机启动前就对背衬轴承进行润滑。 由于 20 辊森吉米尔轧机机座为整体结构，辊系之间空间有限，支承轴承的 安装空间非常狭窄，散热是一个很大的问题。支承轴承可以借助于轧辊液来润滑 并得到冷却，也可以采取单独的润滑系统。 轧制乳化液润滑（见图 5-1）：采用轧制乳化液润滑是最经济的，这一方法 已在大量的轧机上使用。由于轧制乳化液的粘度较低，需要较大流量润滑油流过 轴承。通过背衬轴承的高流速润滑剂防止了外部物质进入轴承。无密封的背衬轴 承是适于轧制乳化液润滑的。 河南科技大学毕业设计（论文） 27 图 5-1 轧制乳化液润滑