轧机四列滚动轴承服役寿命与载体弹性_空间自位型高刚度轧机研制

1、总第 109期1999年第 1期 河北冶金HEBEI M ETALL URGY T otal 109 1999, Number 1轧机四列滚动轴承服役寿命与载体弹性 空间自位型高刚度轧机研制束学道陈占福申光宪肖宏黄孟魁许新亭卢其义范荣文摘 要 论 述在作者研 制的三铰 拉杆方柱 (即平面 自位 型 高刚度轧机 基础上 , 研制的 350空间自位型 高刚度轧机 , 配置沿轧制力和水 平力 (轧制 线 作用方 向同时确保 四列滚动轴 承每列和 轧辊轴向调节螺纹机构均载的自位机构。 本轧机 在 8架棒材连轧机头一架上使用一年 证明 , 四列滚动轴承和轧辊轴向调节螺纹机构均未发生损伤或烧熔 , 虽发生

2、几次断辊事故 , 但轴承和螺纹机构仍完好无损。关键词 四列滚动轴承自位载体服役 寿命SERVICE LIFE AND BASE ELASTICITY OF FOURCOLUMN ROLLING BEARING IN ROLLING MILL Developm ent o f Space Self-Po sitioning High-r ig idity M illShu Xuedao Chen Zhanfu Shen Guang x iano Xiao HongHuang M engkui Xu Xinting Lu Qiy i Fan Ro ng w enAbstract from plai

3、n self-positioning hig h-rigidity m ill, a 350space self-posi-tioning high -rigidity r olling m ill w as dev elo ped , which is fitted w ith the self -positio n-ing mechanism w hich can ensure the loads o n each of four columns of rolling bearing andaxial adjusting screw o f ro ll are same at any ti

4、m e alo ng the directions of rolling force andhorizontal fo rce. It is pro ved through one year 's operation that the perfo rmance of themill is ex cellent .Key words fo ur co lum n rolling bearing self-positio ning base serv ice life1引言四列滚动轴承已广泛使用于大中小板、 型、 管等 各类轧机 , 直接提高轧制成品尺寸和形状精度及节 能 , 提高收得率

5、2%5. 3%, 省能 20%以上 1 。 四列 滚动轴承置身于辊系 (简称载体 中。严酷的事实表 明 , 轴承的服役寿命远低于其固有寿命 (即手册设 计、 出厂寿命 , 短寿命率竟达 50%90%, 造成每 年数十亿元的经济损失 , 严重困扰正常生产。 对于轴承固有寿命和服役寿命不等现象 , 国内 外专业技术人员和学者进行了长期深入的研究 2 , 不断优化滚动轴承内部结构 (双列以下 、 润滑冷却、 密封、 防振特性、 提高安装质量等以适应轴承载体环 境 , 缩小两种寿命不同的差距 3 。作者认为 , 对四列滚动轴承两种寿命不等现象 , 要靠轴承内部结构的优化、 润滑冷却条件的改善和 安装科

6、学化加以解决是有限度的。可以说潜力已基 本挖尽。摆脱困扰的新途径就是构成四列滚动轴承 服役寿命因素的另一方 轴承载体应具备使轴承 每列均载且不超载性能 4 。轴承的固有寿命不等于轧机四列滚动轴承的服 役寿命。四列滚动轴承同载体相连。股役寿命并不 是单纯决定于轴承自身结构形式、 安装质量、 润滑冷 却和密封优化程度 , 而且还取决于由轧辊、 轴承座、 机架、 轴向固定挡板、 支承辊、 弯辊装置、 压下装置和 轴向调节 (或横向抽动 组成的载体特性。载体特性 在重载、 高速状态下定义为载体在定位状态下是否联系人 :申光宪 , 秦皇岛 (066004 燕山大学机械工程学院轧机研究所 收稿日期 :19

7、98-11-16具有自动防止异常偏载和超载的能力。具有上述性 能的机构称为自位 (自适应 载体。基于实现四列滚动轴承服役寿命接近或等于其 固有寿命 , 现代短应力线高刚度轧机和高效板带及 管轧机辊系必须是四列滚动轴承的自位载体。人们 习惯地认为压下螺丝与轴承座间的球面垫能保证四 列滚动轴承自位均载 , 这是误解。因为 , 球面垫只是 机架窗口内轴承座与压下螺丝间的运动副 , 不能保 证轴承座随轧辊辊颈的倾斜而摆动。 应该指出 , 不具 有自位性能的载体所致的四列滚动轴承偏载属异常 偏载 , 其偏载系数一般超过 2以上。 在设计时曾考虑 的偏载系数小于 1. 33, 它是每一列滚子选用而形成 的

8、径向间隙不等造成的 , 属轴承自身结构问题。 作者课题组在开发研制三铰拉杆方柱型 (即平 面自位 高刚度轧机基础上 5 , 针对轧制线方向水平 力较大的连轧机用中速短应力线高刚度轧机 , 开发 研制出具有沿轧制力方向和水平力 (轧制线 方向自 位均载特性的空间自位 (简称 KZ 型高刚度轧机。 2空间自位特性滚动轴承中 , 滚动体与滚道间的载荷仅仅作用 于很小的接触面上。 尽管滚动体上的载荷不太大 , 但 是它在滚动体与滚道接触表面上产生的应力很大。 因此 , 在滚动轴承设计或服役寿命评定中 , 要考虑的 关键因素是滚动表面的破坏 , 而不是滚动体的破碎。 滚动轴承接触面半宽长度 , 按 He

9、rtz 公式 (1 表明与l =3. 35×10-3 b 1/2(1式中 , p 为滚动体与滚道间的接触压力 , b 为滚子长 度 , 为曲率和。 对于 90000系列 , 节圆直径 142. 22m m 、 滚子尺寸 22. 86×30. 48mm 的圆锥滚子轴 承 , 在许用最大载荷下的 l 为 0. 461m m, 其相当摩 擦系数为 l /(2R =0. 02。 其中 , R 为滚子半径。 考虑 到在干油润滑条件下钢对钢的摩擦系数为 f =0. 02 0. 06, 则容易破坏滚动体滚动条件为 :f >l /(2R (2 若考虑滚动体与内外圈滚道接触作用 , 则

10、更加促使 滚动体由滚动状态转入滑动状态 , 致使轴承发热烧 熔。 因此 , 防止四列滚动轴承各列出现异常偏载是提 高轴承服役寿命的关键问题。用于连轧机上的短应力线高刚度轧机 , 张力控 制失调或扭转导板翻钢等原因承受较大的水平力 (沿轧制线方向 。其大小按热轧打滑条件估算达最 大轧制力的 3040%。因此 , 只保证载体沿轧制力 方向的平面自位特性是不够的 , 还须包括沿水平力 作用方向的自位特性在内的空间自位特性。须指出 , 轧机由于赋予自位特性而原轴承座刚 性支座变为铰链支座 , 增加了轧辊的弯曲挠度 , 但产 品的尺寸精度不会受到影响。以 250高刚度轧机 为例 , 铰座的轧辊挠度比刚性

11、座增加 15%。轧辊挠 度引起的径向刚度变化只占总体的 50%左右。由 此 , 影响轧件尺寸的变化只有 7. 5%。 这种变形只改 变轧件的横向凸度 , 且可控制补偿的。总之 , 空间自 位特性不会给产品轧制精度带来负面的影响。 3空间自位特性数值解析以 350空间 自位型短 应力线高 刚度轧机 为 例 , 相对偏载特性进行数据解析。由于结构的对称 性 , 轧辊取 1/2作为计算模型 , 轴承座取整体作为计 算模型。 将轴承内圈考虑到轧辊上 , 轴承外圈考虑到 轴承座上。 轧辊及轴承座的边界单元划分如图 1, 图 2所示。其中轧辊划分 394个节点 , 392个单元。轴 承座划分 404个节点

12、 , 404个单元。两物体各有 140个可能接触点。图 1轧辊的边界单元划分图 2轴承座的边界单元划分计算时对轴承座施加不同约束 , 使轴承座分别 处于自位与不自位两种情况 , 用 BEARING 边界元 专用程序计算轧辊轴承的负荷特性 , 其结果如图 3, 图 4所示。河北冶金 1999年第 1期由图 3、 图 4可以看出 , 轴承座在自位情况下 , 轧辊轴承各列负荷轴向分布趋于均载 ; 轴承座在不 自位情况下 , 轧辊轴承各列负荷轴向分布明显偏载 , 且靠近辊身侧一列所受负荷最大 , 几乎承担全部径 向负荷的一半以上。 在计算轴承寿命时 , 应以受载最 大的一列来评价整个辆承的服役寿命。

13、可见 , 偏载可 以大大缩短轴承寿命。图 3 不自位条件下的接触压力分布图 4自位条件下的接触压力分布4 350KZ 型高刚度轧机轧机辊系由轧辊、 四列滚动轴承、 轴承座、 凸球 面齿轮垫、 局部齿圈、 螺母、 拉杆和压下机构及轧辊 轴向调节机构所组成。以轴承座为中心形成双铰一 滑副 KZ 机构 , 当轧辊同时承受轧制力和水平力时 , 轴承座随轧辊弹性弯曲变形倾斜而摆动 , 从而保证 轴承的每列均载。 并且 , 还保证止推轴承和轴向调节螺纹机构也均载。轧机性能参数如下 :轴辊直径 330 370mm辊身长度 600mm 最大轧制力 600kN(单边 最大轧制力矩 55kN m 辊缝最大调节量

14、70mm 轧辊轴向调整量±3mm 轧制速度 <20m /s纵向刚度 14000kN /m m 自位特性 3. 02×10-4Rad/kN 该轧机已制造两台 , 并投入使 用一年 , 运 转正 常 , 轴承未发生烧熔事故。 5结论轧机四列滚动轴承的服役寿命不仅取决于轴承 的固有寿命 (或称设计寿命 , 还决定于承载体 (即辊 系 的特性。其短寿命率可达 50%90%, 非常惊 人。 基于上述因素 , 在研制成功平面自位型高刚度轧机的基础上 , 又研制了 KZ 型高刚度轧机并获得成 功。本理论对采用滚动轴承的各类扎机具有普遍的 指导意义。关于采用四列滚动轴承的高速重载轧机 , 除了 轴承载体的弹性变形作用外 , 还须考虑升温引起的 热变形。 该变形将破坏理想的平行滚道 , 故同样造成 偏载。弹热载体理论与轴承服役寿命的研究是急待 解决的重要课题。参考文献1钟廷珍 . 中小型线材轧机的改造途径 . 第四届轧钢学术会 , 山 东 , 19912巴威尔 FT. 西安交 大零件 教研室 (