彩涂涂機軸承改型分析及應用

康海林

1.前言

彩色涂層生產線是專門用于對冷軋板、熱鍍鋅板、鍍鋁板、高鋁合金板、不銹鋼板等材料表面進行連續漆料涂裝的機組裝備，以提高工業用帶材的耐腐蝕性與外觀裝飾性，為建筑、家電、交通運輸等行業提供各種規格與色彩的卷板。整條生產線主要分為：上料準備、清洗鈍化、表面涂覆、分切收卷四個功能段，其中表面涂覆功能段為關鍵功能段，表面涂覆質量的好壞直接決定產品的質量和性能。涂層厚度控制則是涂覆工序的關鍵參數之一。

2.涂層厚度控制分析

在彩色涂層鋼板生產中，除了基板之外，70%的車間成本由涂料構成。因此盡量精確的控制涂膜的厚度具有明顯的經濟效益。對于一條年產10萬噸的生產線來說，如果按產品基板厚為0.5mm、涂層總厚度為25μm時，若能控制涂層厚度減少1μm，就可以節省涂料100t左右。如此明顯的效益目標推動了涂膜厚度控制技術的改進。在生產中，出現了縫隙控制和壓力控制的技術。

2.1 操作人員進行機械的調整控制

涂料涂覆厚度最簡單的方法，是在涂覆作業時，由操作人員使用涂膜測厚器對涂敷后的鋼板表面涂膜進行厚度測量。根據所測得的厚度和已知的干膜厚度與濕膜厚度的對應比值，通過手搖動搖柄和絲杠，調節有關輥子的間隙，以及相關輥子的轉速，從而改變涂覆在帶鋼表面上的涂膜厚度。

根據各個輥子轉速和縫隙來對涂層的厚度進行調整。當掛料輥和涂敷輥轉速確定之后，在單位時間內涂敷向帶鋼供給的涂膜總量也是確定的。這時，如果調節帶鋼的速度，帶鋼表面上被涂上的涂膜的厚度將發生與之成反比的變化。反之亦然，當固定了帶鋼的行進速度之后，改變各輥的轉速，則回使帶鋼表面的涂膜厚度發生變化。

2.2 利用輥子轉速比的調節控制涂層厚度

在生產過程中，對涂層厚度的調節是通過在一定范圍內調節涂敷輥、掛料輥和計量輥的轉動速度來進行的。與此同時，配合以手動和機械調節與濕膜的測定。對于輥速調節的范圍，則視涂料的特性、黏度、溫度和機組設備的不同而異。圖1是一組涂敷作業時輥速控制調節的實例。

2.3 通過輥間壓力調整涂層的厚度

在實際生產中，當兩輥式順涂作業時，涂敷輥與帶鋼相互緊靠而沒有縫隙。在使用聚氨酯橡膠包襯的涂敷輥時，涂敷輥與帶鋼間的縫隙為零，漆膜厚度主要由橡膠輥的彈性變形控制。假若涂敷輥在位置調整后不再產生變動，而且涂料在涂敷過程中仍屬于牛頓流體，并通過壓力傳感器，可以測得帶鋼與涂敷輥間的壓力，那么可以推導出下述公式：

式中： F——涂敷輥與帶鋼間壓力顯示值；

h1——涂敷于帶鋼上的涂膜厚度；

ω1——轉向支撐輥（帶鋼）的角速度；

ω2——涂敷輥的角速度；

b——與膠輥半徑、轉向支撐輥角速度、涂敷輥角速度有關的常數；

C——與帶鋼寬度和膠輥硬度有關的常數；

在實際生產中，在作業的瞬間涂料的黏度、溫度以及膠輥的徑向膨脹是不變的，生產線速度和涂敷輥轉速確定以后，涂敷于帶鋼上的涂膜厚度h1只隨涂敷輥與帶鋼間的壓力F變化。但是由于膠輥在寬度方向上的硬度不可能絕對的相同，所以在帶鋼寬度方向上的涂膜厚度分布也有所差異；同時由于涂料仍然并非牛頓流體，以及膠輥的壓縮變形誤差，所以實際與理論上的計算值并非完全吻合，但是有一定的近似性，不影響進行趨勢判斷分析。

2.4 涂料黏度對涂膜厚度的影響

上述分析都是建立在黏度確定的情況下進行的，然而實際生產過程中，黏度對涂敷時的濕膜厚度也起到非常大的影響，在其他條件一定的情況下，在一定的范圍內，黏度越小，濕膜厚度越薄。涂料的黏度與溫度有密切關系，同時也稀釋劑的濃度有關，在不同的溫度下，進行涂料的涂敷作業時，要求將涂料用溶劑稀釋到相同的黏度。為了便于調節涂料的黏度，涂料生產廠家經常利用一種事先測算好的溫度-黏度-稀釋率曲線。如圖2所示。

由此可見，溫度越高、稀釋率越大，黏度越小。同樣的濕膜厚度，不同的稀釋率，固化后的干膜厚度也不同，稀釋率越大，干膜厚度越薄，但是稀釋劑的成本也越高。

3.現狀分析

攀鋼彩涂生產線，采用的是兩輥式底涂和三輥式精涂正面、兩輥是精涂背面的涂敷方式。在進行膜厚控制作業過程中，其它參數都最大化都優化后，為了獲得較薄的干膜厚度，同時減少稀釋劑的使用成本，采用增大輥壓的方式來控制膜厚，并取得較好的效果。但是同時也帶來了一些問題，主要是來自設備方面。精涂機掛料輥、涂輥軸承頻繁損壞，對正常生產產生了非常嚴重的影響。原設計的軸承為帶座外球面調心球軸承型號UCC211，日本NSK生產的進口軸承， 采用增大輥壓的工藝后，生產涂料成本下降了，但軸承平均每月消耗12套左右，也就是說每2-3天就消耗一套軸承，而主要損壞軸承的輥子只有4根，即占用8套軸承。軸承頻繁損壞造成備件成本增加，而且更換軸承造成機組停機，生產中斷，對生產彩涂帶鋼的產品質量和合格率造成的損失更是巨大。鑒于這種情況，為了減少或避免因涂輥軸承損壞造成的巨大經濟損失，亟需解決涂輥軸承頻繁損壞問題。

4.改進措施及思路

通過記錄精涂機背涂輥和面涂輥的壓力，得出壓力數據，且對比壓力數值和軸承損壞頻率可以看出，在壓力大的時間段內，軸承更換頻率相對高，壓力小的時間區域內軸承更換頻率相對較低。而且軸承大部分為內圈沿徑向斷裂。

根據機組運行參數可以做以下計算，得出軸承的理論壽命：

設機組運行速度為60m/min 輥速比為1.06

輥徑為￠215mm＝0.215m

可得：棍子轉速＝(60×1.06)/(0.215π)=94.2r/min

已知UC211的額定動載荷為29.2KN

根據軸承壽命計算公式

球軸承ε＝3 滾子軸承 ε＝10/3

UCC211為球軸承，ε取3

當輥壓按原設計壓力500kg-800kg力即5KN-8KN狀況下運行時：

C=5KN時：L10=(29.2/5)3＝199.176704（百萬轉）

轉換為天為：199176704/(94.2×60×24)=1468.3天

而在實際使用中，軸承載荷幾乎達到20KN即2噸的力：

在此工況下：C=20KN時：L10=(29.2/20)3＝3.112136（百萬轉）

轉換為天為：24897088/(94.2×60×24)=22.9天

實際使用中因為裝配精度等其它各方面的原因，實際使用壽命只有2-3天，嚴重影響正常生產。因原設計使用壓力為5KN-8KN，而在實際生產過程中，根據生產工藝，精涂面涂軸承壓力往往在15KN左右，背涂軸承壓力在20KN以上，UCC211的額定動載荷才29.2KN，已經遠遠不能滿足目前工藝下的生產要求，綜合各方面的因素，最終決定對該軸承進行換型改造。

根據該軸承的工況要求，需要選擇有調心功能的軸承，可供選擇的軸承有調心球軸承和調心滾子軸承。同尺寸的調心滾子軸承具有更好的承載能力，因此選用調心滾子軸承。由于原型號軸承UCC211為帶座外球面軸承，在軸上的緊固是靠徑向擰緊緊定螺絲來實現的，所以新換型的軸承也必須要考慮到在軸上的緊固形式。一般來說軸承內圈緊固的常用方法有：

A）用軸用彈性擋圈嵌在軸的溝內，主要用于深溝球軸承，當軸向力不大及轉速不高時；

B）用螺釘固定的軸端擋圈緊固，用于在軸端切割螺紋有困難時。這樣緊固可在高轉速下承受大的軸向力；

C）用圓螺母和止動墊圈緊固，主要用于軸承轉速高、承受較大的軸向力的情況；

D）用緊定襯套、止動墊圈和圓螺母緊固，用于光軸上的、軸向力和轉速都不大的、內圈為圓錐孔的軸承。內圈的另一端常以軸肩作為定位面。為了便于軸承拆卸，軸肩的高度應低于軸承內圈的厚度；

由于涂輥的數量較大，對涂輥軸的改動工作量較大，成本也比較高，根據實際工況，上述D)結構形式完全滿足涂輥的使用要求，因此選用D) 圓錐孔軸承配合緊定襯套、止動墊圈和圓螺母緊固的組合形式，實現軸承在光軸上的定位緊固。根據查閱軸承手冊，初步選用型號為21312CK+H312的軸承加緊定襯套。下面應用軸承壽命公式對21312CK軸承在實際工況下的理論壽命進行校核：

通過查閱軸承手冊可知，軸承21312CK的徑向基本額定動載荷為211000N，即211KN。

根據軸承壽命計算公式： L10=(C/P)ε

球軸承ε＝3 滾子軸承 ε＝10/3

21312CK為滾子軸承，ε取10/3

當輥壓為現在涂輥實際使用壓力20KN即2噸的力狀況下運行時：

C=20KN時：L10=(C/P)ε=(211/20)10/3＝2575.381265（百萬轉）

轉換為天為：2575381265/(94.2×60×24)=18985.77天

相當于52年，也就是說理論上該軸承是不會因為載荷因素而損壞。

5.取得成效

2008年3月完成對背涂掛料輥（鋼輥）軸承換型改造后，軸承由原UCC211換成21312CK+H312，使用至2011年3月，此輥累計消耗軸承數量為0，即通過3年的統計觀察，換型后的該輥軸承沒有發生損壞現象，而且旋轉精度及其他性能參數也滿足生產工藝要求，可以確定改造時成功的。下一步是將精涂面涂掛料輥也換成此型號的軸承，并逐步更換精涂涂輥。

項目改造后，軸承的理論壽命可以從目前的22.9天提高到5年以上，原實際平均使用壽命為2-3天，預計改造后實際平均使用壽命為2年。僅此項軸承消耗節省的經濟效益即為近6萬元。改造前全年此軸承消耗量近200套，按每套400元計算，為8萬元；2007年全年此軸承消耗量近150套，按每套400元計算，為6萬元。

而因軸承損壞對生產造成的損失更為巨大。改造后，背涂提升輥可恢復原較低的位置，使得帶鋼在背涂輥上的包角達到設計要求，基本可以杜絕因帶鋼板型不好，造成背涂漏涂的缺陷，消除因此設備缺陷造成的產品質量不穩定的因素。同時，生產中對漆膜厚度控制調節較簡單實現，通過調整輥壓即可，對油漆粘度要求降低，涂料中稀釋劑的含量也可適當降低，在不影響產品質量的基礎上，有效降低了生產成本。

同時軸承損壞頻率大幅度降低，原來因更換軸承造成機組減速、停機的時間節約下來正常生產，對提高產量起到了積極作用。

6.結論

改造完成后，提高了軸承的使用壽命，降低了機組的故障率，杜絕了改造前軸承頻繁損壞機組減速、停機造成漆膜涂層厚度不均，產生色差或漏涂的缺陷，提高產品的成材率和合格率。因精涂機是彩涂生產線的關鍵設備之一，它的運行情況直接關系到產品的最終質量。精涂機的穩定運行，是產品質量穩定的關鍵因素之一。

1.朱立.徐小連.彩色涂層鋼板技術[M].化學工業出版社.2005:197～204

2.成大先.機械設計手冊第二卷[M].化學工業出版社.2002:7-199～7-209

3.GB/T 271-2008.滾動軸承 分類[S]

4.機械工業信息研究院.洛陽軸承研究所.軸承[M].機械工業出版社.2003:219.260