出爐輥道抱軸原因分析及改進設計

劉楨輝

（南昌理工學院 機電工程系，南昌 330000）

1 問題的提出

出爐輥道是本立恒鋼鐵股份有限公司高線加工制造的鋼錠快速運送裝置，按照設計圖紙加工完成交付用戶不久，就接到了用戶關于出爐輥道上線運行發生抱軸故障的問題反饋，現場查看出爐輥道，發現輥道的傳動軸與軸承座緊緊抱在一起，軸承不起作用，出爐輥道的滾筒無法在電機的帶動下轉動，造成加熱后的鋼錠滯留在輥道上，不能繼續正常運送到粗軋機，導致整條生產線停產的嚴重后果。

2 結構及組成

出爐輥道及軸承座的具體結構如圖1 所示。出爐輥道是由出爐輥道滾筒和兩端軸承座組成，出爐輥道右端軸頸通過CL4 齒式聯軸器與電機減速器相連，由電機帶動滾筒旋轉，輥筒轉動將加熱后的鋼錠快速運送到粗軋機進行粗軋。兩端軸承選用調心滾子軸承23224CC/W33，軸承的精度等級為P0 級；軸承座外部設計有冷卻水道，軸承座內側與軸頸之間安裝油封，其配合選用間隙配合H10/f9，軸承的內圈與軸采用基孔制過盈配合，軸承外圈與軸承座采用過渡配合。

圖1 出爐輥道及軸承座結構圖

3 故障排查及原因分析

3.1 故障排查

經過對出爐輥道發生抱軸過程的分析，出爐輥道安裝到生產線上剛開始運行情況良好，隨著工作時間的延長，在軸向和徑向方向軸承座和轉動軸徹底抱死。隨即將出爐輥道從生產線上拆卸下來，返回公司進行返修，在拆解的時候，發現除了軸承座孔和軸承以及軸承和內軸之間拆卸非常困難以外，左端軸承座靠近滾筒一側與傳動軸已經焊死在一起；另一端軸承座靠近滾筒一側與軸同樣因為間隙太小，焊死在一起，軸承座的右端，軸承座、定位套及內軸也緊緊抱在一起，從而導致出爐輥道無法轉動。

3.2 原因分析

經過對出爐輥道發生抱軸現象工作條件的實地了解和觀察，其工作的環境非常惡劣，鋼坯由蓄熱式加熱爐加熱到980～1 150℃，由推鋼機將加熱后的鋼坯推到出爐輥道上，這時鋼坯的溫度是850～900℃，鋼坯迅速將熱量傳導給出爐輥道的滾筒，滾筒隨著工作時間的延長，溫度逐漸升高，最后熱量傳導達到平衡，出爐輥道的溫度達到650℃，出爐輥道兩端的軸承座和出爐輥道中間傳動軸同樣在熱傳導和熱輻射的作用下，溫度不斷升高，內部的傳動軸的溫度接近400℃，由于出爐輥道兩端的軸承座外部有強制冷卻水道，冷卻水道的溫度基本保持在80℃左右。在如此惡劣的工作環境中，首先輥道傳動軸的溫度比軸承座的溫度高，軸承內圈的溫度比軸承外圈的溫度高，軸承內圈的熱膨脹量比軸承外圈的熱膨脹量大，導致軸承的工作游隙比裝配游隙小，最后導致兩端調心滾子軸承游隙成為負值，直至抱死。其次中間傳動軸受熱膨脹后，其傳動軸的長度方向的膨脹量遠大于徑向方向的膨脹量，因此在軸向方向使軸承的軸向間隙隨著溫度的升高，逐漸減小，這同樣也是發生抱軸的一個重要因素之一。因此，出爐輥道抱軸的主要原因是出爐輥道裝置受外來熱源的影響，受熱膨脹造成配合間隙變小，隨著工作環境溫度的升高，最終導致抱軸現象的發生。

4 改進設計

根據以上抱軸原因分析，在充分考慮高溫工作環境的情況下：從以下幾個方面對出爐輥道的結構進行改進：

1）調整軸承安裝的軸向間隙。根據圖1 中出爐輥道和軸承座的結構，調心滾子軸承23224CC/W33 安裝在軸承座中，軸承外圈分別固定在軸承座和軸承端蓋之間，軸承內圈固定在傳動軸的軸肩和軸端擋板之間，傳動軸受到出爐輥道上熱鋼坯的影響，溫度急劇升高，傳動軸的軸向膨脹量ΔL（mm）可由下式估算：

式中：Δt 為傳動軸的溫度差；a 為鋼的線膨脹系數，a=0.000 011；h 為傳動軸兩軸肩之間的長度。

一般情況下出爐輥道連續工作2 h 后，傳動軸的溫度約為400℃，與室溫的溫差Δt 為375℃，傳動軸兩個軸肩之間的長度h=974 mm，經計算，傳動軸的兩軸肩軸向膨脹量ΔL=4.017 mm。

發生抱軸的軸承安裝在軸肩和軸承蓋之間的軸向間隙只有0.5 mm，在改進結構設計時將軸承內外圈的安裝間隙改為2 mm，即可滿足由于傳動軸受熱膨脹的軸向間隙要求。

2）調整軸承座與軸安裝的徑向間隙。軸承座與傳動軸安裝油封的位置φ135H10/f9，受到熱膨脹的影響，根據式（1）軸頸的溫度也大約為400℃，與室溫的溫差Δt 為375℃，傳動軸軸頸d=135 mm，經計算傳動軸徑向膨脹量ΔL 約為0.557 mm。

發生抱軸的軸承座與傳動軸之間的間隙最小為0.043 mm，最大為0.303 mm，在改進結構設計時將軸承座與傳動軸安裝油封的位置φ135 的間隙調整0.6 mm。方可滿足出爐輥道正常工作要求。

3）軸承初始游隙的選用。為了提高軸承的使用壽命，保證適當的工作游隙。必須在原始游隙的基礎上，考慮因過盈配合和內外圈熱變形以及載荷等因素所引起的游隙變化，以使游隙處于最佳狀態，軸承零件在工作中的溫度是不同的，在穩定狀態下，內圈的溫度比外圈溫度高，膨脹量大，從而使徑向游隙減小，徑向游隙減小量Δυ（mm）可由下式估算：

式中：Δt 為軸承內外圈的溫差；D 為軸承外圈直徑；d 為軸承內孔直徑。

出爐輥道的軸承穩定工作時，軸承內外圈由于受到外部熱源的影響，其內外圈的溫差Δt 為30～35℃，調心滾子軸承23224CC/W33 的外圈直徑為215，內孔直徑為120，根據上式估算游隙減小量Δυ=0.0 644 mm；軸承內孔與傳動軸的配合為過盈配合φ120K7/m6，過盈量最大為-0.06 mm，最小過盈量為-0.003 mm；另外軸承外圈與軸承座孔為過渡配合，最大還有0.03 mm 的過盈量，所以根據《機械設計手冊》上調心滾子軸承游隙列表，應選用一般常用的P0 級精度4 組游隙（最大初始游隙0.21 mm，最小初始游隙0.16 mm）的調心滾子軸承，這樣既可滿足出爐滾筒高溫環境的工作要求，又能保證軸承使用壽命。

4）改善軸承的潤滑條件。出爐輥道裝置在高溫，高速，重載的作用下，連續運轉，如果沒用足夠的潤滑和強制冷卻，將會嚴重影響軸承的承載能力和使用壽命，首先在軸承座裝配時，在軸承座和軸承內加注高品質的白色高溫潤滑脂，該潤滑脂可以用于-40～350℃的溫度環境，滿足出爐輥道裝置軸承在高溫條件下的潤滑要求，防止軸承內使用普通潤滑脂在高溫下自燃，軸承得不到潤滑，加劇軸承的磨損，致使軸承快速失效，最后無法正常工作。

5 結語

出爐輥道按照上述方案進行了改進，在綜合考慮各種因素對軸承工作游隙產生影響的基礎上，選用了初始游隙為4 組的調心滾子軸承，調整了軸承座與傳動軸的徑向間隙和軸向間隙，將普通潤滑脂更換成高品質的耐高溫潤滑脂，改進后的出爐輥道很快交付使用。實踐證明，改進后的出爐輥道經過3 周約60 個班次的使用后，使用狀態良好，滿足了出爐輥道高溫環境的使用要求，取得了良好的效果。

［1］機械設計手冊編輯委員會.機械設計手冊：第3 卷［M］.北京：機械工業出版社，2004.