潤滑狀態對軋機圓錐滾子軸承接觸特性的影響

2014-12-02 01:38:14劉權

機械工程師 2014年8期

劉權

（寶鋼集團上海梅山鋼鐵股份有限公司設備部，南京 210039）

0 引言

潤滑是減少摩擦、降低磨損的有效方法之一，任何具有相對運動零件的機械設備都必須進行潤滑處理。國內外軋鋼廠的許多工程實例表明，不良的潤滑條件是軋機軸承損壞的重要原因之一［1］。軋輥軸承的工作環境比較惡劣，軸承的潤滑情況好壞很大程度上決定了軸承工作性能發揮的優劣，甚至影響軸承的工作壽命［2-3］。

寶鋼集團上海梅山鋼鐵股份有限公司的1 420 mm五機架冷連軋機組用于將酸洗后的熱軋帶鋼，在常溫狀態下經過五機架軋機連續軋制，獲得各類規格、具有所要求厚度、板形及表面質量的冷軋鋼卷。1 420 冷連軋機組采用六輥軋機，所用的軋機軸承為4 列圓錐滾子軸承。軋機的4 列圓錐滾子軸承內部摩擦最嚴重的部分主要集中在負載區的外圈滾道與滾子接觸的地方。如果沒有良好的潤滑條件，伴隨的摩擦也會隨之增大，導致軸承的磨損加劇，最終引起軸承受損。生產過程中，五機架冷連軋機組曾多次出現工作輥4 列圓錐滾子軸承磨損和燒損。因此，開展潤滑狀態對軋機圓錐滾子軸承應力影響分析，指導選用合適的軸承潤滑材料，對提高冷連軋機組生產效率，降低故障率具有重要的工程實踐意義。

1 脂潤滑滾動軸承的潤滑機制

隨著軸承的運轉，填充在滾動軸承內的潤滑脂的活動大體上可以分為兩個階段，即軸承運轉的初級階段和飽和階段［4］。在軸承運轉的初級時期，潤滑脂大部分被軸承滾子擠出滾道，這些被擠出的潤滑脂會堆積在保持架與軸承端蓋的空腔之中，并且在滾動體的外表面上形成一個輪廓。雖然絕大部分的潤滑脂在軸承運轉的初期就被擠出來了，但是留在滾道中間余下的潤滑脂還是比實際需要的量要大很多。在隨著滾動體運轉的過程中，又有少量的潤滑脂會被陸續地排出，如此循環，軸承的工作溫度會持續上升，直到那些多余的潤滑脂被全部擠出，這個階段也被稱為潤滑脂的飽和狀態。

而對于接觸部位潤滑脂的潤滑機制，通常是潤滑脂中金屬皂把基礎油帶到摩擦副的接觸面上，基礎油在此面上受外力作用釋放出從而進行潤滑［5］。多余的潤滑脂在隨著滾子的旋轉被完全排出之后，剩余的潤滑脂在滾子和滾道、滾子和保持架間的接觸面上，形成一層薄薄的潤滑脂膜，就此正式進入了軸承的正常工作狀態。

根據實際工作情況，軋機用4 列圓錐滾子軸承的潤滑采用脂潤滑方式。潤滑脂的選用原則是速度越高，選錐入度越大的脂，以減少摩擦阻力。本文選用3 組不同潤滑脂進行潤滑仿真分析，比較后尋找合適的軋機用4 列圓錐滾子軸承的潤滑脂類型。

1）極壓鋰基脂。極壓鋰基脂具有耐高載、耐高溫、良好的油膜強度、機械安定性好、抗水性好等優點。

2）復合鋁基脂。復合鋁基脂具有耐熱性好，在高溫條件下性能優于極壓鋰基脂，抗水性好，良好的膠體安定性。

3）聚脲脂。聚脲脂是一種新型材料，耐高溫，使用壽命長，高速性、安定性、抗水性等通用性能也是極佳，能減少磨損節能降耗。

2 面向潤滑分析的4 列圓錐滾子軸承有限元模型

2.1 三維模型的建立及分析模型的網格劃分

采用Pro/Engineer軟件對4 列圓錐滾子軸承各個零件進行建模并裝配，如圖1 所示。4 列圓錐滾子軸承的結構在軸向上具有高度對稱性，即軸承的4 列排結構中，每一列軸承內、外圈以及與之相配合的滾子和保持架都是相同的。與此同時，該模型還具有沿徑向的對稱性，為了減少有限元分析時的接觸體和接觸對的設置，以及計算的工作量，在進行分析時，可采用取4 列圓錐滾子軸承模型的1/2 進行分析。

在ANSYS 有限元分析中，將三維實體模型導入ANSYS 軟件后，需要對導入的實體模型進行網格劃分。選用三維結構實體單元SOLID 185，采用掃掠方式劃分網格，劃分后模型如圖2 所示。

圖1 圓錐滾子軸承三維裝配模型

圖2 模型網格劃分

2.2 材料模型的選擇與邊界條件的設置

選取圓錐滾子以及內、外圈的材料為彈性材料；保持架則選用剛性材料。

在實際工作中，滾子與內、外圈，保持架之間的接觸表面間的摩擦因數是摩擦副系統中最重要的參數之一，摩擦副運動過程中各因素都會影響摩擦因數，因此，摩擦因數存在時變性。為了在ANSYS 中方便加載載荷和運算求解，根據stribeck 曲線［6］的解釋公式：摩擦因數=軸承特性數×（黏度×速度）/載荷可知，潤滑脂的摩擦因數與脂的黏度線性相關。各潤滑脂的摩擦因數分別取為：極壓鋰基脂0.125；復合鋁基脂0.11；聚脲脂0.09。

對滾子軸承的外圈表面施加剛性約束；內、外圈軸向固定；內圈和軸頸采用粘結以代替過盈配合；轉速和徑向載荷加載在軸頸上；只保留保持架繞軸旋轉的自由度。

3 不同潤滑狀態下接觸特性有限元分析結果比較

本文通過定義不同的摩擦因數來模擬實際工況中圓錐滾子軸承的潤滑狀態，以獲得各種潤滑條件下軸承的滾子和內、外圈的受力受損情況。根據1 420 mm 五機架冷連軋機實際工作參數，對圖2 模型中的軸頸施加80 kN徑向載荷（軋機工作輥產生的載荷）以及200 r/min 的轉動速度，并對滾子與內、外圈以及保持架之間定義不同的摩擦因數。利用ANSYS 對滾子軸承的運動過程進行仿真，通過對比分析在3 種不同潤滑狀態下，滾子與內、外圈接觸區域的應力和應變，滾子和內、外圈的應力變化。探討不同潤滑狀態對滾動軸承的接觸特性的影響。

3.1 滾子組應力分布

3 種潤滑狀態下滾子組的等效應力系列圖如圖3 所示，觀察應力分布系列圖可發現，3 種情況下滾子組的最大等效應力均出現在與內圈接觸部位；承受最大應力的滾子位于承載區且沿轉速方向偏離載荷的正方向。這與滾子軸承的載荷分布理論是相對應的。由圖3 可知，當采用聚脲脂潤滑時，軸承滾子組的等效應力最小，其次是復合鋁基脂潤滑，極壓鋰基脂的潤滑產生的等效應力最大。

圖3 不同潤滑狀態時的滾子組應力圖

3.2 內圈單元應力變化情況

在圓錐滾子軸承的模擬仿真過程中，內圈為主動體，通過對接觸對的賦值來模擬內圈與剛性軸的過盈配合。根據徑向載荷下軸承的載荷分布原理，軸承徑向載荷作用線最下方的滾子與內圈的接觸應力最大，脫離滾子的接觸時，應力逐漸減小。3 種潤滑條件下的內圈最大等效應力圖如圖4 所示。由圖4可知，當采用聚脲脂潤滑時，軸承內圈的等效應力最小，其次是復合鋁基脂潤滑，極壓鋰基脂的潤滑產生的等效應力最大。

3.3 外圈單元應力變化情況

在滾動軸承運轉過程中，外圈外圓表面固定于軸承座上，內圓表面與滾子周期性接觸并承受接觸應力，產生變形。外圈上最大應力發生在滾子承載區與滾子接觸的單元上，且接觸部位隨著滾子的公轉而時刻發生變化。因此外圈單元所受最大應力的大小和位置也隨之發生變化，當與滾子發生接觸時，應力發生突變。外圈單元所受的應力狀態在“奇壓”與“偶壓”之間變化，如圖5所示。

綜上分析比較可見，采用聚脲脂潤滑時，無論是滾子組，還是內、外滾圈，其所受到的等效應力最小。因此軋機軸承現場維護時均建議采用聚脲脂，如圖6 所示。生產運行結果表明，采用聚脲脂潤滑后軸承磨損和燒損故障大大降低。