高線減定徑小錐箱軸承改進

趙登山　盧萬有　雷坤　張文斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

高線減定徑小錐箱軸承改進

趙登山盧萬有雷坤張文斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

摘要介紹了高線減定徑小錐箱的結構特點,對該設備存在的問題與缺點進行了分析,并提出了相應的改進措施,通過對短圓柱軸承結構的分析，找到了問題的原因，進行了有效的改進,取得了良好的效果。

關鍵詞減定徑小錐箱軸承

IMPROVEMENT OF SMALL CONE BEARING BOX OF REDUCING SIZING MILL FOR HIGH SPEED WIRE ROD UNIT

Zhao DengshanLu WanyouLei KunZhang Wenbin

(Anyang Iron and Steel Stock Co,Ltd)

ABSTRACTThe structure characteristics of reducing sizing mill drive housing are introduced. The problems and shortcomings of the device are analyzed, and put forward some corresponding improving measures. Through the analysis of the short cylindrical bearing structure, find the cause of the problem, and effective improvement is carried out, good results are achieved.

KEY WORDSreducing sizing milldrive housingbearing

0引言

安鋼高速線材軋機是我公司進行產品結構調整的重點工程，大部分設備立足國內設計制造，如加熱爐、粗中軋機，斯太爾摩風冷運輸線、集卷站、P/F線等。關鍵設備由美國摩根公司負責設計制造，如預精軋機、精軋機組、減定徑機組、吐絲機等。電氣控制系統由西門子設計、供貨。工藝、設備和自動化控制代表了當代高速線材軋機世界最先進水平，設計速度150 m/s，最大操作速度120 m/s，最小輥徑時保證軋制速度112 m/s，采用高架式布置，最多軋制30道次。選用坯料為：150 mm×150 mm×12000 mm連鑄方坯，產品規格為：Φ5.5 mm～Φ20 mm光面盤卷和Φ6 mm～Φ16 mm螺紋盤卷，盤卷重約2 t，設計年產量40 萬t，生產鋼種為：碳素結構鋼、優質碳素結構鋼(20#～85#)、低合金鋼(HRB335)、彈簧鋼(60Si2Mn)、焊條鋼(H08A)、冷鐓鋼(ML10～45)、軸承鋼(GCr15)。

全線共有軋機30架，其中粗中軋機14架，呈平立交替布置；預精軋機4架、精軋機8架、減定徑機4架為美國摩根公司生產的V型軋機，采用45°頂角形式，代表了當今世界先進軋機水平。

1設備概況

位于無扭精軋機后面的減定徑機組，它由四架V形軋機組成，采用橢圓-圓-圓-圓工藝孔型軋制，能夠達到精確的產品尺寸公差和最優的表面質量，從而使產品尺寸公差控制在±0.1 mm范圍內。該型減定徑機組由一臺3200 kW交流變頻電機通過一個增速箱集中對四架軋機傳動，其中相鄰兩架為一組構成錐箱傳動機構。該錐箱傳動機構采用極為少見的頂交45 °傳動角，有懸臂結構。由于減定徑機組位于精軋之后，軋制速度可達112 m/s以上，如此高的線速度要求傳動系統中的每個軸承都能夠穩定運轉，所以減定徑機組主傳動系統軸承的選型的正確與否就顯得相當關鍵。我廠減定徑設備為摩根五代半產品，屬于過渡產品，設計承載能力嚴重不足，還有目前高線生產節奏與以前明顯不同，小批量生產呈現常態化，規格品種更換頻乃，小規格產品比重加大，造成我廠定徑機30#小錐箱事故頻發，平均每三個月出現一次設備事故，且錐箱振動值居高不下，原設計112 m/s的速度不能保證，只有降速軋制；每次事故處理時間長達55 h，有時達65 h，嚴重影響生產節奏，制約1高線機組的成品產量。因此，必須對減定徑30#小錐箱軸承進行改進，以解決目前存在的問題。

經過觀察對比，筆者發現減定徑機組小錐箱改造之前出現的若干次設備事故近乎相同，都是小錐箱傳動機構懸臂端起支撐作用的短圓柱軸承損壞造成。軸承失效形式明顯，每次不盡相同，主要損毀情況有：軸承外圈剝落，內圈滾道有較深壓痕，保持架斷裂，滾子表面磨損等。造成軸承失效的原因經分析后主要有以下幾種：

(1)軸承承載能力不足。該處軸承型號為162250HI,為美國摩根設計專供的進口軸承，采用形式為內圈雙擋邊，外圈無擋邊，內圈引導保持架，由幾次失實效情況來看，很明顯，主要是承載能力不夠引起的問題。

(2)軸承結構不利于潤滑。從潤滑角度分析：該軸承屬于保持架內引導噴油潤滑。內引導間隙太小不利于油液射入內圈滾道，尤其在13000 rpm～15000 rpm的高轉速產生的離心力的情況下，導致內圈滾道粘附不著油液，形不成穩定油膜。因此，在軸承高速旋轉發熱因素出現時會使潤滑情況更加惡化，加劇內圈受損。

所以，為了為保證生產順利進行，控制和減少設備事故發生，減輕維護人員維修和維護工作量，必須針對以上兩種情況對原軸承結構做出相應改進。

2改進方案

現有的HI軸承外形尺寸為55 mm×100 mm×27 mm，滾子尺寸Φ12 mm×18 mm，內滾道直徑Φ66 mm，內圈壁厚5.5 mm(如圖1所示)，額度動負荷Cr=99 KN。根據以上軸承失效原因的分析，可以從兩方面考慮對現用HI軸承進行優化改進：一方面增大內圈強度，另一方面增加軸承額度動負荷。HI軸承具體改進方案如下：

2.2.1方案一

內圈加厚，外圈減薄，如圖2(a)所示。具體做法為：

(1)增加內圈壁厚，取內滾道直徑di=Φ67 mm，即內圈厚度為6 mm，外圈厚度4.5 mm。

(2)軸承額定動負荷：Cr=bmfc(iLweCOSα)7/9Z3/4Dwe29/27=99.5 KN。

(3)軸承其他結構不變，尺寸隨之改變。

2.2.2方案二

內套增加單擋邊，如圖2(b)所示。內圈增加單擋邊，內圈擋邊厚度比外擋邊厚度薄0.5 mm～1 mm，保證滾子與擋邊有0.5 mm～1 mm間隙，不起引導滾子和承受軸向力作用。內圈增加單擋邊，一方面提高軸承內圈剛性和強度，同時便于軸承內圈的拆卸。

2.2.3方案三

內套增加單擋邊，同時單邊加寬，考慮到實際的空間限制，最大值取3 mm，如圖2(c)所示。內圈增加單擋邊，內圈增加單擋邊，一方面提高軸承內圈剛性和強度，同時便于軸承內圈的拆卸；增加內圈寬度，也能提高軸承的剛性和強度，同時增加斜坡長度，便于軸承的安裝。

2.2.4方案四

軸承寬度增加3 mm，滾子長度增加2 mm，內圈增加單擋邊，如圖2(d)所示。具體做法為：

(1)軸承寬度在27 mm的基礎上增加3 mm，即C=30 mm。

(2)滾子長度增加2 mm，可以有效增加承載能力，即Lw=20 mm；為保證軸承徑向安裝尺寸不變，滾子直徑、個數保持不變。

(3)軸承額定動負荷：Cr=bmfc(iLweCOSα)7/9Z3/4Dwe29/27=109 KN,比原HI軸承額定動負荷增加10%。

(4)內圈采用單擋邊結構，同時適當增加另一端斜坡長度，便于軸承對正安裝。內圈擋邊僅起增加內圈強度作用，不起引導滾子和承載作用。

圖1　現用結構

(a) 方案一(b) 方案二(c) 方案三(d) 方案四

圖2HI軸承具體改進方案

3現有軸承結構與改進方案的對比

現有軸承結構與改進方案的優缺點比較見表1。

表1　軸承結構對比

由表1可以看出，方案四額定動負荷最高，約為現有結構的1.1倍，根據額定壽命公式，其額定壽命是現有結構的1.33倍。但是，方案四存在一個問題，滾子太長，根據圓柱滾子軸承設計方法，滾子直徑Φ12 mm，長度20 mm，已超過重型滾子軸承標準。HI軸承轉速達到11000 rpm，重型軸承不適用高速工況，另外滾子太長容易打橫，也會造成軸承早期失效。

從軸承使用情況來看， HI軸承由于軸承潤滑效果不好，失效主要形式是滾子磨損變形、內外滾道有疲勞剝落；而我廠使用的HI軸承還曾經出現過內圈裂紋，主要原因是內圈強度不足。針對這種情況，增加內圈強度后的HI軸承的額度動載荷能適應工況要求。

針對HI軸承的失效原因，從改善潤滑來說，方案一、二、三都采用保持架外引導結構，都能有效改善軸承潤滑條件。從提高內圈強度和剛度來說，方案一內圈厚度增加0.5 mm，內圈強度和剛性提高有限，方案二和方案三內圈增加單擋邊，能大大提高內圈強度和剛性，同時也便于安裝和拆卸。方案二和三的區別是方案三內圈加寬3 mm，同時一側斜坡加長，便于軸承安裝，但由于軸承外形尺寸改變，主機的一些零部件也要隨之改變。

通過以上4個方案對比，我們更側重于采用方案三：(1)采用外引導結構，軸承潤滑條件好，解決了摩根HI軸承潤滑不良的問題；(2)根據經驗，內圈增加單擋邊，能有效提高內圈強度和剛性，解決了HI軸承內圈強度剛性不足的問題；(3)內圈增加擋邊后，拆卸更加方便；(4)內圈加寬3 mm，并使內圈外廓一側斜坡加長，便于軸承對正安裝。另外，通過對滾子的下垂量的控制，來解決軸承安裝時的不方便問題。

4改進效果

此次軸承改進經過一系列的設計、選型、安裝調試后一次試車成功，并于2014年2月正式投入使用，設備正常運轉至2014年7月小錐箱到壽命周期下線，正常使用了5個半月時間，期間未出現任何設備故障，且設備振動值明顯減小。因此，長期困繞高線減定徑機組30#小錐箱產生的設備故障率高的問題已得到徹底解決，為完成高線廠今后的奮斗目標打下了堅實的設備基礎。

5效益分析

高線機組日均產量1667 t，小時產鋼量70 t，改造前每次事故影響時間55 h～65 h；高線噸鋼利潤按100 元計算，每年按2次事故，每次影響時間按60 h,年增效為84萬元。

改造前，軸承每年更換4套，進口單價為6 萬元。改造后，軸承設計壽命為半年，價格為1.2 萬元.每年直接節約資金約21.6 萬元.

6結語

此次減定徑機組30#小錐箱軸承改進方案及設計手法為國內同類型高速線材廠中首次采用，明顯的使用效果得到了同行的認可，于是杭鋼高線、石橫特鋼高線等國內同類型機組都在競相效仿我廠進行改造。取得了一定的社會效益。

7參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊 [M]. 北京:化學工業出版社, 2008:457-486.

煉鋼分會，2012：210-214.

收稿日期：聯系人：趙登山，工程師，河南，安陽(455000)，安陽鋼鐵集團有限公司第一煉軋廠；2015—6—15