熱軋粗軋機主傳動接軸在線使用周期分析及改進措施

劉鴻濤

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 問題的提出

八鋼熱軋廠自投產以來，因主傳動設備故障頻發，在線備件使用周期短，備件維修周期長，維修成本高等問題制約了熱軋高效經濟運行。

熱軋粗軋主傳動接軸基本上每年都會出現故障或事故，尤其是2009年以后，粗軋上下接軸多次返修，發生的故障率居高不下，而且粗軋機主傳動萬向軸輥端萬向節運行1年就要下機維修，下機后基本都要更換十字包總成，費用高；下接軸的剖分軸承壽命太短，只有7～10個月；粗軋主傳動軸使用周期遠遠低于同類型鋼廠。為此，針對熱軋粗軋存在的典型問題進行技術分析，通過采取針對性的措施，使主傳動設備實現穩定運行。

2 關于粗軋機主傳動接軸剖分軸承的問題

2.1 粗軋主傳動軸承更換情況

粗軋平輥軋機傳動裝置有上下兩根接軸，兩根接軸結構一樣，完全可以互換，接軸平衡軸承型號一致，結構均為剖分式雙列滾子軸承，只有平衡軸承座結構不一致（圖1），但上下接軸的剖分軸承在投產以來更換數量卻差別很大。

圖1 托架支撐臂結構圖

上接軸剖分軸承基本隨著接軸整體更換，投產以來12年間更換5套，而下接軸剖分軸承事故故障不斷,投產以來12年間更換15套，尤其在2013年由于事故頻發，1年期間更換4套軸承。

2.2 原因分析

分析統計失效軸承樣本數據（表1），造成對軸承失效的影響因素前6項占總項次的80%，潤滑質量是主要影響原因。

表1 失效軸承樣本數據

上下接軸剖分軸承的潤滑均為同一臺潤滑泵提供定期干油潤滑，同時結合不定期的人工補油。在多次事故發生過程中，軸承座兩側均有融化的油脂痕跡，同時通過對損壞剖分軸承的拆解，認為該軸承的損壞不是因缺油造成。

2.2.1 軸承安裝分析

圖2 剖分軸承結構圖

剖分式軸承型號為SBNN750A（圖2）,主要配合尺寸為：軸外圓公差Φ750mm（+0.03～+0.08），軸承座內孔Φ960mm（-0.045～+0.045）。設計軸承對應孔軸的配合尺寸為：軸承內孔Φ750mm（-0.03～+0.03），軸承外圓 Φ960mm（-0.115～-0.055）。均為小間隙配合。軸孔配合主要靠設計、加工保證，現場安裝主要檢測內圈兩半的重合間隙，每次保證0.05mm塞尺不能塞入，同時保證軸承的兩半重合面避開下部承載區（斷面靠水平位置安裝，避免垂直位置），由此推斷軸承安裝也不是事故主要原因。2.2.2 受力分析

熱軋平輥軋機屬于經典四輥軋機，從結構本身來說,并不會產生軸向力,但由于軋機部件在裝配時有裝配誤差,軋制時的來料存在沿寬度方向的厚度誤差，軋機在長期使用過程中受水、汽等環境因素影響，有關零部件會產生磨損和變形，這些因素導致軋機產生軸向力。

在對粗軋機工作輥平衡缸缸體滑板加工配墊，檢修更換粗軋機下支承輥牌坊窗口磨損超標的滑板后，軋機下部輥系軸線存在偏斜狀況（如圖3），致使軋鋼時產生軸向分力軋制。

圖3 軋輥軸線交差簡圖

軋輥軸向鎖緊板間隙未按照≤2mm控制，鎖緊滑板的磨損，造成與牌坊鎖緊板的間隙超出標準，失去對軋輥軸向鎖緊的作用。

剖分軸承使用的是圓柱滾子軸承，對角度偏差極為敏感,工作輥軸線與支承輥軸線稍有傾斜,就會使軸承受力不均，發生徑向力偏聚，產生較大附加軸向力。角度偏差越大,軋制軸向分力越大,而加載在剖分軸承上的軸向力分只能靠剖軸承內外圈上的止口承受，在軸向力長期往復的作用下，剖分軸承相關部件容易發生疲勞斷裂。軋制時電機轉速50～80r/min，每軋一塊鋼接軸轉動75～120圈，每轉動一圈接軸受軋制軸向力影響就會往復移動一次，每天約軋制400塊鋼，每年約軋制10萬塊鋼，最終造成剖分軸承損壞。

2.2.3 上下接軸軸承座結構差異分析

上托架剖分軸承支撐臂設計成兩端對稱耳軸結構，只承受少量軸向力（圖4），沒有傾翻力矩，上接軸軸承座平衡力受力點在軸承座兩側鉸接軸處，當接軸有軸向竄動時，軸承座可隨著托板沿竄動方向擺動，抵消軸向力。下接軸平衡力受力點在軸承座正下方，油缸托塊在軸承座底部與接軸軸線傾斜上托，造成附加傾翻力矩，軋輥軸向竄動時，軸承座傾翻力矩附加沖擊載荷，易造成剖分軸承損壞。熱軋2018年6月16日粗軋機下工作輥發生一次軸竄，竄動較大導致下工作輥鎖緊板四顆連接螺栓全部沖斷，第二天隨即發生下剖分軸承損壞事故，而上剖分軸承托板變形，剖分軸承沒有損壞。

圖4 接軸剖分軸承受力簡圖

3 粗軋機主傳動接軸輥端萬向節的問題

3.1 粗軋平輥軋機接軸輥更換情況

粗軋平輥軋機傳動裝置上下兩根接軸各有1套輥端萬向節，在2012年前基本每年更換1套，更換下來的萬向節需返修，主要是更換磨損件，對裂紋部分補焊加工。2014年連續更換3套萬向節，全部是因為返修件套筒斷裂。2014年起更換下的返修件的十字包組件全部換新品，扁頭套探傷再修復或換新，基本能使用12個月，過鋼量約在300萬t，同類鋼廠過鋼量基本在500萬～600萬t，差距較大。

3.2 原因分析

3.2.1 扁頭套頂角裂紋分析

如圖5所示，扁頭套孔內安裝一對可拆卸更換的方型襯板，為方便安裝方形襯板需將扁頭套孔內開出較深的槽。分析其結構，一般溝槽的頂角是應力集中點和斷裂薄弱點，降低了扁頭套整體扭轉強度。實際使用過程中在溝槽頂角出現裂紋后，裂紋數會逐漸增多并不斷延伸，徑向延伸至20mm后裂紋延伸速度根據觀察會變緩，溝槽的側邊與襯板接觸部位發生塑性變形。

分析產生裂紋原因:（1）軋鋼曾遇到斷輥、堆鋼等事故產生瞬間過扭矩，原襯板安裝側隙較大，使扁頭套扁槽頂角受力薄弱處撞擊發生塑性變形，引起頂角裂紋發散;（2）當裂紋發生后襯板側間隙增大，引起襯板側邊磨損加劇;（3）當裂紋在徑向延伸20mm后，頂角周圍發散許多裂紋，裂口變寬尖角變鈍，原因是大型零件局部過載內部易發生塑性變形，尖角應力集中點不斷變化，致使裂紋變多、延伸速度變緩。

圖5 扁頭套襯板安裝簡圖

3.2.2 扁頭套磨損分析

為了換工作輥時工作輥扁頭能順利與扁頭套結合或分離，接軸扁頭套與軋輥扁頭間設計有一定的間隙（圖6），但由于磨損和頻繁換輥的緣故，此間隙會不斷增大，引起軋鋼時咬鋼沖擊。

圖6 軋輥扁頭與扁頭套裝配時的間隙

軋輥在連續運轉時，接軸扁頭套與軋輥扁頭的裝配間隙在空轉時是閉合不變的，當軋件咬入后，由于軋件頭部對軋輥的沖擊，軋輥輥縫必然產生變化，而這一變化瞬間，原不變的間隙脫開后又立即重新閉合，因而產生沖擊。主傳動接軸中間隙越大，咬入沖擊程度越大，則襯板的磨損也就越大。隨著使用時間的增加扁頭套的耐磨襯板、圓弧面、軋輥扁頭的扁平面、圓弧段均存在較大磨損，按照使用經驗扁頭與扁頭套間隙超過2mm，接軸擺動就愈發明顯，隨之主傳動就會產生較大異響。

4 改進措施

4.1 制定精度控制措施

制定粗軋輥系設備精度控制表（表2），定期對設備精度檢測，通過控制設備精度減少軸向軋制力對剖分軸承的沖擊載荷。（1）對粗軋機牌坊對中度進行定期檢測，對粗軋工作輥軸承座尺寸進行檢測復核，出現超標及時處理恢復。（2）對粗軋工作輥鎖緊板間隙、工作輥軸承座尺寸進行檢測，恢復尺寸精度，滿足標準間隙值（≤2mm）。（3）對下電機推力軸瓦竄動量進行檢測，確定是否超差及是否更換。

表2 粗軋輥系設備精度控制表

4.2 技術改進措施

4.2.1 改進扁頭套修復措施

輥端萬向節扁頭套頂角裂紋采用挖除裂紋焊補的方式修復，修復改進結構如圖7。扁頭套7階梯孔內通過螺栓10和螺母11分別連接一對內十字襯板9和外襯板8，其特征是:內十字襯板9和外襯板8組合成階梯襯板，使大拐角改為兩臺階小拐角，承載斷面尺寸變大;外襯板8受力后可通過內十字襯板9分散為互為抵消的力，使扁頭孔受力分散，減少應力集中。

圖7 扁頭套襯板修復改進圖

4.2.2 增加扁頭套定心環

針對襯板及扁頭套體磨損過快的問題，對扁頭套配合結構進行改造，在扁頭套端部增加定心環（圖8），提高軋輥扁頭與扁頭套的定位精度，減少扁頭與扁頭套襯板間的相對滑動。

圖8 扁頭套增加定心環簡圖

4.2.3 對扁頭套進行激光熔覆修復

結合精軋接軸扁頭套修復經驗，采用激光熔覆的方式對粗軋扁頭套圓弧面進行修復。與普通堆焊方式相比激光熔覆修復具有與基體結合強度更高、熔覆質量致密、熔覆層組織的稀釋率低、熱影響區小、具有更高的硬度和耐磨性等特點。可以減少扁頭套圓弧面的磨損。

4.2.4 其它措施

改變下接軸剖分軸承結構形式，采用稀油潤滑的軸瓦結構，以承受較大軸向力。參考上接軸剖分軸承座結構形式并進行了設計改進，改變下接軸軸承座受力情況，以減少剖分軸承的軸向受力。

5 改進后效果

5.1 提高使用壽命

粗軋機主軸修復周期及下軸主軸剖分軸承壽命，均在原有基礎上提高一倍（表3），過鋼量由原來的300萬t提高到500萬t-600萬t。扁頭套2018年開始采用激光熔覆修復，使用上線6個月，圓弧面磨損不到0.2mm。

表3 粗軋機關鍵備件使用周期前后對照表

5.2 故障率降低

從2017年4月至2019年4月，因粗軋機主傳動接軸故障造成的生產線停機只在2018年6月發生1次，因軋輥軸承座超標造成軸向竄動導致剖分軸承損壞故障，其余月份沒有發生此類故障。

5.3 降低維修費用

粗軋機主軸修復由1次/年提升為1次/3年，大幅減少了每年備件修復費用。

6 結論

通過對影響粗軋機主傳動接軸在線使用周期的因素分析，粗軋機上接軸扁頭套采取加裝定心環后，扁頭套磨損明顯低于未加定心環的接軸扁頭套。激光熔覆修復的扁頭套圓弧面，雖然初步上線使用，但在半年使用周期內磨損明顯低于常規修復方法的扁頭套。后續兩者結合的使用效果很值得期待。同時由于設備精度工作的持續改善，對剖分軸承的在線使用周期也產生長遠影響。