冷軋酸軋軋機(jī)減速機(jī)軸承故障分析及優(yōu)化策略

蘇 健

（唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

唐山瑞豐冷軋線為名義寬度950 mm、酸洗、連軋生產(chǎn)線，于2015年由中冶某公司和中國某重型機(jī)械研究院共同設(shè)計(jì)制造。年設(shè)計(jì)產(chǎn)能55萬噸。軋機(jī)出口設(shè)計(jì)速度為800 m/min，軋制寬度620～860 mm，軋制鋼種 Q195、Q235、Q345、08Al，來料帶材厚度2～4 mm，成品厚度0.25～2.0 mm，目前已達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。其中連軋機(jī)為5組軋機(jī)，自2016年6月投產(chǎn)，使用不到一年，F(xiàn)2、F3減速機(jī)輸入軸固定端軸承多次出現(xiàn)高溫、點(diǎn)蝕損壞現(xiàn)象，并多次在正常生產(chǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)故障，被迫更換軸承，嚴(yán)重制約正常生產(chǎn)。

本文通過對F1、F2、F3架軋機(jī)減速器輸入軸固定端軸承的受力分析及壽命校核來分析故障原因，并提出一個可行而又低成本的優(yōu)化方案。

1 目前的情況及問題

軋鋼用減速機(jī)使用壽命一般在10年以上，減速機(jī)用軸承壽命一般不低于4×104h[1]。自2015年6月份投產(chǎn)至今，軋機(jī)主傳動減速機(jī)軸承滾動體出現(xiàn)不同程度磨損及點(diǎn)蝕。故障出現(xiàn)后，技術(shù)人員先后排查了潤滑油路是否通暢、油量為否合適、軸承間隙是否合理，有無頂死現(xiàn)象，鼓形齒連軸器軸向是否游動、箱體軸承位公差是否在要求范圍內(nèi)，均未發(fā)現(xiàn)問題。到目前F1、F2、F3高速軸共更換7盤軸承（詳見表1，軸承更換及使用數(shù)據(jù)），高速軸固定端軸承平均使用壽命約7 600 h。

表1 軸承更換及使用數(shù)據(jù)

我廠酸連軋機(jī)使用的軋機(jī)減速機(jī)，形式如圖1所示，其輸入軸位置上固定端和游動端各使用一個23952C3游隙雙列調(diào)心滾子軸承的方案（見圖2：原方案結(jié)構(gòu)圖），一般情況下，一級傳動齒輪螺旋角在6°～9°之間，軸向力與徑向力之比在15% ～20%之間，經(jīng)分析，本減速機(jī)一級傳動齒輪螺旋角為15°，軸向力與徑向力之比高達(dá)71%。采用兩端雙列調(diào)心滾子軸承的設(shè)計(jì)方案所能承載的軸向力較差，作用在該軸上的軸向力較大，這也正是輸入軸固定端軸承頻繁損壞的原因。

圖1 軋機(jī)減速機(jī)簡圖

圖2 原方案結(jié)構(gòu)圖

2017年11月大修期間，拆解減速機(jī)時發(fā)現(xiàn)F1、F2、F3架減速機(jī)出現(xiàn)輸入軸軸固定端軸承點(diǎn)蝕的現(xiàn)象，且損壞的都是固定端軸承承載軸向力的一列產(chǎn)生點(diǎn)蝕（見圖3：軸承點(diǎn)蝕的情況）。

圖3 軸承點(diǎn)蝕的情況

因此必須要考慮其他的固定端的軸承方案來提高性能和可靠性。

基于以上原因，考慮在F1、F2、F3架軋機(jī)減速機(jī)輸入軸固定位置一端增加一對29244E的推力調(diào)心滾子軸承，另一端仍采用雙列調(diào)心滾子軸承的方案，以提高該處在承受高速重載情況下承受軸向力的能力。

2 優(yōu)化策略

最徹底的方案是改變一級傳動螺旋角至6°～7°，可改變軸向力與徑向力之比到20%，這樣將對齒輪系、傳動比、箱體等重要部件都要重新制作，主電機(jī)位置重新定位，其冷卻水管重新布局，以及電控系統(tǒng)也要重新調(diào)試，大大增加了改造周期及成本。因此，將固定端軸承增加一對29244E推力調(diào)心滾子軸承（見圖4：改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖），以改善固定端軸承點(diǎn)蝕問題。同時為在現(xiàn)有基礎(chǔ)上以最小的改動幅度對該輸入軸進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)所選用的固定端軸承型號為NSK29244E，將高速軸加長160 mm，同進(jìn)將箱體和潤滑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這樣對二軸、三軸可以不作改變，箱體、電機(jī)以及電控系統(tǒng)均無需改動，大大縮短了調(diào)試周期及最大程度上降低了成本。

圖4 改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖

2.1 受力分析

F1、F2、F3架軋機(jī)減速機(jī)主要性能參數(shù)以F3為例：主電機(jī)額定功率P=2 500 kW，輸入軸轉(zhuǎn)速n=636 r/min，齒輪壓力角 α =20°、螺旋角 β=15°、輸出轉(zhuǎn)矩M0=9 550 P/n=26 294 N·m，分度圓直徑d=0.501 m。

平均分度圓上的圓周力：

2.2 原設(shè)計(jì)軸承壽命校核

2.2.1 固定端的計(jì)算

根據(jù)NSK軸承選型手冊，固定端選用23952雙列調(diào)心滾子軸承[2]。

（1）動負(fù)荷，代入數(shù)據(jù)得：

（2）速度系數(shù)，代入數(shù)據(jù)得：

（3）疲勞壽命系數(shù)計(jì)算：

針對使用工況，選取力矩載荷系數(shù)fm=1.5

選取沖擊載荷系數(shù)fd=1.5

選取溫度系數(shù)fT=1.0

（4）計(jì)算軸承的壽命

其設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)不能滿足使用需求。

2.3 改進(jìn)后的軸承壽命校核

（1）動負(fù)荷的計(jì)算：

（2）疲勞壽命系數(shù)計(jì)算：

（3）計(jì)算軸承的壽命

（約合290年）

能滿足現(xiàn)場使用的要求。

3 結(jié)束語

通過理論分析及實(shí)踐，推力調(diào)心滾子軸承加雙列調(diào)心滾子軸承的方案是可行的，且改進(jìn)方案相比一端固定一端游動兩個調(diào)心滾子軸承的方案有著很大的優(yōu)勢，推力調(diào)心滾子軸承提供了非常好軸向承載能力，從而更好地分配了載荷，提高調(diào)心滾子軸承的壽命。

此方案還有如下優(yōu)勢：通過控制固定端推力調(diào)心滾子軸承的軸向游隙可以比較精確的控制減小主軸的軸向竄動量；同時由于未改變原來一軸的結(jié)構(gòu)形式，齒輪系及游動端的軸承型號也未改變，可以利用原來遺留的軸承、齒輪備件，減少了技改的資金投入，同時大大縮短了改造周期。