鋼包回轉(zhuǎn)軸承失效分析

曹文俊

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 廣東 佛山 528137）

大包回轉(zhuǎn)臺是現(xiàn)代化煉鋼廠連鑄工序的一個標(biāo)志性的設(shè)備，其主要作用是接收煉鋼工序送來的鋼包和將鋼包內(nèi)的鋼水倒入連鑄機(jī)中間包進(jìn)行澆注。2018年6月某廠一套鋼包回轉(zhuǎn)軸承運(yùn)行過程中開始出現(xiàn)頻繁卡阻現(xiàn)象，兩天后軸承卡死導(dǎo)致生產(chǎn)被迫中斷。該軸承自2011年6月份上線，使用了共7年時間，相比于該廠其他連鑄車間的鋼包回轉(zhuǎn)軸承使用壽命偏短，因此很有必要對軸承進(jìn)行拆解、查找軸承失效的原因，為提高軸承使用使命提供技術(shù)參考。

1 故障軸承拆解

1.1 軸承結(jié)構(gòu)及工作原理

故障軸承為外齒式三排滾柱組合軸承，軸承回轉(zhuǎn)半徑3550 mm。該軸承屬于大型回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)盤軸承，軸承工作時內(nèi)圈不動，外圈與回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)筒通過螺栓連接，由一臺行星減速箱齒輪嚙合驅(qū)動，軸承結(jié)構(gòu)如圖1 所示。軸承共有三排滾子，其中水平方向兩排，垂直方向一排。如圖1 所示，1號滾子為主推力滾子、主要承受軸向載荷和傾翻力矩；2號滾子為反推力滾子、主要承受傾翻力矩載荷；3號滾子垂直布置，主要承受徑向載荷。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)場軸承拆解檢查

1.2.1 故障軸承損壞情況

1）垂直布置的滾子2 及其對應(yīng)的滾道面滾動體及滾珠間隔塊都完好；相對應(yīng)內(nèi)、外套圈滾道面完好。

2）反推力水平滾子1 及其對應(yīng)的滾道面。滾子1 及其保持架、外圈上水平滾道2、上半內(nèi)套圈滾道1 均保持完好。

3）主推力水平滾子2 及其對應(yīng)的滾道面。

水平滾子2 的滾動體共分成31 組，每組含6個滾動體和1個獨(dú)立的保持架。從解體后的情況看，其中15 組滾動體保持架不同程度斷開散架了，部分甚至保持架完全斷開全部散落，滾動體排布有錯亂。下半內(nèi)圈滾道面（滾道4）嚴(yán)重磨損、外圈下水平滾道面（滾道3）嚴(yán)重磨損、整個滾道面有兩處明顯的磨痕帶，滾道面出現(xiàn)剝落、壓痕，如圖2 所示。滾動體2部分滾子朝向外圈擋邊方向端部出現(xiàn)磨損，滾子表面呈現(xiàn)深藍(lán)色，如下頁圖3 所示。

圖2 外圈滾道磨損帶

1.2.2 軸承腔體內(nèi)潤滑脂

軸承腔體內(nèi)的潤滑脂色澤正常、潤滑脂填充充分，油脂中摻雜大量顆粒度較大的金屬粉末，如下頁圖4 所示。

1.2.3 軸承密封

現(xiàn)場檢查軸承密封件，未發(fā)現(xiàn)有破損情況，密封狀況良好。

2 原因分析

影響軸承的使用壽命的主要因素有軸承潤滑、軸承材質(zhì)、軸承載荷等。

圖4 腔體內(nèi)的潤滑脂

2.1 軸承潤滑

潤滑脂的作用是在摩擦副間形成一層油膜，從而減少金屬間直接的摩擦。軸承的失效很多情況下是由潤滑不良引起的，如潤滑脂選用不當(dāng)、潤滑過程中油脂供給中斷或供油不足等。

2.1.1 潤滑脂選型

本次事故軸承使用的進(jìn)口品牌的西班牙老鷹潤滑脂，其主要性能參數(shù)見表1，均滿足換油前使用的1號極壓鋰基脂（GB/T 73232）的性能要求，而且在其他幾個連鑄車間大包回傳臺上使用都顯示正常，因此潤滑脂的選用不存在問題，不是本次軸承故障產(chǎn)生的原因。

表1 老鷹G.BESLUX KOMPLEX SC 潤滑脂理化指標(biāo)

2.1.2 日常潤滑管理

該事故軸承采用的是智能潤滑，潤滑的狀態(tài)可以實時監(jiān)控。查歷史記錄，監(jiān)控后臺提示潤滑給油脂均正常，不存在給油中斷或不足的情況。從現(xiàn)場拆解后的軸承觀測，潤滑油脂色澤正常，潤滑脂充分地進(jìn)入了軸承的腔體，潤滑狀態(tài)良好。定期取樣進(jìn)行的潤滑脂理化分析均顯示潤滑正常。

綜上，軸承潤滑不是此次故障的原因。

2.2 軸承材質(zhì)及硬度校核

軸承的材質(zhì)及其熱處理工藝對軸承的使用壽命也有很大的影響，一般用于重載的支承軸承要求進(jìn)行淬火處理、強(qiáng)化處理。滾動體在要求的表面硬度范圍內(nèi)，一般應(yīng)盡量靠近中、上限水平進(jìn)行熱處理工藝控制。同時提高滾動體和滾道的表面硬度，還可以大幅提高軸承的抗污染壽命[1]。使用手持式光譜分析儀對故障軸承各部件不同位置進(jìn)行了三次檢測，結(jié)果見表2。對照《滾動軸承轉(zhuǎn)盤軸承》（JB/T 10471—2004）標(biāo)準(zhǔn)的要求，事故軸承滾動體與GB/T 18254的GCr15SiMn 材質(zhì)要求吻合，套圈與GB/T 3077 規(guī)定的42CrMo 的材質(zhì)要求吻合。軸承經(jīng)過表面淬火熱處理，硬度符合要求。通過以上現(xiàn)場測量、校核，排除了軸承材質(zhì)因素導(dǎo)致的軸承失效。

表2 故障軸承的材質(zhì)及硬度

2.3 軸承承載分析

2.3.1 軸承承載概況

鋼包回轉(zhuǎn)臺安裝在煉鋼車間鋼水接受跨和連鑄澆注跨之間，用于接受支承由煉鋼車間鑄造吊吊運(yùn)至鋼水接受跨側(cè)的鋼包，通過設(shè)備的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將鋼包轉(zhuǎn)至連鑄跨的澆注位置。可實現(xiàn)鋼包過跨、長水口安裝、鋼水澆注、鋼水稱重、多爐連澆及事故處理等各項操作。該回轉(zhuǎn)臺為意大利達(dá)涅利機(jī)型，實物圖如圖5 所示，有兩個可以單獨(dú)升降的鋼包托臂。回轉(zhuǎn)軸承外套圈與回轉(zhuǎn)臺下筒體通過螺栓連接，整個回轉(zhuǎn)臺包括鋼包全部由回轉(zhuǎn)軸承支承。該類軸承屬于大型轉(zhuǎn)盤軸承，在使用過程中除了承受軸，徑向力外,還承受很大的傾覆力矩，具有尺寸大、轉(zhuǎn)速低（1～10 r/min）、載荷大、造價高、維修難度大等特點(diǎn)[2]。

圖5 大包回轉(zhuǎn)臺

根據(jù)生產(chǎn)工況不同，軸承負(fù)載也不同，但可以分為三種極限情況：

1）兩臂滿包，此時回轉(zhuǎn)軸承軸承的軸向載荷最大，傾覆力矩最小。

2）一臂滿包，一臂空包，此時軸承承受的軸向載荷和傾覆力矩均中等。

3）一臂滿包，一臂無包，此時軸承承受的軸向載荷一般，傾覆力矩最大。

3 鋼包所處位置與軸承磨損的關(guān)系

1）回轉(zhuǎn)過程中。回轉(zhuǎn)軸承在旋轉(zhuǎn)過程中主要承受軸向載荷、偏載。回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)工作過程中，載荷必須經(jīng)過軸承的軟帶區(qū)，而軟帶區(qū)的表面硬度是低于承載區(qū)的，但故障軸承的軟帶區(qū)表面良好，這表明軸承損壞的原因并不是軸向重載直接導(dǎo)致，否則，軟帶區(qū)滾道表面應(yīng)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。

2）鋼包處于工作位置。進(jìn)一步檢查故障軸承磨損輥面可以發(fā)現(xiàn)，兩處磨痕帶約成180°對稱，結(jié)合生產(chǎn)工藝，現(xiàn)場核對這兩個位置正是回轉(zhuǎn)臺澆注、接包時所處的工作位置，可見軸承的損壞與此工工況有關(guān)。軸承處在工作位置時其承受軸向載荷、偏載和沖擊載荷。

回轉(zhuǎn)臺工作時，停留在工作位處的作業(yè)時間最長，其承受的載荷時間也最長，且承載期間載荷發(fā)生變化，因此工作位的軸承承載面也容易發(fā)生疲勞。

回轉(zhuǎn)軸承的偏載主要是由于回轉(zhuǎn)臺雙臂的鋼包載荷的不平衡導(dǎo)致。軸承運(yùn)行中過度的傾斜也會引起保持架斷裂[4]。在對故障軸承的拆檢中發(fā)現(xiàn)外圈滾道面的磨痕偏向外圈擋邊、且滾子朝向外圈擋邊的一端出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡。因此判斷偏載也是造成軸承異常磨損的原因之一。

接包、卸包瞬間軸承收到軸向載荷的沖擊，工作位置也是鋼包的啟動、停止位置，回轉(zhuǎn)臺因為慣性大，其啟停的瞬間對軸承也會產(chǎn)生較大的沖擊。這種沖擊會導(dǎo)致軸承與滾道接觸應(yīng)力瞬間急劇上升，從而導(dǎo)致異常磨損。

4 潤滑脂監(jiān)測分析

本案軸承2012年6月上線使用，歷年潤滑脂檢查報告如表3 所示。Fe 元素從2012年12月份的452 mg/kg 上升到2013年5月份的2023 mg/kg，這段時間可視為設(shè)備磨合期；2013年11月到2015年9月Fe 元素含量穩(wěn)定在300 mg/kg 以內(nèi)，這段時間則為正常磨損階段；2016年3月開始Fe 元素急劇上升，至軸承失效（2018年3月份最后一次檢測）1382 mg/kg 升至6000 mg/kg 以上，此階段軸承嚴(yán)重磨損直至咬死失效。潤滑脂中Al 元素來自保持架，從表中可以發(fā)現(xiàn)Al 元素在2014年的兩次檢測中發(fā)現(xiàn)大幅升高，說明此段時間保持架出現(xiàn)了異常磨損，2016年9月至軸承失效這段時間Al 含量都很高，說明此階段保持架出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損。在異常磨損階段，磨粒分析表明主要是黏著擦傷和疲勞剝落；在嚴(yán)重磨損階段，磨粒除了上述兩種磨粒外，還存在大量的切削磨損和高溫氧化磨粒。這些檢查結(jié)果與現(xiàn)場拆檢觀察的情況高度吻合。

表3 歷年油品監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/kg

5 結(jié)論

本案軸承失效的主要原因是由負(fù)載引起。軸承運(yùn)行過程中，由于偏載、沖擊載荷導(dǎo)致軸承出現(xiàn)了異常磨損；隨著磨損的持續(xù)進(jìn)行，軸承滾道出現(xiàn)擦傷、疲勞剝落，進(jìn)一步加大了磨損；軸承的磨損放大了負(fù)載對軸承的沖擊效果，保持架斷裂，斷裂的保持架碎片與軸承疲勞剝落等大尺寸碎片積聚在滾動體和滾道面間而被碾壓，致使?jié)L道面出現(xiàn)許多壓痕、小坑孔；軸承嚴(yán)重磨損產(chǎn)生了高溫，滾子受熱滾身變成深藍(lán)色，受熱的滾子在重載下變形、斷裂，直至軸承咬死。

鋼包回轉(zhuǎn)支承軸承是連鑄工序最為重要的設(shè)備，因為其旋轉(zhuǎn)直徑大、價格高，企業(yè)一般都不會庫存?zhèn)溆眉坏┦巧a(chǎn)中斷，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此延長回轉(zhuǎn)軸承的使用壽命，在軸承發(fā)生事故前進(jìn)行更換是一種較好的方法。

1）軸承的使用壽命除了與軸承本省的質(zhì)量有關(guān)外，還取決于軸承的潤滑、安裝精度、載荷情況。

2）大包回轉(zhuǎn)軸承所處工作環(huán)境惡劣、轉(zhuǎn)速低，給現(xiàn)場的設(shè)備點(diǎn)檢帶來不便。油品監(jiān)測可以跟蹤軸承的早期磨損情況、磨粒分析可以發(fā)現(xiàn)軸承損傷的部位及磨損形式，是一種很好的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。

3）目前回轉(zhuǎn)臺的鋼包的卸包、裝包均由人工操作天車進(jìn)行，其操作水平直接影響對設(shè)備的沖擊，因此提高天車工的操作水平有助于減小載荷沖擊，提高軸承使用壽命。

4）回轉(zhuǎn)軸承安裝好后，很難檢查軸承內(nèi)部情況，因此定期對其進(jìn)行拆檢很要必要。一方面可以對軸承進(jìn)行清洗，徹底排除潤滑脂的固體污染物，另一方面有助于技術(shù)人員了解其內(nèi)部實際磨損情況，及時進(jìn)行修復(fù)，避免更大的故障發(fā)生。