油膜軸承潤滑研究及典型案例分析

項丹 李軍林

（太原重工油膜分公司 山西太原 030024）

1 前言

軋機油膜軸承是典型的重載全液體滑動軸承，其工作原理是在油膜軸承達到一定轉速情況下將具有一定粘度的潤滑油卷吸到收斂的楔形間隙中，在錐套和襯套之間形成油膜層［1］，實現了對軋機外載荷的有效平衡。油膜軸承潤滑油除了潤滑軸承、傳輸軸承熱量，主要作用是承受軋機的外載荷。為了保證潤滑油的正常工作，軋機油膜軸承由一套專門的潤滑系統提供潤滑支持［2］。

軋機油膜軸承潤滑系統保證潤滑油以確定的粘度、恒定的溫度和一定的流量輸入到油膜軸承，使軸承始終處于全液體潤滑狀態下工作。目前針對油膜軸承潤滑系統的研究主要集中在潤滑特性、故障分析、設計優化等方面［3-5］，缺少維護、使用方面的工程研究。本文從油膜軸承潤滑系統的原理入手，結合現場使用經驗，分析并總結事故原因，為油膜軸承的設計、操作提供相應的指導和幫助。

2 軋機油膜軸承潤滑系統參數分析

軋機油膜軸承的潤滑系統主要有兩大類：動壓潤滑系統和靜-動壓潤滑系統。靜-動壓潤滑系統是在動壓潤滑系統的基礎上增加靜壓潤滑系統形成的集成潤滑系統［6-7］。

2.1 動壓潤滑系統

供油量：由油膜軸承設計廠家提供。根據軸承直徑、軸承間隙、軋制力、軋制速度、潤滑油粘度等參數綜合計算得到。

潤滑油品種：根據軋制力、軋制速度進行合理匹配。一般軋制力大、速度低的粗軋機、中厚板軋機和精軋機的前機架選取高粘度潤滑油，軋制力小、速度高的精軋機、后機架則要選用低粘度潤滑油。也可從廠家油品管理的便捷性考慮，整條軋線選擇同一種潤滑油產品，但是這種設計方案必須經過油膜軸承設計單位對軋機軋制參數進行專門的設計計算，通過改變軸承間隙的途徑得以施行，同時這種設計方案也會對軸承的管理帶來諸多不便。一般軋機油膜軸承的動壓潤滑系統設計方案如表1。

表1 動壓潤滑系統設計方案及要求

2.2 靜壓潤滑系統

靜壓潤滑系統的壓力必須根據軋機軸承的承載，經過計算后確定。目前世界上對超高壓潤滑系統的應用有限，壓力等級分級較少，因此供油膜軸承靜壓潤滑系統的備選方案也相對較少。軋機油膜軸承的靜壓潤滑系統主要設計方案如表2。

3 軋機油膜軸承潤滑系統結構概述

3.1 貯油裝置

油箱，一般軋機油膜軸承潤滑系統會設置兩個油箱，容積為油膜軸承潤滑油總需求量的25～30倍。加熱溫度75～85℃（多數取80℃）保持24小時自行冷卻，目的是讓潤滑液中的雜質充分沉淀。加熱過程中，通過離心分離機分離雜質和水分。使用過程中油箱一個工作，一個備用，工作油箱內裝有浮動吸油器，以保證將最澄清的潤滑油吸取到系統中［8］。兩個油箱每周交替使用一次，如果發生過濾器、油位報警等特殊情況，需要及時更換油箱。另外必須要注意切換工作和接受回油的油箱，否則，容易造成備用油箱大量溢油，工作油箱油位報警，若油位報警失效，甚至會發生軸承斷油燒損事故。

表2 靜壓潤滑系統設計指標及要求

3.2 過濾器

在油泵和系統壓力控制閥之間裝有主過濾器，軋機潤滑系統每個機架上配置機架過濾器。過濾裝置一般使用帶有磁鐵元件和高精度不銹鋼網柵的雙桶式網籃過濾器，上面裝有快速切換開關，使過濾器可以實現快速切換，同時過濾裝置還需滿足泵的流量要求。過濾器配置有壓差開關，壓差達到規定值（0.04～0.05MPa）發出警報，表明網柵堵塞。提醒操作人員及時切換過濾器，并清洗或者更換過濾網柵。警報信號只用于緊急情況處理，過濾器建議按固定程序切換使用，并作定期檢查。

3.3 壓力調整裝置

3.3.1 系統設置壓力罐

系統壓力低于設定值時，壓力報警，自動切換備用泵。為保證油膜軸承得到足夠的供油量，在主供油管路上必須配備壓力罐。壓力罐不僅能消除泵輸出油產生的脈沖和震動，更重要的是通過它可以自動啟動備用泵，并能在事故狀態或油泵突然斷電時，暫時供應油膜軸承所需的潤滑油（壓力罐容量應為油膜軸承所需流量的1.2倍）。

此外，壓力罐內裝有油位計、報警器開關等，在啟用備用泵的同時由報警器發出報警。報警開關由壓力罐內的氣壓變化操縱，壓力罐上裝有安全閥。一般安全閥的壓力調定在0.5MPa左右，壓力罐內油位占壓力罐容器的1／3，其余為壓縮空氣。

3.3.2 系統設置壓力控制閥

為保證潤滑系統的供油壓力恒定，應設置控制壓力的溢流閥，安裝位置在主過濾器與油冷卻器之間，反饋壓力信號從油冷器之前取出，恒定壓力設定值一般為0.3～0.5MPa。

3.3.3 系統設置減壓穩壓閥

通過在每一臺機架上配置減壓穩壓閥，從而確定油膜軸承所需油量。因各機架距離油站的位置不等，管路的阻力不一致，對于連軋機來說每個機架的速度不同，所需流量不同，因此每個機架的減壓閥的調定壓力存在較大差異。為保證軋機穩定性，該壓力一經調定后嚴禁自行調整。

減壓穩壓閥能有效保證軸承的進油口壓力和軸承的進油量，而且要求反應靈敏。當軋機突然增速時，壓力瞬間降低，軸承供油不足，穩壓閥應迅速升壓，及時補充供油，穩定壓力。該閥為雙向調節平衡閥，閥的出口壓力為0.15～0.25MPa。安裝位置盡量靠近油膜軸承的進油口部分。

一般減壓穩壓閥采用膜盒式，以壓縮空氣為動力，膜盒內的氣動壓力控制方式，采用噴嘴擋板式。也有使用液壓式調節閥，以液體流動壓力差實現壓力平衡，為了提高響應速度，在反饋回路中不使用系統的潤滑油（即非直接反饋式），而是使用了粘度很小的一種工業甘油（70%～80%的水，20%～30%的甘油）。

3.4 各種計量儀表及其它潤滑附件

油膜軸承潤滑系統根據不同需要配置有多種計量儀表和潤滑附件，其中包括壓力表、溫度計，過濾器的吹清裝置，油水分離器，水分檢測報警器以及報警器用的低壓開關等。

在軋機機架兩邊的上升管路上安裝壓力表、溫度計及低壓報警開關時，要注意儀表的安裝位置便于操作者觀測。在油膜軸承潤滑系統的進油管和回油管之間的適當位置應安裝旁通閥，旁通閥用于新安裝的軋機試車前的熱油循環，預熱冷油管，或是在更換過濾裝置時將管內的潤滑液經回油管流回油箱［9］。

3.5 動力裝置

主要包括泵和安全閥，其中，泵的功能是保證動壓潤滑系統為恒壓力供油，通常采用螺桿泵，泵流量為計算流量的1.2倍。供油壓力一般為0.3～0.5MPa。安全閥的安裝位置是油泵的輸出端，閥的壓力一般定在0.45MPa。

3.6 溫度控制裝置

在確定油膜軸承承載能力時，潤滑油的粘度是關鍵參數之一，而油膜軸承的潤滑油粘度是靠潤滑油的溫度和潤滑油的粘度指數來保證的。軸承進油溫度的變化決定承載能力，因此動壓供油系統的溫度控制十分必要。

為了保證軸承的進油溫度，一般工作油箱溫度設置到50℃±2℃，通過潤滑系統的油，經冷卻器，將油溫最后確定下來。冷卻器中通入冷卻水，通過油冷卻器出口油溫來控制冷卻水的流量，潤滑油在進入到油膜軸承前的油溫必須嚴格控制在40℃±2℃。此外，在維護中應注意：油溫的檢測要準確，并能及時控制，冷卻供油系統要保證足夠的靈敏性和可靠性。

3.7 軸承的供油噴嘴

由于油膜軸承是集中供油，對連軋機來說從泵到每個軸承供油管路的長度相差很大，為了保證每個軸承供油壓力大致相同，且流量充分，則需在每個軸承座進油口前增加定量供油噴嘴。避免油全部涌入下座和離泵比較近的上操作側，從而造成上傳動側供油不充分的問題。定量供油噴嘴由油膜軸承廠家根據機架所需的流量計算設計。

3.8 靜壓供油系統

靜壓潤滑系統是在動壓潤滑系統基礎上配備的，工作時靜壓、動壓配合使用。靜壓系統采用恒流量供油，即流量保持不變，靜壓系統壓力隨著軋制壓力和動壓效應的壓力變化而變化，軋輥轉速低時，油膜厚度變薄，流量變小，此時靜壓效應起主要承載作用，靜壓系統壓力升高。當軋輥速度增大，油膜厚度變厚，流量增大，靜壓系統壓力下降或關閉，此時動壓起主要承載作用。靜壓潤滑系統為恒流量潤滑，泵的工作流量設定，壓力隨軋制速度而調整變化。

靜壓系統的工作一般有兩種狀態，一種是間歇工作，一種是連續工作。間歇工作時，一般規定軋制工作速度低于額定值100m／min，此時靜壓系統自動啟動投入工作，速度一旦達到額定值，靜壓系統自動關閉，由動壓潤滑系統單獨作用。連續工作則由靜壓潤滑系統協同動壓共同作用。系統配有超高壓安全閥，用于限制系統最高壓力值，保護超高壓泵。在使用中，要經常觀察高壓泵的吸入量是否正常，以判斷整個系統的工作狀態。診斷超高壓供油系統是否正常工作，最簡便的方法是觀察靜壓供油系統壓力表。一是看壓力高低，二是檢查壓力表的指數是否隨軋制速度變化而變化，通過記錄顯示的規律，以此判斷泵是否處于正常工作狀態。潤滑系統原理圖如圖1～3。

圖1 動壓系統原理圖

4 案例分析

4.1 潤滑系統溫度控制問題

天津某新建鋼廠，潤滑系統和油膜軸承均為國外設計。油膜軸承潤滑系統加熱后，軸承一直無法啟動，軋機也無法試車。經詳細檢查分析，從設計、安裝到零部件的質量均未發現問題，操作程序完全按國外的規程執行。之后，技術人員現場調研潤滑系統的配置及工作狀態，認定油庫的環境溫度過低，延程損失過大，造成升溫困難，潤滑系統油箱的加熱裝置無法滿足高粘度的潤滑油升溫要求，即加熱裝置最大加熱能力下無法達到現場升溫需求。建議給地下油庫通暖氣，升高室溫。環境溫度提高后軸承進油溫度滿足標準油溫，油膜軸承正常啟動，順利完成試車任務。

圖2 間斷工作制系統原理圖

圖3 連續工作制系統原理圖

另一北方鋼廠因缺少油膜軸承的基本技術知識，在油膜軸承進油溫度20℃時強行啟動軋機，軋機空轉造成了錐套和襯套燒結，經培訓，進油溫度升到標準值后啟動軋機，未發生燒軸承的問題。

4.2 平衡穩壓閥問題

某1780熱連軋鋼廠新軸承試車時一切正常，正式軋鋼時卻經常因軸承工作區油液溫升速度快而停機。因為軸承要求工作區采集點溫度達到75℃時發出警告，溫度達到90℃報警停機。該軋機為熱連軋機，F1～F5機架一個潤滑系統，F6～F7機架一個潤滑系統。軋制2mm以下鋼板時，F7速度達到18m／s（該軸承設計最大速度20m／s）油溫迅速升至報警值，軋完少量鋼板，必須停機，待軸承溫度降下來繼續軋制，極大阻礙了鋼廠的產能。技術人員到現場發現軋機軸承進口壓力在咬鋼瞬間有的機架壓力居然降為零，表明咬鋼過程中油膜軸承嚴重缺油，潤滑不充分，造成升溫過快。通過對潤滑系統的分析檢查發現平衡閥溢流通道為φ6的銅管，該閥為液體雙向平衡閥，較膜盒式氣體平衡閥反應速度滯后，且管路太細，限制了調節能力，滿足不了時時保壓穩壓的作用。建議潤滑系統設計方將減壓穩壓閥進行適當改進和更新。修改之后，油膜軸承進油穩定，溫度正常，未發生溫度過高報警停機的情況。

當然，平衡穩壓閥也不是萬能的，如果大量潤滑油泄漏或進油口快換接頭沒有打開，平衡閥即使能夠自我控制，也會發生軸承燒毀事故。只有在確保軸承進油壓力、進油流量充足、且平衡閥響應速度滿足要求的情況下，軸承才能正常工作。

4.3 定量供油噴嘴問題

山西某1500熱連軋鋼廠舊軋機，經常發生上傳動側燒軸承情況，上操、下操、下傳都未發生過，經設計人員確認現場，觀察油路、供油量沒有問題，軋機也不存在偏載情況，測溫元件顯示上傳動側軸承溫度較其他三側溫度升溫迅速，直至產生燒軸承情況。調研發現該廠一直沒有采用定量供油噴嘴，造成供油時，重力作用下，潤滑油優先流入下操作側和下傳動側，多余潤滑油才會流入離泵比較近的上操作側，最后到達上傳動側，上傳動側供油不充分，咬鋼時不能吸入足量潤滑油，以至處于半液體摩擦，軸承升溫迅速，長時間作用就發生燒軸承情況。設計人員根據該廠軸承所需流量計算設計了定量供油噴嘴，用戶安裝后，有效的改善了上傳供油不充分情況，未發生頻繁上傳軸承燒損問題。

對于連軋機組也有因定量供油噴嘴節流而造成軸承供油不充分的情況，其原因主要是供油噴嘴孔徑設計不合理，因供油噴嘴的設計必須考慮到軋機的速度、潤滑油粘度、噴嘴前后的壓差等因素，如果其中任一因素發生變化，軸承的流量就會相應地發生改變，誤差大時也可能阻礙油膜軸承進油。油膜軸承動壓供油系統不屬于壓力供油，規定的動壓供油壓力0.1±0.02MPa，僅能保證軸承轉動時在動壓效應作用下將具有一定粘度的潤滑油卷吸入軸承，如果保證噴嘴兩端的壓差，軸承進油量一般是充足的。但軋鋼車間現場因軸承溫度升高、軸承可視窗無法及時發現供油不足的問題，用戶通常會提高軸承進油壓力，甚至提高到0.35MPa（考慮軋機咬鋼瞬間會產生壓力降，為保證軸承進口最低壓力值不低于0.08MPa，壓力設定值最大不可超過0.25MPa），提高進油壓力供油量會有所提升，但還達不到要求時，用戶會要求油膜軸承設計廠將定量供油噴嘴孔徑增大，造成噴嘴失去節流控制作用，導致后面機架供油不充分。

上述平衡閥出現問題的用戶也是更換一個機架的大孔徑噴嘴進行實驗，平衡閥不能穩壓保壓的情況下，增大噴嘴孔徑作用不大，在軋機升速時，軸承入口壓力下降，軸承卷吸不到充分的潤滑油，原孔徑小的時候都不能足夠充滿，現在放大了孔徑，能卷吸到的還是原來等量的潤滑油。綜合分析，定量供油噴嘴必須經過嚴格設計，不可隨意更改孔徑。

4.4 潤滑油的污染問題

軋機油膜軸承的工作環境惡劣，不僅受到軋制過程中氧化物等污染侵襲，同時經受高壓冷卻水的沖刷。冷卻水及污染物將潤滑條件惡化，直接影響油膜形成，甚至損壞軸承，同時也使潤滑油乳化變質、壽命縮短。某鋼廠連軋機發生過同時五機架燒損軸承的事故，經調查發現該五機架使用同一潤滑系統，油箱中潤滑油已經乳化變色，經化驗結果顯示潤滑油已經嚴重變質，不具備油膜軸承抗磨潤滑油的基本性能。變質油注入軸承中，不能形成承載油膜，軋機加載時油膜迅速被壓潰，造成錐套、襯套直接接觸，導致軸承燒毀［10］。

軋機油膜軸承潤滑油是一種無酸和不含其他任何雜質的高級油，要求具有較高的抗氧化、抗擠壓、抗乳化性能，以及較好的雜質分離性。軋機在軋鋼的過程中，油膜軸承在軋油，如果油品性能不能保證，油膜軸承也就失去了承載能力，所以定期對油品進行監測，是使用和維護油膜軸承的一個重要環節。一般要求油膜軸承油的最大雜質不得超過油膜厚度（一般在10～30μm），油的含水量要求小于0.5%。由于潤滑油量較大，所以從經濟角度來說，不能輕易地報廢一批油；但從軋機的壽命、工作可靠性以及整個軋制生產來說，劣化的油會使軸承燒毀，整條軋線被迫停產，從而造成更大的經濟損失。綜合這兩方面的情況，得到這樣的結論：其一是要制定嚴格的潤滑油報廢標準；其二更換舊油時，務必做好液壓元件的清理和維護，保證新油使用充分。

5 結論

本文總結軋機潤滑系統基本知識，結合具體工程案例，為軋機油膜軸承使用者及潤滑系統設計者提供了一定的參考和指導：

（1）一套完整的潤滑系統設備，滿足了油膜軸承的潤滑與散熱需要。還要求應可靠的自監、自控、自調性能，否則很可能造成軸承燒損、潤滑油腐敗變質、生產停頓等惡劣后果。

（2）保持油的粘度指數、抗乳化、抗氧化、中和值等是潤滑系統重要的功能。從設備的設計、安裝、清洗到維護、調試每一方面都需嚴格遵守操作準則，才能有效的避免問題的發生。

（3）選用動壓系統供油或靜-動壓系統供油需要對軋機軋制壓力、軋制速度等參數進行校核，并匹配適宜牌號的潤滑油，合理設置軸承間隙。