線材軋機(jī)動壓軸承參數(shù)對軋制精度的影響

劉朋卓

（酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730104）

軋制精度由多種因素決定，可分為工藝因素、施工因素、技術(shù)因素和結(jié)構(gòu)因素。工藝因素包括孔型的形狀、變形程度、變形的速度和溫度模式等。施工因素由使用設(shè)備的特性決定。在大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)因素相對穩(wěn)定，因此它們對每個軋機(jī)精度的影響程度是通過試驗確定的，并受技術(shù)因素間接影響。例如當(dāng)設(shè)置用于軋制特定形狀的軋機(jī)時，每個機(jī)架中的間隙是固定的，需要考慮“機(jī)架彈簧”，即軋制力引起的彈性變形。

但在技術(shù)因素發(fā)生重大變化的情況下，可以觀察到建設(shè)性因素的模糊影響。例如在線材軋機(jī)的精加工單元中，可觀察到第一個模塊和最后一個模塊間的速度比技術(shù)驅(qū)動提高了10倍。同時，軋制力的模數(shù)相差3～5 倍且分布相反，即從第一個模數(shù)到最后一個模數(shù)逐次變小。對于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，技術(shù)因素的重大變化并不重要，如有必要，可以通過適宜的設(shè)計解決方案（軋輥直徑、發(fā)動機(jī)功率和根據(jù)適當(dāng)力矩的主軸尺寸等）進(jìn)行補(bǔ)償[1-2]。

1 線材軋機(jī)的動壓軸承參數(shù)影響分析

線材軋機(jī)的動壓軸承參數(shù)會對軋制精度產(chǎn)生重要影響。動壓軸承是用于支撐和定位軋機(jī)輥子的關(guān)鍵部件，其參數(shù)的合理選擇會影響軋機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性、軋制質(zhì)量以及產(chǎn)品尺寸精度。可能影響軋制精度的動壓軸承參數(shù)及其影響分析如下[3-5]。1）預(yù)緊力：預(yù)緊力是動壓軸承內(nèi)部的加載力，會影響軸承的剛性和承載能力。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可以確保軸承在工作過程中保持足夠的剛性，從而防止軋制過程中輥子變形，有利于提高軋制精度。2）徑向間隙：徑向間隙是軸承內(nèi)部各部件間的間隙，對軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性和軸向剛性有影響。較小的徑向間隙有助于減少輥子的晃動和振動，從而提高軋制精度。3）潤滑方式和潤滑劑：潤滑在軸承工作中至關(guān)重要，不同的潤滑方式和潤滑劑可以影響軸承的摩擦和磨損程度。良好的潤滑可以降低摩擦、減少磨損，有助于保持軋機(jī)的穩(wěn)定性和精度。4）軸承類型和設(shè)計：不同類型和設(shè)計的動壓軸承具有不同的承載能力、剛性和耐磨性。選擇適合的軸承類型和設(shè)計可以滿足不同軋制工藝的需求，從而影響軋制精度。5）軸承材料：軸承材料的硬度、耐磨性和熱傳導(dǎo)性能會影響軸承的壽命和性能。合適的軸承材料可以減少由摩擦和熱量導(dǎo)致的變形，有助于提高軋制精度。6）軋機(jī)速度和壓力：動壓軸承的參數(shù)選擇還需要考慮軋機(jī)的工作條件，如軋機(jī)速度和壓力。高速和高壓下，軸承需要具備更高的剛性和耐磨性，以保證軋機(jī)的穩(wěn)定性和精度。7）溫度控制：軋制過程中會產(chǎn)生熱量，溫度升高可能會導(dǎo)致軸承的膨脹和變形，從而影響精度。適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂瓶梢詼p少熱量對軸承的影響，維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。綜上所述，動壓軸承參數(shù)的選擇需要考慮多個因素，包括預(yù)緊力、徑向間隙、潤滑方式、軸承類型以及軸承材料等。合理的參數(shù)選擇可以提高軋機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低振動和變形，從而改善軋制精度。不同的軋制工藝和產(chǎn)品要求可能需要不同的軸承參數(shù)配置，因此在實際應(yīng)用中需要進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。

2 軋制精度分析

2.1 軋制精度面臨的主要問題

線性軋機(jī)是一種重要的金屬加工設(shè)備，它用于將金屬坯料通過一系列輥軋機(jī)構(gòu)進(jìn)行塑性變形，以獲得所需的形狀和尺寸。在線性軋機(jī)中，動壓軸承是至關(guān)重要的組成部分，其參數(shù)分析對設(shè)備性能和工作效率至關(guān)重要。首先，動壓軸承的負(fù)載能力是一個關(guān)鍵參數(shù)，它必須能夠承受來自軋機(jī)的巨大軸向和徑向負(fù)載，同時保持高度的剛性，以確保金屬坯料變形均勻。負(fù)載能力的合適性取決于軋機(jī)的設(shè)計產(chǎn)能和材料的特性。其次，動壓軸承的摩擦系數(shù)也需要仔細(xì)分析。低摩擦系數(shù)有助于減少能源消耗和軸承磨損，同時提高軋制過程的穩(wěn)定性和控制性。選擇適當(dāng)?shù)臐櫥筒牧峡梢越档湍Σ料禂?shù)。再次，軸承的尺寸和布局也需要詳細(xì)考慮。軸承的直徑、長度、數(shù)量和布置方式都會影響軋機(jī)的性能和穩(wěn)定性。通過工程計算和模擬分析可以確定最佳的軸承參數(shù)。最后，動壓軸承的材料選擇至關(guān)重要。通常，軸承需要使用高強(qiáng)度、高耐磨性和高耐腐蝕性的材料，以確保其在高負(fù)載和高速度下能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行。因此，線性軋機(jī)的動壓軸承參數(shù)分析是一個復(fù)雜的工程任務(wù)，需要綜合考慮負(fù)載能力、摩擦系數(shù)、尺寸布局和材料選擇等因素。只有通過詳盡分析和合理設(shè)計，才能確保線性軋機(jī)在高強(qiáng)度、高效率的生產(chǎn)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

該文工作目標(biāo)是研究在技術(shù)驅(qū)動的軋制參數(shù)變化條件下，單元模塊的結(jié)構(gòu)特征和軋制精度的影響程度。根據(jù)線材廠現(xiàn)有機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗，鑒于最后2 個模塊中間隙的變化和第一個模塊中半成品軋制坯料的間隙、尺寸變化，調(diào)節(jié)成品線材的尺寸是可能的。

由于通用驅(qū)動器為剛性運(yùn)動連接，因此其他模塊的間隙調(diào)整被認(rèn)為是低效的。第一個或最后一個模塊中的間隙變化影響程度沒有單獨(dú)的研究，而是在達(dá)到所需的線材尺寸前進(jìn)行選擇。這種情況下會存在一定矛盾。例如當(dāng)軋機(jī)機(jī)架上軋制直徑為5.5mm 的線材時，根據(jù)校準(zhǔn)刻度，單元200 的最后十分之一模塊中的間隙應(yīng)為1.21mm。該模塊中的實際間隙為1.45mm～1.57mm，以確保生產(chǎn)特定尺寸的線材。因此，與眾所周知的“支架彈簧”不同，即在調(diào)整模塊時，應(yīng)固定更大的間隙。單元模塊配置中的這種差異只能通過模塊的某些設(shè)計特征來解釋，特別是通過各種調(diào)節(jié)和常規(guī)操作條件來解釋。

為了分析單元200 的結(jié)構(gòu)特征，該文計算了在模塊中用低碳鋼軋制直徑為5.5mm 的線材時的主要工藝參數(shù)。根據(jù)計算的工藝參數(shù)，確定了基本模塊支架的動壓軸承在設(shè)定條件和正常模式下的運(yùn)行參數(shù)。

2.2 參數(shù)分析

該文計算了精加工單元當(dāng)前校準(zhǔn)的主要技術(shù)參數(shù)。孔型中，使用Smirnov 的技術(shù)確定軋輥的尺寸，用于計算、延伸其他幾何參數(shù)。在這種情況下，假設(shè)所有模塊的輥（墊圈）沿軸環(huán)的直徑等于210mm。輥軸的溫度和單元模塊的軋制力通過前人的方法確定。為了更合理地選擇軋制功率參數(shù)，該文將計算數(shù)據(jù)與一家線材廠的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。該文用于進(jìn)一步計算的值通過Smirnov 的方法獲得。帶孔型的墊圈是懸臂安裝在輥上的，輥位于2 個流體動力學(xué)軸承上的模塊外殼中。軸承的標(biāo)稱直徑如下：主支架（更靠近墊圈）為140mm；第二個支架為111mm。軸承的寬度分別為105mm 和54mm，支撐件中心間的距離為309mm，距孔型軸線（軋制力的作用平面）主支撐件中央的距離為110mm。通過帶孔型的墊圈的懸臂放置，主支架上的載荷超過滾動力。對于支撐件和通道軸線間的距離，該過量為（309+110）/309=1.356。

機(jī)油通過襯套上的孔流入軸承。孔徑為12mm。孔的軸線和徑向載荷作用平面的角度約120°。軸承工作區(qū)的供油由一個深度為1.5mm 的局部圓形凹槽和2 個半徑為25mm、深度為1.5mm 的油槽提供。油槽的寬度為95mm，圓形凹槽的寬度為16mm。其中一個油槽位于平面的相對側(cè)，最小間隙位于該側(cè)，另一個放置在與該平面成90°的位置。

機(jī)組所有模塊的流體動力軸承的設(shè)計類型均相同，即每個模塊都由軸的拋光表面和通過熱配合和壓配合固定在外殼中的圓柱形鋼襯組成。襯套的工作表面有一層鉛錫青銅涂層。

對模塊承載力最大的基本支架進(jìn)行軸承運(yùn)行參數(shù)分析。在考慮公差的情況下，基本支架軸承軸的直徑為139.880～139.855mm，襯套內(nèi)徑為140.24～140.174mm 不等。因此，軸承中的間隙為0.294～0.385mm，平均值為0.333mm。軸的表面粗糙度為Ra=0.2μm，襯套表面為Ra=1.6μm。使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的計算方法進(jìn)行軸承運(yùn)行參數(shù)分析。該標(biāo)準(zhǔn)確定的計算方法適用于在靜止模式下運(yùn)行的360°、180°、150°、120°和90°的圓柱軸承。

該方法基于流體力學(xué)的基本理論，根據(jù)準(zhǔn)則個數(shù)來估計流體動力學(xué)軸承的承載能力。該數(shù)字由軸承的參數(shù)決定，如來自外部負(fù)載的壓力、黏度速度參數(shù)和相對間隙。同時，準(zhǔn)則數(shù)是軸承幾何參數(shù)的函數(shù)，如相對偏心率、相對長度和接觸角。準(zhǔn)則數(shù)、給定幾何參數(shù)和一些其他軸承參數(shù)間的函數(shù)依賴性由標(biāo)準(zhǔn)確定。

2.3 計算過程分析

計算程序包括根據(jù)雷諾標(biāo)準(zhǔn)檢查油流的不均勻性、檢查容許平均壓力和計算索末菲數(shù)。該數(shù)值主要以圖表形式表示相互依賴關(guān)系，進(jìn)而確定其他參數(shù)。對于計算值SO，相對偏心率ε=φ（So，B/D，Ω）。獲得的值ε可以確定油膜的最小厚度、摩擦系數(shù)、摩擦力、摩擦功率、摩擦力產(chǎn)生的熱流強(qiáng)度以及輸出處軸承或潤滑劑的溫度。考慮帶槽的圓形槽位于152°的弧上和軸承整個間隙充油，計算時可假設(shè)接觸角為180°，通過一個孔、2 個倉和一個局部圓形槽進(jìn)行供油。在計算中，假定油是在0.35MP 的壓力下供應(yīng)的，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，潤滑劑供應(yīng)溫度為60℃和機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)速為1350r/min 時的基本支架軸承的運(yùn)行參數(shù)計算見表1、表2。

表2 電機(jī)1350r/min 軸承運(yùn)行參數(shù)

從獲得的數(shù)據(jù)中可知，油的最小膜厚度非常顯著，第一個模塊為9.85μm，最后一個模塊為110.82μm。對上述軸承表面的粗糙度參數(shù)來說，油膜厚度是關(guān)鍵。從提供流體動力學(xué)潤滑速率的角度來看，油膜厚度為4.84μm。

軸承工作區(qū)域的油膜厚度相當(dāng)大，尤其是對機(jī)組的最新模塊而言，油膜厚度大會對孔型間隙產(chǎn)生重大影響。在沒有旋轉(zhuǎn)的情況下，軸在其自身質(zhì)量的影響下落在襯套的表面上。在該情況下，墊圈套環(huán)上的間隙將是最小的。如果在沒有旋轉(zhuǎn)的情況下分離力F作用在軸上，則下部軸不會改變其位置，上部軸將向上移動直徑間隙2δ的值。單元塊的流體動力軸承圖如圖1 所示，對于基本支架的考慮軸承，軸承間隙的平均值為0.34mm（圖1（b））。

圖1 單元塊的流體動力軸承圖

由于軸在軸承的工作區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)會形成一層油膜，會使軸軸線間的距離減少相當(dāng)于油膜厚度2 倍的值。然而，分離力和形成的油膜使軸的總運(yùn)動為（2δ-2hmin）。

在模塊調(diào)整的情況下，根據(jù)批準(zhǔn)的校準(zhǔn)刻度，將間隙減至指定的間隙，通過以“蠕變”速度滾動的金屬絲穿過墊圈套圈（直徑3mm 的低碳鋼電極）來確定間隙。在該情況下，選擇上部軸軸承中的間隙，但是由于軸的旋轉(zhuǎn)頻率不顯著，因此膜的厚度最小。

“蠕變”速度對應(yīng)塊電機(jī)的10r/min 旋轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)表1 的方法并考慮20kN 的分離力，針對該速度計算最小油膜厚度。所有模塊的油膜厚度相等，厚度為2.24μm。這種不顯著的油膜厚度不會顯著改變軸間的距離。因此，如果上滾柱軸承間隙完全消除（0.34mm），那么上軸軸線對油膜厚度的“影響”與下軸軸線相同。因此，軸間的距離如公式（1）所示。

然而，在塊軸連續(xù)運(yùn)行的情況下，旋轉(zhuǎn)頻率和油膜厚度會有較顯著的提高和增加。例如由“爬行”速度建立的第10個模塊間隙將減少，并有公式（2）。

因此，一個既定和連續(xù)過程的間隙差將為0.21314mm。該間隙變化值會對準(zhǔn)備好的截面尺寸產(chǎn)生重大影響，甚至使其超出限制。

3 實例分析

模塊在穩(wěn)定運(yùn)行和不同供油溫度下的計算間隙差如圖2所示。很明顯，供油溫度越低，油膜厚度越大，會增加間隙差異。在較高的溫度下，油膜厚度和間隙差都會減少。然而，速度或軸旋轉(zhuǎn)頻率是決定間隙差異的主要技術(shù)因素。間隙差幾乎隨單元模塊速度提高而成比例地增加。因此間隙的最大差異出現(xiàn)在最后一個單元塊中。在該情況下，應(yīng)考慮已發(fā)現(xiàn)的軸承的設(shè)計特征。

圖2 單元模塊主支承軸承穩(wěn)定運(yùn)行時的間隙差

在任意供油溫度下，8～10 個模塊的間隙差均超過0.1mm。在60°С 的供油溫度和第8～9 模塊穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，建議將間隙設(shè)置為比校準(zhǔn)表中指示的間隙大0.16mm，而第10 模塊的間隙應(yīng)增加0.21mm。例如如果第10 模塊中應(yīng)提供1.21mm的間隙，則在調(diào)整時有必要設(shè)置為1.42mm 的間隙。

4 結(jié)論

在工藝參數(shù)對油膜厚度的影響存在一定關(guān)系的情況下，單元塊主支架的動壓滑動軸承的設(shè)計特點(diǎn)為油膜厚度不僅可以上升到百分之一毫米，還可以上升到十分之一毫米。該油膜厚度會影響滾子間隙，從而影響截面精度。

該文通過計算工藝參數(shù)和軸承運(yùn)行參數(shù)，確定了在200機(jī)組的快速軋制過程中，如果調(diào)整其他3 個模塊，就有必要考慮主支承軸承中的油膜厚度顯著會導(dǎo)致滾子間隙減少的情況。調(diào)整機(jī)械裝置以補(bǔ)償顯著的油膜厚度時，建議將第8～9 個模塊的間隙設(shè)置為比校準(zhǔn)表中的間隙多0.16mm，將第10 個模塊的間距設(shè)置為比標(biāo)定表中的間隙多0.21mm。