高强度板材矫直机支承辊轴承的设计选型

2011-11-18吴庆君

中国重型装备 2011年3期

赵岽吴庆君

(1.太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽 232033)

高强度板材矫直机要求矫直能力强，承受矫直力大，经矫后的钢板平直度好，残余应力小且分布均匀，板材表面质量好且无压痕。在实际的设计工作中，由于矫直机支承辊轴承的选型不当造成的轴承故障和轴承早期失效的事例很多，国内各钢铁厂因轴承过早损坏而造成的经济损失很大，而当轴承内圈和辊颈粘接时，造成的损失更大。在设计选型时需要对此引起足够的重视。

1 高强度板材矫直机支承辊轴承的技术要求

高强度板材矫直机支承辊轴承应满足以下技术要求:

(1)径向载荷大。支承辊轴承承受的径向载荷可高达850 kN。随着控轧控冷与直接淬火技术的采用，轧后板温降低、板形变坏、屈服强度增大等原因，在压下量给定情况下，在矫直过程中将会造成瞬间较大压下的情况频繁发生，此时矫直力将突破设计能力，使轴承在超载荷下运行，其使用寿命将大大降低。

(2)承受轴向载荷。与径向载荷相比，作用在支承辊上的轴向载荷往往被忽视，但它同样是支承辊轴承损坏的主要因素之一。通常认为支承辊轴向力为径向力的1%～2%，实际矫直机支承辊的轴向力达径向力的5%。形成支承辊轴向力的原因较多，主要有工作辊与支承辊轴线的错位布置、非对称矫直力、矫直力偏差、需矫直板形的不规则、轴向倾动矫直以及传动系统的影响。

(3)具有调心性能。矫直机弯辊技术的运用可克服矫直辊产生的挠度，保持平行恒辊缝以达到最佳矫平效果，同时弯辊功能在矫直有边浪及中心波浪缺陷的钢板时，可消除残余应力或使其均匀分布，但对矫直辊进行弯辊后将会出现支承辊单边载荷较大，促使单侧支承辊轴承所承受的矫直力较大，加之安装误差、零件制造偏差等原因，使得轴承内外圈之间出现偏斜，会造成轴承滚道上载荷分布不均匀，并产生附加载荷，严重时会产生应力集中，从而出现滚动体断裂、保持架损坏等情况，使轴承寿命缩短或因烧损而报废。因此，要求支承辊轴承可以自动调心，在没有影响轴承性能的情况下，可以允许内圈与外圈之间有一定的角度误差。

(4)适用于较恶劣的工作环境。热矫直机在生产中有时使用大量的外冷却液，轴承座处于冷却液包围之中，此液体中含有矫直时产生的微小金属颗粒、酸性物质及其它杂质。这些有害液体和固体颗粒一旦进入轴承，不但影响润滑剂的性能，破坏所形成的膜，而且还会直接引起磨粒磨损，导致轴承早期疲劳而失效。

矫直过程中会伴有板面氧化铁皮的脱落，存留在辊隙中的轻薄氧化皮在吹扫清理时可能会进入轴承导致轴承的磨损。

(5)拆装维护方便。矫直机支承辊轴承属易损件，要求能快速更换，同时减轻工作人员的劳动强度和设备的维护使用成本。轴承的选型不应特殊，备件易于采购，缩短订货周期。

由此可见高强度板材矫直机支承辊轴承承受重载荷，工作速度变化范围大，要求高刚度、高精度的同时由于轴承的工作环境较恶劣，润滑液及铁屑等杂物易进入轴承内部，辊子更换较频繁。因此支承辊轴承应具有承载能力高，旋转精度高，可自动调心、结构简单，装拆方便的特点。

2 高强度板材矫直机支承辊轴承的类型选择

调心滚子轴承的特点:

调心滚子轴承由一个带球面滚道的外圈和一个双滚道内圈、一个或两个保持架及一组球面滚子组成。由于外圈球面滚道的中心与轴承中心一致，故具有调心作用，可以自动调整因轴与轴承座之间的角度误差所产生的倾斜。在正常状态下允许的角度偏差为1°～2.5°。

其中C 型开式调心辊子轴承内圈两侧无挡边，有两个保持架，两列球面滚子之间有一个活动中挡圈。轴承运转时中挡圈可以做轴向移动，起到补偿作用，当轴承在承受轴向载荷时可以调节两列滚子载荷，使其均匀承载，避免应力集中及单列滚子受力。

调心滚子轴承可以承受较大的径向载荷与双向轴向载荷。特别适用于承受重载荷或冲击振动载荷。但其所允许的工作转速相对较低。调心滚子轴承的外圈带有润滑孔和润滑槽方便润滑。

通过以上使用特点和轴承性能的分析，选用调心辊子轴承适用于高强度板材矫直机支承辊轴承的类型选择。

3 高强度板材矫直机支承辊轴承的配置方式

矫直机每个支承辊中有两套轴承。支承中的辊子在径向方向由两个支承共同限定，即通过配合来实现。而在轴向方向采用两端游动支承方式。

如图1 所示，两端游动支承是指支承结构中的两个支承端都不对辊子的轴向位移做限制。由于两端游动支承，不需要精确限定辊子的轴向位置，因此，安装时不必调整轴承的轴向游隙。工作中，即使处于不利的高温状态，轴承也不会被卡死。

图1 支承辊轴承的配置方式Figure 1 Disposition method

4 高强度板材矫直机支承辊轴承的径向定位

要完全达到选用轴承的承载能力，轴承内外圈的整个圆周必须完全受到坚固和均匀的支承。因此，与轴承圈相配合表面的加工必须达到一定的精度，并且不应有任何沟槽、孔或其他不连续的形状。此外，轴承圈必须稳妥的固定，以防止在负荷作用下，轴承圈在其配合面之间旋转。

一般来说，必须要有合适的过盈量，轴承圈才可以固定在径向方向并受到足够的支承。但支承辊轴承在轴向方向采用两端游动支承方式，需要具备轴向移动的功能，并要求易于安装拆卸更换，所以就不能采用过盈配合。

支承辊轴承的径向定位除了以上的条件外，还应考虑以下重要因素:

(1)转动的条件。矫直机支承辊承受相对方向固定的矫直力，作用在内圈旋转外圈静止的轴承上，矫直力相对内圈是“旋转载荷”，而相对外圈则是“静止载荷”。建议采用外圈间隙配合，内圈过盈配合。

(2)负荷的大小。载荷作用在滚动轴承上会使配合表面发生局部变形，从而导致配合处的有效过盈量减少或发生松动，并在压力作用下产生蠕动磨损。因此载荷越大，则所选配合应越紧。

高强度板材矫直机支承辊轴承受重载荷，支承辊轴承座采用整体碳素合金锻钢，其轴承外圈受“静止载荷”且可以轴向位移，在轻、中、重负荷下，轴承座孔公差带均可以选用H7;其轴承内圈受“旋转载荷”，在重负荷下，支承辊轴颈公差带可以选用r6。

(3)轴承的温度条件。轴承在运行时，轴承圈达到的温度通常要高于与其相配部件的温度。这样会导致内圈与轴颈的配合变松，而外圈的膨胀则可能导致其不能在轴承座中有预期的轴向移动。即使没有外部热源的影响，由于摩擦，在应用中轴承外圈的工作温度比内圈的要低。这样会导致轴承的内部游隙的减少。因此必须仔细考虑轴承配置中的温差和热的流向。

(4)轴承的内部游隙。轴承的内部游隙分为径向游隙和轴向游隙。从理论上讲，轴承的工作游隙略为负值时，轴承的疲劳寿命最长，但在实际工作中，由于诸多不可预计的因素存在，欲使轴承保持这种理想状态比较困难，而且轴承的负游隙进一步增大时，轴承的疲劳寿命反而会显著下降。所以实际工作中轴承的工作游隙选取稍大于零的正游隙才是比较稳妥的方案。轴承游隙对轴承的寿命、旋转精度、振动、噪声、升温、摩擦阻力等有较大的影响。游隙的主要作用有:保证轴承的旋转灵活，调节轴承的负荷分布，减少零件间的摩擦，减少或消除零件因热膨胀、过盈配合引起的尺寸变化给轴承运转性能带来的不利影响，有助于润滑油膜的形成，方便轴承精度的检测。

高强度板材矫直机支承辊所选用的调心辊子轴承必须留有一定的工作游隙，轴承在运转过程中，内外套圈间会产生温度差，一般内圈(旋转)的温度高于外圈(静止)的温度，内圈受热膨胀会导致游隙减小，应选择较大的游隙。

调心辊子轴承的径向游隙分为较小组C2、普通组C0、较大组C3、C4、C5。矫直机支承辊轴承选用较大组C3 游隙。

(5)支承辊与支承辊轴承座的旋转精度要求。为了使滚动轴承能正常发挥其功能，与轴承相配的辊颈和轴承座内孔表面，均应有与轴承精度相应要求的形位公差和表面粗糙度。轴承座与支承辊的相关设计要求见图2、图3。

图2 支承辊轴承座的旋转精度要求Figure 2 Running accuracy requirement of backup roll bearing chock

图3 支承辊的旋转精度要求Figure 3 Running accuracy requirement of backup roll

(6)安装和拆卸。因矫直机支承辊轴承属易损件，要求能快速更换，以提高设备生产效率，所以应采用间隙配合与过渡配合。同时在设计轴承配置时，必须考虑在支承辊轴颈上设计加工拆卸所需的油槽和油路(如图3 所示)，利用液压泵和注油器产生强大的压力，将液压油通过设计的油路注入轴承和轴颈之间的配合面，形成油膜并把配合面分开，使配合面之间的摩擦大幅减少，便于轴承的拆卸。

综上所述，在选择轴承径向定位时，想满足所有技术要求不容易，因为有些技术条件是相互制约的。实际选用时，需根据具体使用情况解决主要问题。在本文中轴承座孔公差带选用H7，支承辊轴颈公差带选用k6。

5 矫直机支承辊轴承寿命计算实例

矫直机支承辊轴承选用SKF 球面滚子轴承24130CC/W33/C3，外形尺寸150 mm/250 mm×100 mm。以支承矫直机入口侧第三根工作辊处的单个支承辊轴承所受的平均负荷来计算，径向负荷Fr=425 kN，轴向负荷Fr=21.25 kN，转速n=50 r/min，以油气润滑。要求90%的可靠性，假设工作条件一般清洁，计算在该平均径向、轴向负荷时所选轴承的基本额定寿命、SKF 额定寿命和SKF 探索者轴承的额定寿命。