潘剑勇,刘京江,张 翔

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

步进式冷床升降装置摇臂轴承改造

潘剑勇,刘京江,张 翔

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

介绍了FQM连轧机机组步进式冷床上摇臂用滑动轴承,因使用中故障较多,造成钢管表面质量问题,维护更换不便等问题,所以在分析计算后更换原设计铜瓦为剖分式圆柱滚子轴承,并通过3个月的试用验证,效果良好。结果表明:选择合适的剖分式圆柱滚子轴承可完全替代滑动轴承,极大降低了设备运行成本,降低了维护强度,已使用2年,符合设计预期。

钢材;无缝钢管;步进式冷床;轴承;剖分;维护

1 引言

热轧无缝钢管工艺流程大致为:坯料→环炉加热→穿孔机穿孔→连轧机轧制→定径机(张力减径机)定(减)径→步进式冷床缓冷→排管锯定尺锯切,其中为保证钢管工艺性能及连续轧制工艺,在定(减)机后设置有步进式冷床,因步进式冷床运行平稳,冲击小,轧制后的钢管从冷床步进移送后因其冷却均匀,不产生弯曲,表面质量也能得到保证。

步进式冷床冷却是无缝钢管生产工艺中的一个重要工艺环节,其是钢管热轧工艺流程的最后一个环节,步进式冷床也是无缝钢管轧制设备中的重要机组组成。作用为热轧后的无缝管在线自然冷却,并能防止无缝管在其缓冷过程中因质量不等、温度不均造成的弯曲现象。目前我国钢铁行业处于寒冬期,行业性整体亏损,如何提高设备可靠性、降低设备维护成本,提高吨钢效益是所有钢铁人的共同目的。

159FQM连轧管机组中在张力减径机组后设置有步进式冷床,为齿板冷床,运行中可使钢管平移前进或踏步运行。冷床齿板安装于床体移动梁上,而移动梁的升降动作由主传动减速机驱动16个摇臂实现,其中32个主动摇臂的转轴采用滑动轴承支撑,滑动轴承为铸锡青铜铜瓦。

因工艺需求,159连轧管厂能够生产的钢管长度为11.5m～90m,故该机组中冷床为水平无倾角整体冷床,总长达90米,宽度23.61米。移动床体加齿板自重292.4吨,另有升降拉杆、摇臂及托辊总重64.1吨,步进冷床最大承载400吨。在实际使用过程中,虽冷床运行速度较慢,但由于冷床为大长度冷床,再加上床体上的钢管,最大总负荷超过750吨,因此长期处于重负荷运转状态,虽床体升降摇臂处铜瓦采用了集中润滑方式定时加润滑脂润滑,但铜瓦磨损仍然较快,尤以下方铜瓦为甚;此外,由于生产钢管规格、长度不同,床体负载不均,易造成升降摇臂处铜瓦磨损不均,床体直线度无法保证。一旦磨损量超过铜瓦油槽深度,集中润滑的润滑脂即无法加入,又会导致铜瓦磨损加剧。自投产以来,因部分铜瓦磨损严重,使得冷床移动梁升降高度不均,易造成钢管拉斜、冷却不均匀、变弯等,影响产品质量。一旦如此,整个热轧区需被迫停工,除更换铜瓦外,还需床体标高调整,设备恢复时间较长,严重影响钢管厂正常生产节奏和机组作业率。据统计,每月因铜瓦原因直接或间接造成设备停工时间约200分钟。为降低因铜瓦磨损超标造成的钢管表面缺陷,降低铜瓦磨损引起的设备停工,铜瓦的磨损可采用定期更换方式进行,但该种方式对备件消耗极大,且设备点检及维护人员均投入较大,设备维护成本高。159厂冷床升降摇臂处设计装机32组铜瓦,每组铜瓦采购单价约为4000元。投产后平均每10个月轮流更换1次,该处年设备采购费用近15.36万元;同时,因更换铜瓦造成的设备停工平均每年约40小时。

鉴于此,我们拟将此处铜瓦进行改造,目的为提高设备可靠性、延长使用寿命。具体分析为:

(1)耐磨性分析

若要提高耐磨性,除改进润滑外,更换轴承形式亦能极大缓解,铜瓦为滑动轴承,一般情况下滑动轴承摩擦系数大于滚动轴承,效率较滚动轴承低,在润滑良好的情况下,滑动轴承摩擦系数为0.08—0.12,而滚动轴承仅有0.001—0.005,远远低于滑动轴承。同时,该部位使用的滑动轴承—铜瓦为锡青铜,而滚动轴承普遍采用的材质GCr15,热处理后硬度高达60～65HRC,具有极高的硬度和耐磨性,远大于锡青铜。

(2)机械效率分析

铜瓦机械效率为0.94,而滚动轴承机械效率为0.98,可以看出:在剖分式滚动轴承选用合适的情况下,剖分式滚动轴承阻力远小于铜瓦,传递机械效率更佳,其电耗也更低,且有更好的耐磨性,能极大的延长备件更换周期(在维护良好的情况下,以攀成钢目前轧制节奏估算,专用轴承使用周期可达2年以上)和降低设备停工时间,提高有效作业率。而且能减少固体废弃物排放、减少电耗,达到节能减排的效果。

(3)承载能力分析

虽同样体积的滚动轴承与滑动轴承相比,承载能力要小得多,但原设计铜瓦外形尺寸相近的深沟球轴承6322额定动载荷为205KN,额定静载荷为178KN,以静载荷计,单个轴承承载能力约为180吨,可完全满足使用要求。虽每类轴承因设计不同有不同使用特性,应用也不同,此处以最常见的深沟球为例做说明。具体轴承选型仍需分析计算后选定。

(4)考虑到滚动轴承传动效率高,发热量小,对润滑油(脂)消耗较小,步进冷床摇臂处温度仅比正常室温高约20℃左右。

故,我们认为选择合适的滚动轴承可完全满足使用要求。

2 冷床升降设计参数及承载分析

2.1 冷床运行参数

考虑到冷床主传动功率及载荷足够,参数仅考虑摇臂转速即可。

电机转速:585rpm

减速机速比:i=99.23

摇臂转速为585/99.23≈5.895rpm。

据此,滚动轴承为低转速、缓慢摆动轴承,计算时须分别计算额定动载荷和额定静载荷,选其较大者选择轴承。

2.2 负荷统计

步进式冷床摇臂总负荷见表1。

表1 步进式冷床摇臂负荷

2.3 轴承载荷计算

2.3.1 基本额定动载荷的计算

根据不同类型机械用轴承疲劳寿命推荐值[1],选使用寿命40 000h～50 000h;

由于滚子轴承一般比具有相同外形尺寸的球轴承受较重的负荷,对于重负荷或轴径较粗的场所,宜选用滚子轴承,根据寿命因数fh值[2],选fh=3.98;

力矩载荷较小时fm=1.5,较大时fm= 2,此处选fm=2;

表2 冲击载荷因数fd

根据冲击载荷因数fd表[3],取中间值,选fd=1.5;

P总=XFr+YFa=756.5t×1000kg× 9.8N=7.414×106N,设备共安装32件轴承,考虑到安装标高及磨损程度不均等因素,选1.2系数,则P=7.414×106N×1.2/32 =278025N

根据速度因数fn值,选fn=1.435;

根据温度因数fT值,选fT=1.0;

2.3.2 额定静载荷的计算

公式C0=S0P0＜Cor(或C0a)

其中,P0=Fr=756.5t×1000kg×9.8N ×1.2÷32=278013.75N

根据旋转轴承安全因数[4](表3),选S0=1.5

则C0=278013.75×1.5=417020.625N

3 升降摇臂改造方案及选型

根据载荷计算所知,轴承选择时选额定静载荷不低于417 020.625N;铜瓦外形尺寸D270/d240—250;因该铜瓦所受载荷几乎均为径向载荷,安装时保证两侧平行度即可保证无轴向分力。故首先选择圆柱滚子轴承。

考虑到安装铜瓦的摇臂轴所受载荷较高,为保证轴的强度和刚性,不宜改型降低轴颈;同时,由于机轴所在的摇臂(图1摇臂)为整体焊接件,单重1 243.1kg,体积大(最大外形尺寸1 411×1 070×980),不论是返修还是新制,周期均较长,且成本较高。而铜瓦所处的轴承座(图2轴承座)结构简单,单重仅为161kg,相较摇臂而言,不论新制还是利旧改制均便捷。

表3 旋转轴承安全因数

根据轴承手册GB/T 283—1994标准,现有规格型号不足安装于现有设备,但NU1036以上轴承均能满足该处载荷要求。经计算分析,轴承座由现轴孔φ270增大为φ340后仍可满足强度刚性要求。同时,考虑到改造后的轴承为滚动摩擦,轴承座一般情况下不会产生磨损,为便于拆装,节约更换时间、降低更换时所需人工量和劳动强度,滚子轴承以剖分式最为便捷。

3.1 剖分式滚子轴承的设计

剖分式圆柱滚子轴承最大外径不能超过φ340;孔径不变,仍为φ240;鉴于图1中轴承座尺寸及地脚螺栓孔所限,滚子轴承宽度不得大于90mm。因无标准轴承可供选用,遂联合专业轴承公司对该非标轴承特殊设计制造。最终确定的剖分式圆柱滚子轴承见图3。

图1 摇臂

图2 轴承座

图3 剖分式圆柱滚子轴承

3.2 轴承润滑的选择

改造后的剖分式圆柱滚子轴承转速为5.895rpm,dm=(D+d)/2=285mm。

其速度系数dmn=285*5.895 =1680.075

根据选择润滑油或脂润滑的一般原则[5],经计算,dmn=1680.075。同时,为降低维检工人巡检频率,降低劳动强度,选择该剖分轴承属长时间不需维护的地方;考虑到该处设置原设置有润滑管路,遂选用脂润滑方式。

表4 选择润滑油或脂润滑的一般原则

3.3 轴承座及摇臂处轴的改造

该轴承所受载荷为摆动载荷,且为重载荷,故轴承的内外圈均应选用过盈配合。同时,由于轴承工作时为内圈转动,一般情况下,内圈与轴选用过渡或过盈配合。但因该剖分轴承仅受局部载荷,一般不选用紧配合。原设计摇臂轴尺寸公差为φ240f8(—0.05,—0.122),剖分式圆柱滚子轴承的内径为φ240f8(0,—0.03),公差合适,故不对摇臂进行改造。

由于轴承座底座已浇灌于平台基础中,更改困难,耗时较长。故剖分式圆柱滚子轴承所用的轴承座外形尺寸与原设计不变。根据剖分式圆柱滚子轴承所受载荷情况分析,轴承座应选择过渡或过盈配合;同时,一般情况下,轴承与外壳件配合选用基轴制。考虑到现场环境及作业工况,为便于轴承拆装更换,此处轴承座公差将适当放大。

图4为改造后的轴承座上盖,图5为改造后的轴承座,图六为原轴承座以做对比。

4 剖分式圆柱滚子轴承的安装、使用及维护

由于轴承改造过程中尽量与原装轴承座安装尺寸相同,改造后的轴承座可用原轴承座改制后继续上线使用。考虑到备件采购费用及采购周期,本着降低设备维护费用,缩短采购周期的原则,初期先行采购2组轴承座,待特殊制造的非标剖分式圆柱滚子轴承到货后,利用定修时间替换了线上设备(图7改造前后对比)。润滑仍选用原铜瓦用润滑系统。

图4 上盖

图5 轴承座

图6 原铜瓦用轴承座

图7 改造前后对比

经试用3个月,运行平稳无噪音。解体检查,轴承滚动体、保持架、内外圈均完好,润滑充足。仅一处剖分轴承端盖螺钉断裂。经检查调整摇臂轴与轴承同心度后未出同类现象。

自剖分式滚子轴承替代铜套以来,已稳定运行近2年,在线剖分式圆柱滚子轴承暂未出现损坏现象。日常点巡检中仅针对轴承座端盖螺栓检查紧固,每3个月对轴承内部润滑检查,极大降低了维检工人点巡检频率,轴承上线所用人工及耗时亦极大减少。

5 结论

通过对冷床升降系统结构、工作原理及现场实际分析计算后,对升降摇臂轴承形式进行改造后取得了显著成果:剖分式圆柱滚子轴承替代铜瓦两年以来,节约备件采购费用25万元;相较原设备避免了约80个小时的设备停工;由于机械效率提高,年节约电耗:69 120Kwh;改造前每年需更换铜瓦约38套,每套铜瓦重36kg,改造后不需更换铜瓦,年减少固体废弃物排放:1382.4kg。

对比铜瓦与剖分式滚动轴承机械性能,可以看出:在剖分式滚动轴承选用合适的情况下,剖分式滚动轴承阻力远小于铜瓦,传递机械效率更佳,有更好的耐磨性,极大延长备件更换周期,降低工厂设备停工时间,提高有效作业率。

[1] 秦大同,谢同阳.现代机械设计手册·第2卷.北京:化学工业出版社,2011.037—35.

[2] 成大先.机械设计手册·第2卷.北京:化学工业出版社,2004.09:7—200～7—201.

[3] 成大先.机械设计手册·第2卷.北京:化学工业出版社,2004.09:7—203.

[4] 成大先.机械设计手册·第2卷.北京:化学工业出版社,2004.09:7—205.

[5] 成大先.机械设计手册·第2卷.北京:化学工业出版社,2004.09:7—225.

Walk beam cooling bed lifting device rotary arm bearing reform

LIU Jing-jiang,PAN Jian-yong,ZHANG Xiang

(Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co.,Chengdu 610303,China)

Introducing FQM pipe plant's walk beam cooling bed's lifting device rotary arm bearings.Because of more breakdown in using,the bearings cause the pipe surface quality problems and serious maintenance problem.In order to avoid these problem,these copper tiles were replaced by split cylindrical roller bearings according to analysis and calculation.It worked well in three months's test period.The results showed that the appropriate split cylindrical roller bearings can completely replace plain bearings.This improvement greatly reduce the equipment's running cost and maintenance intensity.By using for two years,It achieve the desired results.

steel;seamless pipe;walk beam cooling bed;bearing;split;maintenance

1001—5108(2016)03—00101—06

TG333.2

A

潘建勇,机械工程师,主要从事机械设备管理及维护技术工作。