摘要：简要说明了轧辊轴承的工作特点，分析了影响轧辊轴承使用寿命的因素，阐明了轧辊轴承的使用，对窄带钢热轧机轴承降耗有一定指导作用。
关键词：窄带钢热轧机；轧辊轴承；使用寿命；消耗
1前言
攀钢长城特殊钢股份有限公司焊管钢丝厂使用的热轧机是窄带钢热轧机,轧机轴承主要是滚动轴承。轴承的承载能力在静态时表现为滚动体和滚道接触处的抗塑性变形量的大小,在动态时表现为轴承滚道和滚动体工作表面的材料抗疲劳剥落的能力,因此轴承承载能力的大小是选择和计算轴承使用寿命的重要依据。
滚动轴承的损坏现象有：剥落、磨损、断裂、温升、异常声响、振动超差、精度下降等多种形式。这些损坏产生的原因大多数是属于轴承的使用方法不当和维护不善,同时也有轴承的制造和设计方面的问题,如果排除使用不当的因素及轴承加工设计的缺陷,则可以认为：在转动过程中,轴承滚动表面材料所承受的交变接触应力是轴承损坏的主要原因,轴承损坏的主要形式是由滚动疲劳而引起的材料剥落。在轴承的整个使用过程中,不论使用合理与否,滚动疲劳是不能避免的,因此可将轴承滚动工作表面材料的疲劳剥落损坏狭义地简称为滚动轴承的寿命终止。
广义的轴承寿命可以理解为：当轴承的噪音、振动、精度等技术性能参数超过初始值,并无法满足机械设备需要时,可称为轴承的“噪音寿命”、“精度寿命”的终止。对填有润滑脂的密封轴承,当因润滑脂失效而导致轴承无法正常运转时,则又可称为“润滑脂寿命”的终止。
由于热轧机轴承的消耗较大,研究其轴承的使用寿命,对减少轴承消耗,降低窄带钢生产成本具有重要意义。
2 轧辊轴承的工作特点
轧辊轴承是轧钢机工作机座中的重要部件,其特点有：
（1）工作负荷大：由于轧辊的辊身直径应保证强度,而轴承座外形尺寸不应大于辊身最小直径。因而,轧辊轴承的外形尺寸受到限制,单位负荷大。通常轧辊轴承的单位压力,比一般用途的轴承高2～4倍,甚至更高。
（2）运转速度差别大：从JP1—JP6速度相差几倍。
（3）工作环境恶劣：轧制时,轧辊都要用水冷却且有氧化铁皮飞溅。
3 影响轧辊轴承使用寿命的因素
3．1 滚动轴承的工作转速（转／分）、当量动负荷Ｐ、及轴承额定动负荷Ｃ与轴承使用寿命的关糸
根据滚动轴承使用寿命的一般计算公式,轴承的额定动负荷Ｃ、当量动负荷Ｐ及工作转速ｎ与轴承使用寿命的关糸为：
由上式可知,在选择轴承型号时,应尽可能选择额定动负荷Ｃ较大的轴承,以提高轴承的使用寿命,工作转速ｎ,则由设计时确定,不易改变,当量动负荷Ｐ受实际使用因素较多影响,较难控制。
3．2 滚动轴承的径向游隙和轴承使用寿命的关糸
由于滚动轴承的径向游隙的大小,直接影响到轴承内部负荷分布状况,特别会影响到轴承内最大滚动体负荷的变化,因此轴承的径向游隙是影响轴承使用寿命的一个重要因素。
轴承的径向游隙可以是正值,也可以是负值。当轴承径向游隙约为负值时,即负荷率为0.7～0.8时,轴承的使用寿命最长。当负荷率小于0.5时,由于轴承内负荷区域减小,最大滚动体负荷增大,因而轴承的使用寿命明显下降。当负荷率大于0.8时,轴承处于过大的负游隙状况下工作,轴承发热量大,使用寿命下降更明显。
3．3 滚动轴承工作温度和轴承使用寿命的关糸
其关糸主要体现在许容动负荷Ｃ值的降低,工作温度越高,许容动负荷Ｃ值越低,进而轴承的使用寿命就越低。
3．4 滚动轴承材料的硬度和轴承使用寿命的关糸
滚动轴承工作表面材料的硬度对轴承使用寿命的影响,主要反映在滚动轴承额定动负荷Ｃ值的下降,轴承元件的材料表面硬度一般为HRC58-64,如果轴承元件的材料表面硬度低于上述范围,则额定动负荷Ｃ有下降趋势。
3．5 钢材熔炼法和轴承寿命的关糸
钢材中的非金属夹杂物对接触疲劳会产生不利的影响,在金属表层下的不易塑性变形的氧化物、夹杂物和材料基体之间,在外界交变应力的作用下易产生疲劳裂纹。钢材中非金属夹杂物数量越多,则轴承的疲劳寿命越低。要减少钢材中非金属夹杂物,必须采用有效的冶炼方法,用真空熔炼多次较好。当钢材经多次熔炼后,虽然轴承的疲劳寿命有所提高,但钢材的成本却显得太昂贵。因此,对于重要的轴承材料常采用真空重熔炼一次或真空脱气精炼后的钢材,这时轴承的使用寿命已足以满足其性能要求。
3．6 轴承材料表层残留应力与轴承使用寿命的关糸
轴承元件在热处理过程中,如处理不当会产生较大的热应力；在磨削过程中如冷却不充分或磨削量太大,也会产生磨削应力；在轴承和轴壳配合时,因配合过盈量太大,也会产生配合应力；甚至轴承工作表面的有害缺陷,也会引起材料表层残留应力的变化。一般情况下，这些由外界因素所产生的材料表面额外的残留应力都属于正应力。（拉应力）
一个通过正常冷热加工的和正确使用的轴承,在其工作表层应残留负应力（压应力）。
材料表层的残留压应力,可抑制疲劳裂缝的产生和扩展速度,从而延长轴承疲劳寿命。与此相反,残留拉应力却会降低轴承的疲劳寿命。
3．7 润滑对轴承使用寿命的关糸
实践证明：当润滑油高度清洁时,即轴承的润滑状态处于最佳时,滚动轴承是耐疲劳的。但轴承在多数情况下处于混合摩擦状态,也就是说滚动轴承的滚动工作表面,尽管有足够的润滑油,但并不能形成全油膜状态,润滑油内含杂质越多,混合摩擦越多,润滑状态越差,轴承使用寿命越低。
3．8 轴承的加工工艺和轴承使用寿命的关糸
轴承的使用寿命,并非仅仅依据钢材的化学成分,而且还与轴承制造的工艺密切有关。
3．8．1 纤维流线与锻压比
滚动接触面的钢材纤流线的分布和疲劳寿命有很大的关糸。研究表明：纤维流向与接触表面垂直时,寿命一般较低,也即材料的疲劳破坏常发生在表面有纤维露头的地方。而当纤维流向与接触表面平行时,寿命最佳。轴承毛坯在锻压时,当锻压比较大时,可使材料晶格微细化,非金属夹杂物破裂,晶粒流向一致,因此材料的疲劳寿命就高一些。从材料的纤维流线分布考虑,钢球的球极及环带部位以及用棒料车削的套圈对疲劳寿命是不利的,而经辗压沟道的套圈毛坯具有较长的疲劳寿命。
3．8．2 正确的热处理工艺
一般轴承钢材经淬火和回火后?其金相组织应为细针状和细粒状的80％以上的马氏体,5％～10％的残留奥氏体及7％左右的未溶碳化物组成。当轴承钢材经热处理后,出现粗大颗粒的碳化物或马氏体的含碳量过低时,材料的疲劳寿命会下降。当马氏体的含碳量增大（超过0.5％）,则会出现马氏体的脆性。残留奥氏体的含量可以提高材料的抗疲劳性能,但不稳定的残留奥氏体会影响轴承的几何尺寸稳定性。
3．8．3 机械加工工艺的合理性
机械加工中磨削和超精研磨是轴承元件的终加工的关键,对轴承使用性能有着重要的影响。轴承工作表面的粗糙度的合理性,是保证良好润滑的条件,过大的粗糙度,则会造成油膜形成困难,从而导致切向力增大,使用寿命缩短。在磨削过程中,如冷却不充分,磨削进给量太大,磨削区域内温升太高,则材料表面会出现二次火层,会导致轴承疲劳寿命的下降。
3．9 安装精度和轴承使用寿命的关糸
安装精度的下降,特别是滚子轴承在安装中的过大倾斜度,将会严重影响到轴承的内部负荷的正常配,造成有害的应力集中,导致轴承使用寿命明显下降。
4 轧辊轴承的使用
4．1 二辊轴承与支承辊轴承
轴承的转速、额定动负荷以及当量负荷是计算轴承寿命的的基本参数。对轧机轴承来说,因其特殊的工况条件,选择参数受到限定,即轴承所能承受的当量负荷,应当在其额定动负荷值的30％以下,否则轴承负载过重。
轧机轴承的额定寿命与该轴承负荷比值的10／3次方成正比,在相同外型尺寸下,四列圆柱滚子轴承要比四列圆锥滚子轴承的额定动负荷值高15％以上,所以前者比后者的额定寿命要高出60％。二辊轴承与支承辊轴承的选型对窄带钢轧机有着举足轻重的作用,并且二辊轴承与支承辊轴承在前几年的消耗量一直较大,近两年选择负荷能力较大的四列圆柱滚子轴承,收到了明显效果,吨钢轴承消耗大幅下降。另外由于负荷角的大小与轴承游隙成反比,为了使四列圆柱滚子轴承有较大的负荷能力,选用了游隙较小的轴承。
轧机轴承的精度等级对使用寿命也有影响。由于轧机转速的限定,二辊轴承与支承辊轴承的动压润滑油膜一般较薄,因此高精度等级的轴承因具有较低的滚道表面粗糙度,故而能使油膜的连续性保持得更好,润滑更理想。因此选用了P6级精度的轴承。
如轴承座设计和制造不当,将导致轴承受力不均,降低轴承寿命。对轴承座的要求是：轴承座负荷区应留有足够的壁厚,一般情况下,不应小于轴承直径的1/3。轴承座应具有调心性,避免因轧辊挠曲变形而使轴承受到偏载。应以调整好的机架窗口衬板为基面,保持轴承座孔轴线与之平行。在每次安装轴承时检查轴承座孔圆柱度是否符合要求,保证轴承有较好的受力状态。
4．2 工作辊轴承
窄带钢热轧机工作辊受到的较强的冲击负荷,大部分传递给支撑辊,而一部分轴向冲击则作用在工作辊轴承上。轴向冲击力产生的主要原因是窗口基面衬板调整不当,致使两轧辊轴线不平行,轧辊轴线夹角越大,轧钢时产生的轴向力也越大。轴向冲击力不但会损坏工作辊的定位轴承,有时还会使轴承座压盖变形,甚至顶断紧固螺栓。为此,一定要调整好基面衬板,这是减小轴向冲击力,保护工作辊轴承的重要措施。
对于带钢轧机,轧辊轴向窜动量越大,轴向冲击力也越大。因此要经常检查工作辊轴承座是否已压紧,有无松动。尤其是操作侧轴承座与机架窗口间一定要轴向无间隙固定,尽可能增加刚性以减小对轴承的冲击，同时要尽量减小传动侧轴承座与机架窗口的配合间隙,以减缓传动轴跳动对轴承产生的冲击。
为了加大工作辊轴承轴向负荷能力,采用了四列圆锥滚子轴承。
4．3 轴承的润滑和密封
锂基、铝基、聚脲基润滑脂都是轧机轴承理想的润滑剂。对于低速、重载的窄带钢轧机,为了在轴承滚道上形成动压油膜,要求这些润滑脂基础油有较高的粘度,一般不低于ｍｍ2／s。润滑脂应含有极压添加剂,在一定温度下与轴承滚道合成极压膜,低速时能起到减磨作用。因此采用了二硫化钼锂基脂润滑油。
窄带钢热轧机通常受到较强的冲击负荷,轴承震动大,润滑脂易流失。因此要求润滑脂有较强的粘附性,可以牢牢地附着在零件表面,一部分在滚道上润滑轴承,其余部分保存在轴承内部空间起密封作用。
密封不良也是轧机轴承损坏的一个主要原因。如果外界污物侵入轴承座内,最先污染的是靠近外侧的润滑脂,使轴承零件表面出现磨损,随着污物的增加,磨损面会不断扩大,沿圆周方向形成裂纹并逐渐扩展,最终使套圈开裂。严重时还会报废轧辊、轴承座等相关部件。为此安装了油封装置。
5 轴承的使用寿命计算
使用的轧辊轴承是滚子轴承,其额定疲劳寿命计算公式为：
实际使用过程中,润滑效果与轧辊轴向窜动对轴承的有效使用寿命影响最大。
6 结束语
经过对轧辊轴承使用寿命近两年的研究与实践,极大地提高了轧辊轴承使用寿命,大幅度降低了轧辊轴承的吨钢消耗,降低了窄带钢生产成本。
［1］黄华清．轧钢机械．北京：冶金工业出版社,,70～83
［2］《机械设计手册》联合编写组编，机械设计手册（上册,第二分册）．北京：化学工业出版社,：～,～
［3］徐灏．机械设计手册（第4卷）．北京：机械工业出版社,,28～3,28～75
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