中型型鋼軋機滾動軸承化改造
2009-11-26申光憲，史國明，李明，朱鳳華，徐言忠
摘要：利用軋機微尺度理論進行了Φ600mm中型型鋼軋機膠木瓦軸承的滾動化改造，研制了空間自位靜定輥系、防止軋輥動態交叉機構和分力支座機構，以確保軋機空／輕載和重載不同丁況下的靜定條件，延長滾動軸承、軋輥軸向調節螺紋副和密封機構的工作壽命。近1年的運行表明，軸承壽命長，產品尺寸精度高，Φ140～Φ150mm圓鋼的長、短徑差可控制在0.8mm以下。
關鍵詞：中型軋機；滾動軸承；微尺度理論；空間自位靜定輥系；分力支座
1 前言
20世紀50年代問世的半封閉式型鋼軋機廣泛應用于型鋼粗軋、中軋及多品種小批量的大、中型型鋼軋制。軋機軸承采用膠木瓦滑動軸承，利用水潤滑和冷卻，維修簡單方便，因而至今仍在大、中型棒材，型材及翼緣板生產中發揮著主干作用。然而，由于膠木瓦軸承引起的軋輥彈跳值大；軋輥軸向竄動量大，嚴重制約產品尺寸精度的提高，成材率較低，成本較高。如GB702—72要求Φ40～Φ80mm圓鋼精度為±(Φ0.6～Φ0.8 mm)，但現在用戶要求精度達到±Φ0.2mm之內。因此，在繼續保留使用半封閉式機架前提下，用多列滾動軸承置換膠木瓦軸承(膠木瓦的彈性模量是鋼鐵的1/20)非常必要。
半封閉式型鋼軋機滾動軸承化技術改造，國內外從20世紀60年代開始至今已有40多年歷史。然而，由于受軋機設計理論和軋機結構的限制，軋機滾動軸承化改造雖然提高了軋材的精度，但大部分國產滾動軸承異常短壽，燒損事故頻發，有些廠家甚至頻繁發生軋輥輥頸折斷事故，因此不得不恢復使用膠木瓦軸承。
在天鐵軋二制鋼有限公司Φ600mm半封閉式軋機滾動軸承化改造中，采用了具有自主知識產權的軋機微尺度理論、國產滾動軸承和原軋機機架平臺，經一年使用表明．效果很好。
2 滾動軸承化改造的技術特點
對原膠木瓦軸承Φ600mm半封閉式中型軋機采用國產四列短圓柱滾動軸承和雙列圓錐止推軸承改造后的結構見圖1。在原半封閉式機架繼續使用的前提下，為解決四列短圓柱滾子軸承規格受機架窗口跨度限制的問題，設計時應用了軋機微尺度理論，其結構特點主要包括空間自位型微尺度等效靜定輥系、防止軋輥動態交叉機構和軸承座外載荷分力支座等。
關鍵詞：中型軋機；滾動軸承；微尺度理論；空間自位靜定輥系；分力支座
1 前言
20世紀50年代問世的半封閉式型鋼軋機廣泛應用于型鋼粗軋、中軋及多品種小批量的大、中型型鋼軋制。軋機軸承采用膠木瓦滑動軸承，利用水潤滑和冷卻，維修簡單方便，因而至今仍在大、中型棒材，型材及翼緣板生產中發揮著主干作用。然而，由于膠木瓦軸承引起的軋輥彈跳值大；軋輥軸向竄動量大，嚴重制約產品尺寸精度的提高，成材率較低，成本較高。如GB702—72要求Φ40～Φ80mm圓鋼精度為±(Φ0.6～Φ0.8 mm)，但現在用戶要求精度達到±Φ0.2mm之內。因此，在繼續保留使用半封閉式機架前提下，用多列滾動軸承置換膠木瓦軸承(膠木瓦的彈性模量是鋼鐵的1/20)非常必要。
半封閉式型鋼軋機滾動軸承化技術改造，國內外從20世紀60年代開始至今已有40多年歷史。然而，由于受軋機設計理論和軋機結構的限制，軋機滾動軸承化改造雖然提高了軋材的精度，但大部分國產滾動軸承異常短壽，燒損事故頻發，有些廠家甚至頻繁發生軋輥輥頸折斷事故，因此不得不恢復使用膠木瓦軸承。
在天鐵軋二制鋼有限公司Φ600mm半封閉式軋機滾動軸承化改造中，采用了具有自主知識產權的軋機微尺度理論、國產滾動軸承和原軋機機架平臺，經一年使用表明．效果很好。
2 滾動軸承化改造的技術特點
對原膠木瓦軸承Φ600mm半封閉式中型軋機采用國產四列短圓柱滾動軸承和雙列圓錐止推軸承改造后的結構見圖1。在原半封閉式機架繼續使用的前提下，為解決四列短圓柱滾子軸承規格受機架窗口跨度限制的問題，設計時應用了軋機微尺度理論，其結構特點主要包括空間自位型微尺度等效靜定輥系、防止軋輥動態交叉機構和軸承座外載荷分力支座等。
2.1 采用空間自位型微尺度等效靜定輥系
空間自位型微尺度等效靜定輥系為2桿3低副桿系，在軋制間歇即空/輕載荷和軋制重載荷及其切換交替運行狀態下都能保持靜定條件，并可確保軸承座跟隨軋輥彎曲變形引起的輥頸空間傾斜而自動擺動，因而四列短圓柱滾子軸承、雙列圓錐止推軸承、軸承密封機構和軋輥軸向調節機構螺紋副載荷均勻，運行穩定且長壽。
空間自位輥系各部位鉸鏈副包括上輥凸球面墊和凹球面墊(見圖1)、軸承座與機架立柱接觸面球鉸鏈副(見圖2)、軸承座與機架立柱及軸向固定擋板組成的球鉸鏈副(見圖3)、平衡器球面墊(見圖4)。
空間自位型微尺度等效靜定輥系為2桿3低副桿系，在軋制間歇即空/輕載荷和軋制重載荷及其切換交替運行狀態下都能保持靜定條件，并可確保軸承座跟隨軋輥彎曲變形引起的輥頸空間傾斜而自動擺動，因而四列短圓柱滾子軸承、雙列圓錐止推軸承、軸承密封機構和軋輥軸向調節機構螺紋副載荷均勻，運行穩定且長壽。
空間自位輥系各部位鉸鏈副包括上輥凸球面墊和凹球面墊(見圖1)、軸承座與機架立柱接觸面球鉸鏈副(見圖2)、軸承座與機架立柱及軸向固定擋板組成的球鉸鏈副(見圖3)、平衡器球面墊(見圖4)。
采用軋機滾動軸承承載特性邊界元法模擬軸承承載分布，如式(1)、式(2)所示：
Hk:Uk=Gk:tk , k=A，B (1)
式中，H，U，G，t分別為是物體的位移、面力影響系數、位移矩陣、面力矩陣。
將物體A、B的矩陣方程按接觸邊界條件耦連起來，可得總體矩陣方程：
CX=F+U(δ) (2)
式中，C為影響系數矩陣；X為未知載荷和位移；F為已知載荷和部分位移；U(δ)為已知縫隙位移。
由文獻可知，空間自位效果是四列滾子軸承每列均載；不自位則輥身側滾子載荷比均載荷大2倍以上，軸承壽命會因此降低至原來的1/10。
2.2設置防止軋輥動態交叉機構
軋輥軸承座和機架窗口構成有隙運動副。為方便軸承座的裝拆和考慮熱膨脹補償而留有的間隙，在軋制工況下會因為軋輥問陀螺進動一熱脹縮對動的微尺度交叉行為，而造成異常的軸向力，危害止推軸承壽命。為了防止上、下軋輥的動態交叉微尺度行為，設置了幾何牽制機構螺紋副千斤頂，軋制時控制為無隙狀態，并留有軸承座熱膨脹空間，如圖5所示。實踐證明，該機構能有效防止軋輥動態交叉，還可防止咬鋼和甩鋼場合的沖擊晃動，輥系穩定可靠。
Hk:Uk=Gk:tk , k=A，B (1)
式中，H，U，G，t分別為是物體的位移、面力影響系數、位移矩陣、面力矩陣。
將物體A、B的矩陣方程按接觸邊界條件耦連起來，可得總體矩陣方程：
CX=F+U(δ) (2)
式中，C為影響系數矩陣；X為未知載荷和位移；F為已知載荷和部分位移；U(δ)為已知縫隙位移。
由文獻可知，空間自位效果是四列滾子軸承每列均載；不自位則輥身側滾子載荷比均載荷大2倍以上，軸承壽命會因此降低至原來的1/10。
2.2設置防止軋輥動態交叉機構
軋輥軸承座和機架窗口構成有隙運動副。為方便軸承座的裝拆和考慮熱膨脹補償而留有的間隙，在軋制工況下會因為軋輥問陀螺進動一熱脹縮對動的微尺度交叉行為，而造成異常的軸向力，危害止推軸承壽命。為了防止上、下軋輥的動態交叉微尺度行為，設置了幾何牽制機構螺紋副千斤頂，軋制時控制為無隙狀態，并留有軸承座熱膨脹空間，如圖5所示。實踐證明，該機構能有效防止軋輥動態交叉，還可防止咬鋼和甩鋼場合的沖擊晃動，輥系穩定可靠。
2.3設置分力支座
設置分力支座，優化軸承座的外載分布形式，將原集中載荷一分為二。據式(2)計算結果，四列短圓柱滾子軸承載荷峰值可降低約40％，見圖6，相應地提高了軸承的承載能力。
設置分力支座，優化軸承座的外載分布形式，將原集中載荷一分為二。據式(2)計算結果，四列短圓柱滾子軸承載荷峰值可降低約40％，見圖6，相應地提高了軸承的承載能力。
2.4軋機橫向剛度高
采用滾動止推軸承，使軋機橫向剛度提高了幾十倍。天鐵軋二Φ600mm中型軋機主要生產Φ140～Φ150mm大圓鋼，由于導衛和操作等原因，橢圓軋件進圓孔型時容易發生因軋件不正而對軋輥軸向沖擊較大的現象，使成品孔型錯槽嚴重，影響產品尺寸精度。將膠木瓦軸承改成滾動軸承，并設置滾動止推軸承后，成品圓鋼的長徑和短徑差100％能控制在0.8 mm以下。
3 結語
天鐵軋二Φ600mm軋機滾動軸承化改造后，軋機縱向動態剛度波動小，大圓鋼成材率提高了5％，且實現了350mm翼緣板的負偏差軋制。
經10個月運行表明，滾動軸承運轉正常，軸承消耗成本可降至每噸鋼5元，由此節約備件投入600萬元/年。另外，若該廠橫列式軋機全部實行軸承化改造后，估算可節約驅動電能5％。
作者單位：
申光憲，李明 （燕山大學機械工程學院）
史國明，朱鳳華，徐言忠 (天津市天鐵軋二制鋼有限公司)
采用滾動止推軸承，使軋機橫向剛度提高了幾十倍。天鐵軋二Φ600mm中型軋機主要生產Φ140～Φ150mm大圓鋼，由于導衛和操作等原因，橢圓軋件進圓孔型時容易發生因軋件不正而對軋輥軸向沖擊較大的現象，使成品孔型錯槽嚴重，影響產品尺寸精度。將膠木瓦軸承改成滾動軸承，并設置滾動止推軸承后，成品圓鋼的長徑和短徑差100％能控制在0.8 mm以下。
3 結語
天鐵軋二Φ600mm軋機滾動軸承化改造后，軋機縱向動態剛度波動小，大圓鋼成材率提高了5％，且實現了350mm翼緣板的負偏差軋制。
經10個月運行表明，滾動軸承運轉正常，軸承消耗成本可降至每噸鋼5元，由此節約備件投入600萬元/年。另外，若該廠橫列式軋機全部實行軸承化改造后，估算可節約驅動電能5％。
作者單位：
申光憲，李明 （燕山大學機械工程學院）
史國明，朱鳳華，徐言忠 (天津市天鐵軋二制鋼有限公司)