袁海永，李明，周軍

（寧波寶新不銹鋼有限公司）

摘　要：結(jié)合二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，論文分析了軸承在使用過程中出現(xiàn)外圈爆裂的機(jī)理及原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并進(jìn)行了實(shí)際使用驗(yàn)證。

1、引言

支承輥軸承作為二十輥軋機(jī)關(guān)鍵輥系組成部分，直接影響軋機(jī)的可靠性、安全性、壽命及軋制帶鋼的質(zhì)量。支承輥軸承本身要求精度非常高，旋轉(zhuǎn)精度需達(dá)到P4級以上。軸承需要定期維護(hù)，以保證使用質(zhì)量。

寶新公司有兩臺二十輥SUNDWIG四立柱單機(jī)架可逆式軋機(jī)，Z大軋制力800t，Z高速度800m/min。該型軋機(jī)支承輥軸承共有8根，位置呈六邊形分布，位于6根二中間輥外側(cè)，每根為9段式軸承結(jié)構(gòu)為雙列圓柱滾子軸承，無止推墊片，有分離式擋邊圈。在前期生產(chǎn)過程中，支撐輥易出現(xiàn)外圈爆裂剝落現(xiàn)象，給現(xiàn)場正常生產(chǎn)及質(zhì)量控制造成較大影響。其主要失效表現(xiàn)形式為：外圈軸向出現(xiàn)嚴(yán)重開裂剝落，外圈擋邊開裂剝落等，如圖1、圖2。

2、支承輥軸承外圈爆裂原因分析

2.1、軸承材質(zhì)、硬度檢測分析

通過對外圈爆裂軸承和正常軸承硬度進(jìn)行檢測對比，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，如表1、表2；對材質(zhì)進(jìn)行檢測對比，在微觀組織下，外徑側(cè)、滾道側(cè)的馬氏體組織都呈現(xiàn)良好的組織情況，另外，內(nèi)部因?yàn)槭侨夂衿罚_認(rèn)有托氏體，如圖3、圖4。因此后續(xù)重點(diǎn)對軸承的受力情況和軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查分析。測定位置從各零件的側(cè)面測定（滾子為端面），表面硬度測定結(jié)果如下。從上兩表數(shù)據(jù)分析，爆裂軸承和正常軸承的區(qū)別在于，內(nèi)圈的表面硬度不同，其它部分，爆裂軸承和正常軸承都具有相同的表面硬度。外圈、內(nèi)圈、擋圈為60HRC左右的表面硬度，滾子為64HRC程度的高硬度。

2.2、受力分析

2.2.1、整根支承輥軸承受力分析

圖5為整根支承輥軸承承受載荷、單個(gè)軸承兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道接觸受力大小情況。軋制過程中整根支承輥軸承受撓曲變形影響，中間軸承5受力Z大，考慮到中心位置附件撓度曲率變化較小，可近似的認(rèn)為軸承5受均勻的壓力。但出于兩側(cè)的軸承（特別是3、4、6、7）由于撓度曲率變化較大，受力情況將有所變化。

以軸承6為例，如圖6所示，由于軸承面以及滾動(dòng)體等塑性變形的影響，芯軸的撓度將遠(yuǎn)小于二中間輥，因此，軸承所受壓力F將于芯軸成一定角度。故分解后，軸承將受到一個(gè)平行于芯軸方向的軸向力F1，軸向分力F1依靠軸承滾道側(cè)壁及擋邊抵消。若軋制力過大或者凸度設(shè)計(jì)不合理，將使支承輥軸承撓度增大，從而增大軸向分力F1。一旦分力F1超過軸承設(shè)計(jì)承受能力，將使?jié)L動(dòng)體端面、軸承側(cè)壁及擋圈磨損，如圖2，以至Z后剝落及開裂。同時(shí)，由于撓度的存在，將使兩側(cè)滾動(dòng)體受力不均勻，形成偏載，靠近中心位置側(cè)受力較大，遠(yuǎn)離中心位置側(cè)受力較小，若偏載過大，將導(dǎo)致偏載側(cè)滾道磨損嚴(yán)重，甚至剝落開裂。Z終撕裂外圈，如圖7。

2.2.2、輥系受力分析

如圖8，若軋制線前后高度不一致，將使整個(gè)輥系受力不均，軋制時(shí)將產(chǎn)生軸向分力，作用于支承輥軸承上將導(dǎo)致滾動(dòng)體端面、軸承側(cè)壁及擋圈磨損。軋制過程中一中間輥橫向竄動(dòng)，竄動(dòng)力將通過摩擦力反作用于二中間輥，Z后傳遞到支承輥軸承上。若一中間輥竄動(dòng)力過大，也可能導(dǎo)致軸向力過大。因此，應(yīng)該減小竄動(dòng)過程中的摩擦力。考慮到壓力的不可控，因此，應(yīng)盡量減小一中間輥和二中間輥的摩擦因子。

2.2.3、軋制力情況分析

表3為軋機(jī)正常軋制階段、異常軋制階段及各支承輥爆裂階段軋制鋼種占比平均數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出：（1）正常階段與異常階段軋制各鋼種比例未發(fā)生較大變化；（2）支承輥軸承爆裂多發(fā)生于軋制200/300系鋼種階段，即軋制力較大階段。

2.3、軸承結(jié)構(gòu)分析

目前國內(nèi)不銹鋼冷軋廠同類型二十輥SUNDWIG軋機(jī)使用NSK等進(jìn)口軸承軋制過程中也存在軸承外圈爆裂問題，而且軋制工況比寶新好，如軋制力比寶新小。結(jié)合現(xiàn)場工況，該軸承實(shí)際已經(jīng)無法承受寶新公司SUNDWIG軋機(jī)軋制負(fù)荷的能力，故對軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行分析。

2.3.1、外圈輥型分析

如圖9所示，二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承分布有兩列滾動(dòng)體，由于軸承外圈輥面采用中部水平，兩端倒角的設(shè)計(jì)，理論上單個(gè)支承輥軸承設(shè)計(jì)的受力區(qū)域?yàn)閮啥说菇翘幤蛴谳S承中心5~10mm處（如圖9、圖10中①、③位置），該受力位置對應(yīng)滾動(dòng)體倒角區(qū)域，兩處疊加不利于軸承的使用壽命。

2.3.2、外圈結(jié)構(gòu)分析

（1）圖11為外圈結(jié)構(gòu)示意圖，外圈設(shè)計(jì)有擋邊，軋制過程中承受一定軸向力，長時(shí)間的使用會導(dǎo)致滾動(dòng)體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損拉毛，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生擋邊擠爆開裂。

（2）外圈擋邊的存在使檢查存在盲點(diǎn)，滾動(dòng)體無法取出對外圈滾道進(jìn)行全面仔細(xì)的檢查，小剝落、小裂紋等缺陷的檢查會出現(xiàn)遺漏，造成嚴(yán)重的爆裂、卡阻等生產(chǎn)事故。

（3）外圈肉厚為40mm，其強(qiáng)度本身無法滿足寶新公司現(xiàn)有軋制工況。綜合以上分析，導(dǎo)致SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承爆裂可能原因?yàn)椋?/p>

（1）受力異常導(dǎo)致支承輥軸承爆裂。軋制力過大、凸度設(shè)計(jì)不合理，軋制線傾斜以及一中間輥竄動(dòng)力過大均有可能產(chǎn)生較大軸向力，若超過軸承承受極限，則造成軸承橫向撕裂。

（2）軸承外圈結(jié)構(gòu)、輥型設(shè)計(jì)不合理造成支承輥軸承爆裂。單個(gè)軸承外圈倒角應(yīng)力集中位置與滾動(dòng)體倒角位置重疊，造成軸承倒角位置承載能力薄弱。外圈設(shè)計(jì)有擋邊，承受軸向力時(shí)會導(dǎo)致滾動(dòng)體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損擠爆開裂，而且在維護(hù)時(shí)也不便檢查外圈內(nèi)滾道使用狀態(tài)，存在維護(hù)盲點(diǎn)。

3、解決措施

3.1、改善軸承受力狀態(tài)

（1）軸承下機(jī)調(diào)壓力區(qū)時(shí)，標(biāo)注軸承的操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)位置，檢查軸承內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體無異常后，單個(gè)軸承軸向旋轉(zhuǎn)180°后在原位置重新組裝。避免出現(xiàn)單側(cè)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道長期出現(xiàn)偏載的情況，使兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外圈在多次使用過程中能夠得到相對均勻的承載。

（2）調(diào)整大軋制力鋼種（300系及200系鋼種）的軋制規(guī)格，規(guī)定其Z大壓下率、Z小可軋制厚度和可軋寬度并調(diào)整特定規(guī)格的壓下率和道次分配數(shù)。

（3）調(diào)整SUNDWIG軋機(jī)一中間輥竄動(dòng)速度，提高竄動(dòng)速度以及起始竄動(dòng)速度，減小整個(gè)輥系竄動(dòng)過程中的軸向力。

（4）增大二中間惰輥凸度，補(bǔ)償支承輥撓度。

3.2、改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)

調(diào)整軸承外圈輥型。保證軸承外徑誤差在10mm范圍之內(nèi)的同時(shí)，加大單個(gè)軸承的倒角寬度，由原來的15mm調(diào)整至20mm，斜率不變。雖然軸承承載面減少，降低了軸承承受載荷的能力，但理論上可以減少滾動(dòng)體產(chǎn)生塑性變形后外側(cè)倒角區(qū)域和外圈滾道面的應(yīng)力集中，使兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道受力更加均勻，從而降低軸承外圈開裂的概率。

改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)及熱處理方式。由于軸承的外形尺寸無法改變，其主要失效形式為外圈爆裂，只能從軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上設(shè)法提高軸承外圈的承載能力和使用壽命。主要變動(dòng)為外圈壁厚增加，內(nèi)圈、滾動(dòng)體直徑減小。采用中擋邊形式，便于維護(hù)檢查和軸承內(nèi)部的剝落顆粒排出。在此基礎(chǔ)上對外圈熱處理工藝進(jìn)行了提升，提高軸承的抗沖擊韌度和斷裂韌度，外圈內(nèi)滾道面進(jìn)行滲碳處理，以提高其表面抗疲勞性。改進(jìn)型軸承示意圖如圖12。

3.3、保證裝配質(zhì)量

組裝維護(hù)時(shí)，做好對軸承本身滾道、滾動(dòng)體、擋邊、保持架的檢查，并使用壓縮空氣對芯軸及潤滑孔進(jìn)行吹掃，清除異物。

4、實(shí)際使用情況驗(yàn)證

SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承改善受力狀態(tài)和潤滑條件后，經(jīng)過半年跟蹤，由改進(jìn)前的月均2.2次，降低為改進(jìn)后的0.51次；改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過半年的跟蹤，完全避免了SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承爆裂的發(fā)生，效果十分顯著。

5、結(jié)語

二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承在使用中出現(xiàn)外圈爆裂的原因主要有：一是由于軋制力提高后，軸承的軸向力也大幅提高，導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體和軸承外擋邊磨損加劇直至爆裂；二是軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，外圈外擋邊的存在和壁厚不足在承受大軸向力工況時(shí)出現(xiàn)引導(dǎo)式磨損、開裂。對此，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，通過實(shí)際使用驗(yàn)證，徹底解決了二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥滾軸承爆裂問題。

（來源：第十二屆中國鋼鐵年會；2019-10-15）