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背衬轴承在中厚板热矫直机中的应用

2021-12-03

邱东

(二重集团公司重型机械设计研究院,四川 618000)

摘 要: 通过介绍应用在中厚板热矫直机辊系中的背衬轴承的结构特征和安装要求,论述了使用背衬轴承作支承辊的矫直机的技术优势,着重阐明了选用背衬轴承做热矫直机支承辊的注意事项。

关键词:中厚板;热矫直机;背衬轴承;安装

矫直机是中厚板热轧生产线上的重要设备。在现代中厚板热轧生产线上,通常布置 2 台 ~ 3台矫直机。而最主要的一台是布置在轧机的延伸辊道之后、冷床之前,用于对轧制(或快冷) 后钢板所产生的不同程度的桡曲、瓢曲、波浪、镰刀弯和歪扭等缺陷进行矫正的热矫直机。另外,在轧线热处理区和精整区末端,还布置有温矫直机和冷矫直机,进一步对成品钢板的平直性进行矫正。

中厚板矫直机通常使用上下工作辊交错布置的平行辊矫直机,工作辊数量在 5 根 ~ 11 根之间。随着轧钢技术的快速发展,尤其是现代高强度材料迅速增多,钢铁生产企业对矫直机的性能要求也越来越高。为了满足这些要求,在矫直机工作辊的数量没有发生变化的情况下,通过增大矫直机的矫直力来达到生产要求是常用的方法。由于矫直机的矫直力主要由支承辊来承受,如何让矫直机的支承辊能承受更大的载荷是我们研究的目标。近年来,在设计矫直机辊系时,逐渐出现了采用背衬轴承来直接当支承辊用的趋势。通过在单位长度范围内增加支承轴承的数量或接触宽度,从而实现增大矫直力的目的。

在中厚板热轧生产线上分布的几台矫直机中,热矫直机是工作频率最高、负荷最重、工作环境最差的一台,所以本文将以背衬轴承作为热矫直机支承辊为例进行分析说明,而背衬轴承在温矫直机和冷矫直机中的应用会相对容易一些。由于该结构在国内外使用还不广泛,我公司结合国内外制造与使用的实际情况,也仅在个别钢厂的热矫直机辊系改造时进行了尝试。

1 背衬轴承的结构形式

1.1 常规背衬轴承的结构形式

背衬轴承是一种外圈特别厚的滚动轴承,最早在多辊的森吉米尔冷轧机上作为最外端的支承辊用。通常,背衬轴承为圆柱滚子轴承或圆锥滚子轴承,可采用带或不带整体式挡边的双列或三列圆柱滚子轴承。无挡边轴承的优点在于结构简单、径向承载能力高,但缺点是不能承受轴向负荷,需要在外圈和支承鞍座侧面之间设置青铜或塑料止推垫圈。带有挡边的轴承不需要止推垫圈,轴承本身能够同时承受径向力和一定的轴向力,轴承两侧可以加密封,内圈上可以设置润滑槽来向轴承供应润滑剂。

1.2 热矫直机支承辊用背衬轴承的结构形式

某钢厂 3800 mm 热矫直机辊系中使用的背衬轴承的结构轮廓图,见图 1。

该背衬轴承具有如下结构特征: 

(1) 轴承为双列圆柱满滚子轴承,内圈带润滑油沟。

(2) 轴承内外圈均带有挡边。外圈带有固定挡边,内圈带有活动挡边。活动挡边在安装时进行轴向定位。

(3) 轴承采用双层密封。内层为耐高温氟橡胶 J 型油封,外层为金属保护装置,主要防止细小氧化铁皮进入。

(4) 外圈两端带有大圆弧过渡面,防止出现边部应力集中现象。

2 背衬轴承的安装形式和安装要求

在中厚板热矫直机中,由于工作辊的辊身较长,辊间距又要求较小,致使矫直辊的辊径较小,刚度很差,需要在其下部安装强力的支承辊来提高刚度。为了保证强度与刚度,支承辊通常都会做成多段,本文所述案例就直接用背衬轴承来做支撑。

工作时,矫直机的矫直力由工作辊传递至支承辊( 即背衬轴承) 上,背衬轴承再将所承受的载荷通过心轴均匀地传递给支座以及辊座、机架底座等。矫直力在支承辊各背衬轴承处的分布是否均匀主要取决于背衬轴承的尺寸精度、设备的制造精度以及安装精度等。

2.1 安装形式

某钢厂 3800 mm 热矫直机直接采用背衬轴承作支承辊的辊系结构简图,见图 2。

从图中可知,每根工作辊下布置有 6 组支承辊部件,即 6 套单组背衬轴承。

单组背衬轴承直接作支承辊的结构形式如图3 所示。

该种结构中间为背衬轴承,两端支座直接固定支撑心轴,每两个轴承和三个支座为一组,两个轴承相对矫直辊中心交错布置,?个轴承轴线相对于矫直辊轴线的偏移量为 70 mm。轴承选用SKF 的背衬满滚子轴承,基本额定动负荷 1060kN。由于每根工作辊下面布置有 6 组这样的支承辊部件,则单根工作辊下面支承辊累计能承受总的基本动负荷为: 12 × 1060 = 12720 kN。背衬轴承与工作辊共有 12 处接触部位,累计接触长度为: 12 × 158 = 1896 mm。

2.2 安装要求

由于背衬轴承内圈两端的活动挡边与轴承不是一个整体,需要依靠安装时采用定距套或支座进行轴向定位,同时在背衬轴承受到一定的轴向力时,也需要依靠活动挡边、支座将轴向力传递给辊座。因此,安装时应注意支座固定方式以及支座同轴承端面之间的间隙取值。

背衬轴承的原始尺寸精度非常高,安装背衬轴承时必须做到将尺寸、断面高度完全相同或最相近的两个背衬轴承安装到一个部件上。沿矫直辊轴线方向上依次布置的 6 套部件也要求按上述原则进行选配。如果同侧的背衬轴承未能安装成一条直线( 含水平和高度方向) ,则矫直过程中轴承受力就不均匀,会出现振动、偏载,导致滚柱疲劳损伤,从而影响产品质量,降低轴承工作寿命。

在矫直过程中,每个背衬轴承的磨损程度是不同的,常态生产中,矫直钢板的宽度普遍比矫直机的最大矫直宽度窄,矫直辊中部背衬轴承所承受的载荷要大于矫直辊两端背衬轴承所承受的载荷,所以中部背衬轴承磨损程度相对严重些。因此,为提高背衬轴承的精度并延长其使用寿命,应定期更换背衬轴承的位置,即将矫直辊中部的背衬轴承与两端的背衬轴承互换,将承受较高载荷的背衬轴承与承受较低载荷的背衬轴承互换。另外,因为背衬轴承的内环在心轴上是不动的,只有部分环面是负载区( 约为圆周的四分之一) ,定期转动内环至另一个载荷区会明显增加背衬轴承的使用寿命,所以应考虑定期转动内环。

3 矫直机使用背衬轴承作支承辊的优势

在阐述矫直机使用背衬轴承作支承辊有何技术特点之前,我们先看看目前普遍采用的矫直机支承辊的结构形式,以此做参照,进行两种结构的对比区别。 

图4 为传统结构的 3800 mm 矫直机支承辊结构形式。

该种结构两端为轴承支撑中间一段辊子,轴承选用 SKF 的球面滚子轴承,型号为 23224CC /W33,基本额定动负荷为 695 kN。每根工作辊下面同样布置 6 组这样的支承辊部件,每组之间呈交错分布状态。则单根工作辊下面支承辊累计能承受总的基本动负荷为: 12 × 695 = 8340 kN。支承辊分为 6 处与工作辊接触,累计接触长度为: 6× 320 = 1920 mm。

通过前后两种结构形式的对比,可知在热矫直机中采用背衬轴承直接作支承辊具有以下优点:

(1) 在相同规格的矫直机上,辊系中支承辊的承载能力可以提高 30% ~ 50% 。因为支承辊总的承载能力主要取决于所安装轴承的承载能力。在轴承的内径尺寸基本一致的情况下,轴承的数量越多或虽然数量变化不大,但单个轴承的宽度越宽,其承载能力也就越强。采用背衬轴承的结构,由于其轴向再无辊子,轴向空间变大,可以较容易的做到这点。

(2) 有利于弯辊后支承辊与工作辊的接触。采用该结构后,支承辊与工作辊的接触部位增多、并且更加分散。在工作辊进行弯辊工作时,支承辊比较容易适应,不容易在矫直辊表面产生压痕。

(3) 采用背衬轴承直接作支承辊的结构形式更为简单,内部空间更大,便于空气流通和散热,也便于氧化铁皮的疏导和排出,各轴承润滑点的配管更容易实现。

4 热矫直机支承辊选用背衬轴承的注意事项

由于背衬轴承最初都是使用在冷轧上,其工作温度不是很高、工作环境较好,还可以使用乳化液进行冷却。而热矫直机的工况与冷轧存在较大的区别,热矫直机通常是对 500 ~ 800℃ 的钢板进行矫直,环境温度较高,且矫直中钢板自身还要脱落一些细小氧化铁皮,因此不能直接套用冷轧上使用的背衬轴承。通过对背衬轴承在矫直机中直接作支承辊的使用状况分析,认为选用背衬轴承时需要注意如下事项: 

(1) 因为该处轴承是当支承辊用,外圈将直接与矫直机工作辊接触。因此,外圈的表面热处理硬度与矫直辊表面要有一定的差值,它不能比矫直辊表面硬度高。通常矫直辊的表面硬度值在58 ~ 62HRC 之间,则轴承外圈的表面硬度值应在52 ~ 56HRC 之间。鉴于该硬度区间并不是最能发挥轴承钢材料力学性能与热处理匹配的最佳区间,因此在选取外圈材质与热处理时应特别注意。

(2) 轴承工作环境属于较恶劣的开式使用场合,并且是外圈转动、内圈固定,校核计算轴承寿命时要特别注意工况。

(3) 钢板热矫直温度通常在 500 ~ 800℃,对应环境温度较高。经现场检测,轴承外圈的表面温度最高可达 170℃,因此,轴承需考虑采用耐高温润滑脂进行润滑,轴承密封也要求选用耐高温的材料制作。

(4) 在矫直过程中,背衬轴承需要承受一定的轴向力。因此,要求轴承承受轴向力的能力应不小于额定载荷的 10% 。

(5) 在矫直过程中,钢板还会脱落一些细小氧化铁皮。氧化铁皮( 温度可能超过 300℃ ) 会直接掉在轴承上,所以轴承需要很好的密封( 包括结构形式和材料) ,以防止氧化铁皮以及水、粉尘等杂物进入。

(6) 在实际应用过程中,钢板可能会通过矫直辊间接冲击背衬轴承,因此,选用的背衬轴承需要具备较大的抗冲击能力。

(7) 由于中厚板矫直机的辊距较小( 通常≤300 mm) ,而承载能力较大,且每根矫直辊下都有背衬轴承。因此背衬轴承的直径很难大于矫直辊辊距,轴承外圈的壁厚将受到限制。为满足承载能力,通常选取满装滚子轴承。

(8) 为了适应矫直机工作辊的弯辊操作,选用的背衬轴承还必须具有在很小的偏转角下工作的能力。

5 结束语

在热矫直机中直接使用背衬轴承作支承辊,可以显著提高矫直机辊系的承载能力,但只有合理选用背衬轴承的结构形式,并进行正确的安装、良好的润滑及精心维护才能延长轴承的使用寿命,提高矫直钢板的产品精度。

来源:《中国重型装备》2017年1期

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