步進式冷床升降裝置搖臂軸承改造

潘劍勇,劉京江,張 翔

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

步進式冷床升降裝置搖臂軸承改造

潘劍勇,劉京江,張 翔

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

介紹了FQM連軋機機組步進式冷床上搖臂用滑動軸承,因使用中故障較多,造成鋼管表面質(zhì)量問題,維護更換不便等問題,所以在分析計算后更換原設計銅瓦為剖分式圓柱滾子軸承,并通過3個月的試用驗證,效果良好。結果表明:選擇合適的剖分式圓柱滾子軸承可完全替代滑動軸承,極大降低了設備運行成本,降低了維護強度,已使用2年,符合設計預期。

鋼材;無縫鋼管;步進式冷床;軸承;剖分;維護

1 引言

熱軋無縫鋼管工藝流程大致為:坯料→環(huán)爐加熱→穿孔機穿孔→連軋機軋制→定徑機(張力減徑機)定(減)徑→步進式冷床緩冷→排管鋸定尺鋸切,其中為保證鋼管工藝性能及連續(xù)軋制工藝,在定(減)機后設置有步進式冷床,因步進式冷床運行平穩(wěn),沖擊小,軋制后的鋼管從冷床步進移送后因其冷卻均勻,不產(chǎn)生彎曲,表面質(zhì)量也能得到保證。

步進式冷床冷卻是無縫鋼管生產(chǎn)工藝中的一個重要工藝環(huán)節(jié),其是鋼管熱軋工藝流程的最后一個環(huán)節(jié),步進式冷床也是無縫鋼管軋制設備中的重要機組組成。作用為熱軋后的無縫管在線自然冷卻,并能防止無縫管在其緩冷過程中因質(zhì)量不等、溫度不均造成的彎曲現(xiàn)象。目前我國鋼鐵行業(yè)處于寒冬期,行業(yè)性整體虧損,如何提高設備可靠性、降低設備維護成本,提高噸鋼效益是所有鋼鐵人的共同目的。

159FQM連軋管機組中在張力減徑機組后設置有步進式冷床,為齒板冷床,運行中可使鋼管平移前進或踏步運行。冷床齒板安裝于床體移動梁上,而移動梁的升降動作由主傳動減速機驅(qū)動16個搖臂實現(xiàn),其中32個主動搖臂的轉(zhuǎn)軸采用滑動軸承支撐,滑動軸承為鑄錫青銅銅瓦。

因工藝需求,159連軋管廠能夠生產(chǎn)的鋼管長度為11.5m～90m,故該機組中冷床為水平無傾角整體冷床,總長達90米,寬度23.61米。移動床體加齒板自重292.4噸,另有升降拉桿、搖臂及托輥總重64.1噸,步進冷床最大承載400噸。在實際使用過程中,雖冷床運行速度較慢,但由于冷床為大長度冷床,再加上床體上的鋼管,最大總負荷超過750噸,因此長期處于重負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài),雖床體升降搖臂處銅瓦采用了集中潤滑方式定時加潤滑脂潤滑,但銅瓦磨損仍然較快,尤以下方銅瓦為甚;此外,由于生產(chǎn)鋼管規(guī)格、長度不同,床體負載不均,易造成升降搖臂處銅瓦磨損不均,床體直線度無法保證。一旦磨損量超過銅瓦油槽深度,集中潤滑的潤滑脂即無法加入,又會導致銅瓦磨損加劇。自投產(chǎn)以來,因部分銅瓦磨損嚴重,使得冷床移動梁升降高度不均,易造成鋼管拉斜、冷卻不均勻、變彎等,影響產(chǎn)品質(zhì)量。一旦如此,整個熱軋區(qū)需被迫停工,除更換銅瓦外,還需床體標高調(diào)整,設備恢復時間較長,嚴重影響鋼管廠正常生產(chǎn)節(jié)奏和機組作業(yè)率。據(jù)統(tǒng)計,每月因銅瓦原因直接或間接造成設備停工時間約200分鐘。為降低因銅瓦磨損超標造成的鋼管表面缺陷,降低銅瓦磨損引起的設備停工,銅瓦的磨損可采用定期更換方式進行,但該種方式對備件消耗極大,且設備點檢及維護人員均投入較大,設備維護成本高。159廠冷床升降搖臂處設計裝機32組銅瓦,每組銅瓦采購單價約為4000元。投產(chǎn)后平均每10個月輪流更換1次,該處年設備采購費用近15.36萬元;同時,因更換銅瓦造成的設備停工平均每年約40小時。

鑒于此,我們擬將此處銅瓦進行改造,目的為提高設備可靠性、延長使用壽命。具體分析為:

(1)耐磨性分析

若要提高耐磨性,除改進潤滑外,更換軸承形式亦能極大緩解,銅瓦為滑動軸承,一般情況下滑動軸承摩擦系數(shù)大于滾動軸承,效率較滾動軸承低,在潤滑良好的情況下,滑動軸承摩擦系數(shù)為0.08—0.12,而滾動軸承僅有0.001—0.005,遠遠低于滑動軸承。同時,該部位使用的滑動軸承—銅瓦為錫青銅,而滾動軸承普遍采用的材質(zhì)GCr15,熱處理后硬度高達60～65HRC,具有極高的硬度和耐磨性,遠大于錫青銅。

(2)機械效率分析

銅瓦機械效率為0.94,而滾動軸承機械效率為0.98,可以看出:在剖分式滾動軸承選用合適的情況下,剖分式滾動軸承阻力遠小于銅瓦,傳遞機械效率更佳,其電耗也更低,且有更好的耐磨性,能極大的延長備件更換周期(在維護良好的情況下,以攀成鋼目前軋制節(jié)奏估算,專用軸承使用周期可達2年以上)和降低設備停工時間,提高有效作業(yè)率。而且能減少固體廢棄物排放、減少電耗,達到節(jié)能減排的效果。

(3)承載能力分析

雖同樣體積的滾動軸承與滑動軸承相比,承載能力要小得多,但原設計銅瓦外形尺寸相近的深溝球軸承6322額定動載荷為205KN,額定靜載荷為178KN,以靜載荷計,單個軸承承載能力約為180噸,可完全滿足使用要求。雖每類軸承因設計不同有不同使用特性,應用也不同,此處以最常見的深溝球為例做說明。具體軸承選型仍需分析計算后選定。

(4)考慮到滾動軸承傳動效率高,發(fā)熱量小,對潤滑油(脂)消耗較小,步進冷床搖臂處溫度僅比正常室溫高約20℃左右。

故,我們認為選擇合適的滾動軸承可完全滿足使用要求。

2 冷床升降設計參數(shù)及承載分析

2.1 冷床運行參數(shù)

考慮到冷床主傳動功率及載荷足夠,參數(shù)僅考慮搖臂轉(zhuǎn)速即可。

電機轉(zhuǎn)速:585rpm

減速機速比:i=99.23

搖臂轉(zhuǎn)速為585/99.23≈5.895rpm。

據(jù)此,滾動軸承為低轉(zhuǎn)速、緩慢擺動軸承,計算時須分別計算額定動載荷和額定靜載荷,選其較大者選擇軸承。

2.2 負荷統(tǒng)計

步進式冷床搖臂總負荷見表1。

表1 步進式冷床搖臂負荷

2.3 軸承載荷計算

2.3.1 基本額定動載荷的計算

根據(jù)不同類型機械用軸承疲勞壽命推薦值[1],選使用壽命40 000h～50 000h;

由于滾子軸承一般比具有相同外形尺寸的球軸承受較重的負荷,對于重負荷或軸徑較粗的場所,宜選用滾子軸承,根據(jù)壽命因數(shù)fh值[2],選fh=3.98;

力矩載荷較小時fm=1.5,較大時fm= 2,此處選fm=2;

表2 沖擊載荷因數(shù)fd

根據(jù)沖擊載荷因數(shù)fd表[3],取中間值,選fd=1.5;

P總=XFr+YFa=756.5t×1000kg× 9.8N=7.414×106N,設備共安裝32件軸承,考慮到安裝標高及磨損程度不均等因素,選1.2系數(shù),則P=7.414×106N×1.2/32 =278025N

根據(jù)速度因數(shù)fn值,選fn=1.435;

根據(jù)溫度因數(shù)fT值,選fT=1.0;

2.3.2 額定靜載荷的計算

公式C0=S0P0＜Cor(或C0a)

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

根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸承安全因數(shù)[4](表3),選S0=1.5

則C0=278013.75×1.5=417020.625N

3 升降搖臂改造方案及選型

根據(jù)載荷計算所知,軸承選擇時選額定靜載荷不低于417 020.625N;銅瓦外形尺寸D270/d240—250;因該銅瓦所受載荷幾乎均為徑向載荷,安裝時保證兩側(cè)平行度即可保證無軸向分力。故首先選擇圓柱滾子軸承。

考慮到安裝銅瓦的搖臂軸所受載荷較高,為保證軸的強度和剛性,不宜改型降低軸頸;同時,由于機軸所在的搖臂(圖1搖臂)為整體焊接件,單重1 243.1kg,體積大(最大外形尺寸1 411×1 070×980),不論是返修還是新制,周期均較長,且成本較高。而銅瓦所處的軸承座(圖2軸承座)結構簡單,單重僅為161kg,相較搖臂而言,不論新制還是利舊改制均便捷。

表3 旋轉(zhuǎn)軸承安全因數(shù)

根據(jù)軸承手冊GB/T 283—1994標準,現(xiàn)有規(guī)格型號不足安裝于現(xiàn)有設備,但NU1036以上軸承均能滿足該處載荷要求。經(jīng)計算分析,軸承座由現(xiàn)軸孔φ270增大為φ340后仍可滿足強度剛性要求。同時,考慮到改造后的軸承為滾動摩擦,軸承座一般情況下不會產(chǎn)生磨損,為便于拆裝,節(jié)約更換時間、降低更換時所需人工量和勞動強度,滾子軸承以剖分式最為便捷。

3.1 剖分式滾子軸承的設計

剖分式圓柱滾子軸承最大外徑不能超過φ340;孔徑不變,仍為φ240;鑒于圖1中軸承座尺寸及地腳螺栓孔所限,滾子軸承寬度不得大于90mm。因無標準軸承可供選用,遂聯(lián)合專業(yè)軸承公司對該非標軸承特殊設計制造。最終確定的剖分式圓柱滾子軸承見圖3。

圖1 搖臂

圖2 軸承座

圖3 剖分式圓柱滾子軸承

3.2 軸承潤滑的選擇

改造后的剖分式圓柱滾子軸承轉(zhuǎn)速為5.895rpm,dm=(D+d)/2=285mm。

其速度系數(shù)dmn=285*5.895 =1680.075

根據(jù)選擇潤滑油或脂潤滑的一般原則[5],經(jīng)計算,dmn=1680.075。同時,為降低維檢工人巡檢頻率,降低勞動強度,選擇該剖分軸承屬長時間不需維護的地方;考慮到該處設置原設置有潤滑管路,遂選用脂潤滑方式。

表4 選擇潤滑油或脂潤滑的一般原則

3.3 軸承座及搖臂處軸的改造

該軸承所受載荷為擺動載荷,且為重載荷,故軸承的內(nèi)外圈均應選用過盈配合。同時,由于軸承工作時為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動,一般情況下,內(nèi)圈與軸選用過渡或過盈配合。但因該剖分軸承僅受局部載荷,一般不選用緊配合。原設計搖臂軸尺寸公差為φ240f8(—0.05,—0.122),剖分式圓柱滾子軸承的內(nèi)徑為φ240f8(0,—0.03),公差合適,故不對搖臂進行改造。

由于軸承座底座已澆灌于平臺基礎中,更改困難,耗時較長。故剖分式圓柱滾子軸承所用的軸承座外形尺寸與原設計不變。根據(jù)剖分式圓柱滾子軸承所受載荷情況分析,軸承座應選擇過渡或過盈配合;同時,一般情況下,軸承與外殼件配合選用基軸制。考慮到現(xiàn)場環(huán)境及作業(yè)工況,為便于軸承拆裝更換,此處軸承座公差將適當放大。

圖4為改造后的軸承座上蓋,圖5為改造后的軸承座,圖六為原軸承座以做對比。

4 剖分式圓柱滾子軸承的安裝、使用及維護

由于軸承改造過程中盡量與原裝軸承座安裝尺寸相同,改造后的軸承座可用原軸承座改制后繼續(xù)上線使用?？紤]到備件采購費用及采購周期,本著降低設備維護費用,縮短采購周期的原則,初期先行采購2組軸承座,待特殊制造的非標剖分式圓柱滾子軸承到貨后,利用定修時間替換了線上設備(圖7改造前后對比)。潤滑仍選用原銅瓦用潤滑系統(tǒng)。

圖4 上蓋

圖5 軸承座

圖6 原銅瓦用軸承座

圖7 改造前后對比

經(jīng)試用3個月,運行平穩(wěn)無噪音。解體檢查,軸承滾動體、保持架、內(nèi)外圈均完好,潤滑充足。僅一處剖分軸承端蓋螺釘斷裂。經(jīng)檢查調(diào)整搖臂軸與軸承同心度后未出同類現(xiàn)象。

自剖分式滾子軸承替代銅套以來,已穩(wěn)定運行近2年,在線剖分式圓柱滾子軸承暫未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。日常點巡檢中僅針對軸承座端蓋螺栓檢查緊固,每3個月對軸承內(nèi)部潤滑檢查,極大降低了維檢工人點巡檢頻率,軸承上線所用人工及耗時亦極大減少。

5 結論

通過對冷床升降系統(tǒng)結構、工作原理及現(xiàn)場實際分析計算后,對升降搖臂軸承形式進行改造后取得了顯著成果:剖分式圓柱滾子軸承替代銅瓦兩年以來,節(jié)約備件采購費用25萬元;相較原設備避免了約80個小時的設備停工;由于機械效率提高,年節(jié)約電耗:69 120Kwh;改造前每年需更換銅瓦約38套,每套銅瓦重36kg,改造后不需更換銅瓦,年減少固體廢棄物排放:1382.4kg。

對比銅瓦與剖分式滾動軸承機械性能,可以看出:在剖分式滾動軸承選用合適的情況下,剖分式滾動軸承阻力遠小于銅瓦,傳遞機械效率更佳,有更好的耐磨性,極大延長備件更換周期,降低工廠設備停工時間,提高有效作業(yè)率。

[1] 秦大同,謝同陽.現(xiàn)代機械設計手冊·第2卷.北京:化學工業(yè)出版社,2011.037—35.

[2] 成大先.機械設計手冊·第2卷.北京:化學工業(yè)出版社,2004.09:7—200～7—201.

[3] 成大先.機械設計手冊·第2卷.北京:化學工業(yè)出版社,2004.09:7—203.

[4] 成大先.機械設計手冊·第2卷.北京:化學工業(yè)出版社,2004.09:7—205.

[5] 成大先.機械設計手冊·第2卷.北京:化學工業(yè)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,機械工程師,主要從事機械設備管理及維護技術工作。