寬厚板熱矯直機支承輥旋轉油封設計選型

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024；2.淮南市石油化工機械設備公司技術部，安徽232033)

寬厚板熱矯直機支承輥旋轉油封設計選型

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(1.太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024；2.淮南市石油化工機械設備公司技術部，安徽232033)

通過對寬厚板熱矯直機支承輥旋轉油封的技術要求進行分析，對油封的類型確定、材料選擇、安裝部位設計、摩擦力矩、使用壽命、安裝維護等方面進行了技術方案分析，得出熱矯直機支承輥旋轉油封正確選型，安裝后，可延長油封的使用壽命，提高設備使用效率。

熱矯直機；支承輥；旋轉油封

寬厚板熱矯直機的支承輥是設備的核心部件，其軸承采用油氣潤滑，工作環(huán)境溫度高，轉速高，承受矯直力大，在矯直過程中會產生氧化皮。在生產實踐中，支承輥軸承因潤滑故障損壞和漏油污染板面的事例很多，國內各鋼鐵廠因此而造成的經濟損失很大，故對此油封進行設計選型、安裝維護時需引起足夠的重視。

1 熱矯直機支承輥旋轉油封的技術要求

寬厚板熱矯直機工作時，支承輥做高速旋轉，其軸承采用油氣潤滑，在軸承座與回轉輥子間必需留有機械間隙，為避免因漏油而引起的軸承潤滑故障和漏油污染板面，需設計旋轉油封，防止?jié)櫥蛷臋C械間隙處泄漏。

支承輥旋轉油封應滿足以下技術要求：

(1)環(huán)境溫度高，轉速高?，F代寬厚板熱矯直機需矯直鋼板溫度高達450～900℃，由于鋼板熱輻射作用，在正常工作條件下，支承輥旋轉油封軸承座外部溫度為250～300℃，并且支承輥油封唇口處的輥子最大旋轉速度達到1.2 m/s。

(2)適用于油氣潤滑的密封要求。寬厚板熱矯直機支承輥軸承采用的是油氣潤滑方式，潤滑介質是壓縮空氣連續(xù)作用帶動的極壓齒輪油，由于在軸承座內設計有油氣回路，故油封潤滑介質一側的壓力按最高0.03 MPa考慮。

(3)適用于有塵場合的密封要求。在生產中，有時熱矯直機使用大量的外冷卻液，此液體中含有矯直時產生的微小金屬顆粒、酸性物質及其它雜質，一旦因密封不良進入軸承座，會直接引起磨粒磨損，導致軸承早期疲勞而失效；另外，矯直過程中會伴有板面氧化鐵皮的脫落，如果吹掃清理時存留在輥隙中的輕薄氧化皮進入軸承座，也會導致軸承的磨損。

(4)拆裝、維護方便。熱矯直機支承輥旋轉油封屬易損件，要求能快速更換，以減輕工作人員勞動強度，降低設備的維護及使用成本。

由此可見，熱矯直機支承輥旋轉油封的工作環(huán)境溫度高，旋轉速度大，工作環(huán)境中有冷卻液及鐵屑等雜物，易進入軸承內部，輥子維護更換較為頻繁。因此支承輥油封應具有結構簡單，拆裝及維護方便的特點，同時油封的選型不應特殊，這樣易于備件采購，縮短訂貨周期。

2 熱矯直機支承輥油封的選擇

為了充分發(fā)揮油封的功能，必須根據油封的使用條件選擇合適的類型、材料與規(guī)格。

2.1 油封類型的選擇

結合熱矯直機支承輥裝配結構特點，其油封類型需滿足以下使用條件：

(1)油封采用固定安裝方式，支承輥軸肩做回轉動作；

(2)油封與軸之間相對運動為表面滑動；

(3)油封由軸肩端進行安裝；

(4)油封安裝腔體為熱膨脹較大的金屬材料，腔體不開溝槽；

(5)支承輥軸肩直徑為?170 mm，轉速為134.8 r/min；

(6)需密封的介質為采用油氣潤滑方式的潤滑油，油量為2 ml/h；

(7)潤滑介質一側的壓力最高為0.03 MPa；

(8)適用于有塵場合。

綜上所述，油封類型可選擇為DIN3760標準AS型，如圖1所示。適應于軸做回轉動作，一方為有油密封介質，另一方為有塵場合的密封使用。

1—安裝腔體 2—外周橡膠 3—金屬骨架 4—彈簧 5—密封唇部 6—回轉軸 7—防塵唇部

2.2 熱矯直機支承輥油封唇口材料的選擇

油封唇口材料受密封介質種類、唇端溫度、回轉速度等因素的影響，為了選擇合適的油封密封唇口材料，應推測唇口端部的溫度。

油封唇口端部溫度值T0為：

(1)

式中，T1為油封附近的密封介質最高常用溫度，取140℃，約占全部運轉時間的30%；T2為油封唇口部位溫升，根據支承輥軸肩直徑與轉速查得T2為6℃。

密封介質最高溫度時間大約占全部運轉時間的30%，唇端溫度值大約需增加20℃，因此取T0=166℃。唇口材料可選定為氟橡膠(FKM)F585(茶色)，硬度為75HS，適用溫度范圍為-15～+200℃，具有良好的耐油性和耐化學藥品性，在油封用橡膠中它是性能平衡的最優(yōu)良品種。

2.3 油封的彈簧及金屬骨架

彈簧的作用是提高密封唇在軸上的壓緊力，其微小的伸長就可以得到必要的負荷，在一定伸長限度下，彈簧負荷沒有太大變化。彈簧可選用標準材料JISG3521SW(高碳鋼絲)、JISG3522SWP(琴鋼絲)。

金屬骨架的作用是在油封與腔體孔間產生配合力，保證密封唇在正確的位置上。可選用標準材料JISG3141SPCC(冷軋鋼板及帶鋼)、JISG3131SPHC(熱軋鋼板及帶鋼)。

2.4 油封規(guī)格的選擇

熱矯直機支承輥裝配結構如圖2所示，選用DIN3760-AS170 200 15型油封。

1—支承輥 2—旋轉油封 3—透蓋 4—軸承 5—軸承座 6—悶蓋

3 熱矯直機支承輥油封安裝部位的設計

油封安裝部位的設計分為支承輥軸肩與透蓋腔體兩部分。

3.1 支承輥軸肩的設計

支承輥軸肩的設計需注意以下幾方面：

(1)軸肩端部應倒角。當油封裝入輥子軸肩時，如果密封唇口與軸端旋合處存在銳角，會使唇口翹起，會造成彈簧有脫開的可能，也會損傷唇口而產生泄漏，因此必須在軸肩端部設計5×30°倒角。

(2)控制軸肩的表面硬度與尺寸公差。軸肩部分的表面硬度必須在30HRC以上，這樣在加工時容易得到較高的表面光潔度，搬運及裝配時軸的表面不會碰傷，運行中密封唇部也不易對軸造成磨損，避免因此產生密封泄漏。根據支承輥使用要求，選擇軸肩直徑尺寸為?170 mm，公差為h11，表面滲氮處理，硬度為56～60HRC。

(3)軸肩表面光潔度與加工工藝。由于軸轉速與潤滑油量不同，軸的光潔度過大或過小都會影響到油封的泄露與磨損。另外，軸的加工紋路也有方向性，軸旋轉時交叉和傾斜的紋路會產生螺旋泵作用，將潤滑油向大氣側擠出，成為泄露的原因。根據支承輥使用要求，選擇軸肩光潔度為Ra0.8 μm，采用無進給精磨削，這樣加工痕跡不連續(xù)，但垂直于軸心線，最適合與油封唇口的接觸。

3.2 透蓋腔體的設計

在內壓小于0.03 MPa時，透蓋腔體的形狀設計，只需對油封的軸向移動作一側定位。其主要尺寸為安裝孔直徑、安裝面寬度與光潔度、定位孔直徑與光潔度以及控制安裝偏心與軸偏心的偏心度，并在腔體一側上鉆有4個小孔，以便油封的拆卸，安裝時，透蓋內孔與外圓定位止口，也具有將腔體與軸進行導向的作用。透蓋腔體結構尺寸如圖3所示。

圖3 透蓋腔體結構

4 熱矯直機支承輥油封的摩擦力距與摩擦功率

由于熱矯直機支承輥數量較多，每個支承輥均配備兩個油封，如一臺4300 mm十一輥熱矯直機有60個支承輥，120個油封，因此通過估算單個油封產生的摩擦力矩M與摩擦功率P，進而可以得出全部油封造成的傳動功率增加。

油封的摩擦力矩取決于摩擦面的表面質量、潤滑條件、彈簧力的作用。單個油封的摩擦力為：

式中，d0為軸肩直徑，取d0=17 cm；F0為軸肩油封唇口圓周單位長度的摩擦力，取F0=0.3 N/cm。

單個油封的摩擦功率P為：

式中，n為軸的轉速，n=134.8 r/min。

由上計算可以得出120個油封，矯直機傳動功率將會增加2.3 kW。

5 支承輥油封的使用壽命

影響熱矯直機支承輥油封使用壽命的主要因素是唇口材料老化與唇口磨損。

由于熱矯直機長期在高溫下使用，會使唇口材料老化加速，造成唇口滑動部位硬化、龜裂，使唇口過盈量降低而失去密封能力。

唇口的磨損與潤滑油量有關。潤滑油量不足，油中有異物，外部灰塵的侵入等均會促使唇口磨損加速。由于熱矯直機采用油氣潤滑，壓縮空氣以精細油滴的方式導入潤滑點，潤滑油耗量小，但同時也造成油封唇口因潤滑油量不足而加快磨損。因此在設定油氣潤滑給油量時，不僅要計算軸承的潤滑油量，還要計算油封唇口的潤滑油量。

熱矯直機支承輥油封的設計壽命目標值約為4000 h。

6 支承輥油封的安裝使用

熱矯直機在使用過程中，要完全發(fā)揮出油封的預定功能，不僅需要正確的設計選型，而且必需采取正確的安裝方法。

(1)組裝前的準備工作。油封唇口端部不得有劃擦，并在兩個唇口間填充礦物油型鋰基潤滑脂，對唇口部位進行潤滑。用金剛砂紙將軸肩與透蓋腔體表面倒角，除毛刺并涂敷薄層鋰基潤滑脂，檢查油封外圓及唇口接觸的表面是否有缺陷及銹蝕點，不得附有防銹油或沙塵等異物，否則可使用壓縮空氣吹掃。

(2)透蓋腔體組裝。安裝時，油封應水平放置，不能傾斜，密封唇口應朝向密封介質一側，防止推壓油封的力與油封外圓配合部分的摩擦力相互作用使油封變形。在組裝油封時，必須使壓力的作用點靠近油封外圓配合處。當用錘擊安裝時，應使用墊板，在油封配合處的全周均勻敲打墊板；使用壓力機壓裝時，應使用設計合理的夾具，使油封配合處全周均勻受力，標準壓入力約為10 kN。

(3)插入軸肩。將已裝入透蓋腔體孔內的油封插入軸肩時，應使油封中心與軸肩中心保持同心，防止唇口部分翹起或唇口部分因受力而損傷。

(4)油封的更換與清洗。油封更換時一定要更換新的油封，拆卸過程中不得損傷腔體與軸的表面，為防止唇口材料溶脹，降低其性能，應避免使用洗滌液與汽油清洗。

7 支承輥油封泄漏的原因

結合生產實踐過程中所發(fā)生的問題，造成油封泄漏失效的主要原因有以下幾方面：

(1)潤滑油量不足，造成唇口在干燥狀態(tài)下滑動，產生異常磨損?？杉哟鬂櫥土康墓┙o，特別是在輥系運轉前，先啟動油氣潤滑系統(tǒng)運行一段時間，待潤滑油達到指定量再運轉輥系。

(2)在矯直過程中，輥隙中存留的輕薄氧化皮在吹掃清理時容易附著在唇口處，造成卡咬唇口，使端部磨損加大，局部有異物卡咬痕跡。

(3)油氣潤滑回路不暢通，使油封的使用壓力超過設計值，造成唇口端部凹形磨損。

(4)環(huán)境溫度過高，使油封附近的密封介質溫度超過了唇口橡膠的耐熱極限，造成唇口滑動部位光滑、硬化，甚至發(fā)生龜裂。

(5)如果腔體內徑尺寸比指定尺寸小，勉強將油封壓入，易造成油封配合部橡膠的軸向損傷或擠壞。

(6)如果腔體內徑尺寸比指定尺寸大，在油封配合部易有切屑、異物附著，造成腔體孔與油封配合部橡膠的損傷。

(7)如果軸肩、腔體加工的倒角不良、表面光潔度過低或者安裝錯誤易造成油封變形、安裝傾斜、彈簧脫落、唇口部分翻轉。

8 結論

通過以上方式，對熱矯直機支承輥旋轉油封進行設計選型及正確安裝后，在實際應用中，油封的使用壽命顯著延長，更有利于油封的維護與更換，明顯提高了設備的使用效率。

編輯 陳秀娟

Design and Model Selection of Rotary Oil Seal for Wide and Heavy Size Plate Hot Straightener Back Up Roll

Zhao Dong, Wu Qingjun

Technical requirements of rotary oil seal for wide and heavy size plate hot straightener back up roll have been analyzed, further technical schemes analyses have also been conducted in terms of type determination, material selection, mounting position design, friction torque, serve life and installation and maintenance as well as other aspects of the oil seal, lastly the correct model selection of the oil seal for hot straightener back up roll has been worked out to extend serve life and improve working efficiency after mounting the oil seal on the device.

hot straightener; back up roll; rotary oil seal

2017—01—03

TG333.2+3

B