2 800 mm軋機(jī)油膜軸承輥頸進(jìn)水原因分析與研究

王 軍

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

2 800 mm軋機(jī)油膜軸承輥頸進(jìn)水原因分析與研究

王 軍

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

安鋼2 800 mm軋機(jī)油膜軸承經(jīng)常發(fā)生進(jìn)水事故，出現(xiàn)事故后需要提前更換支承輥，造成油品消耗增加,輥耗增加，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，影響了正常的生產(chǎn)節(jié)奏。針對(duì)此類問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)DF密封是造成軋機(jī)油膜軸承進(jìn)水的關(guān)鍵因素，從而找出了解決DF密封失效的有效方法。

油膜軸承 DF密封 進(jìn)水

AbstractAfter the water inlet accident of the oil film bearing roller of 2 800 mm rolling mill which often happens in Anyang Steel, supporting roller have to be replaced early, thus the consumption of oil increases and the roll consumption increases, which leads to the increase of production cost and affect the normal production rhythm. In view of this problem, it is found that DF seal is the key factor causing the water inlet of the roller, and the effective method is proposed and carried out to solve the sealing failure of DF.

KEYWORDSoil film bearing DF sealing water

0 前言

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)軋機(jī)油膜軸承也提出了更高的要求，油膜軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)與否直接受其密封性能制約。而熱軋的工作環(huán)境比較差，大量氧化鐵皮、冷卻水等雜質(zhì)隨時(shí)有進(jìn)入油膜軸承的可能，軋機(jī)油膜軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)水后，主要表現(xiàn)為軋機(jī)軋制力負(fù)載增大、軸承滾柱變黑、潤(rùn)滑油流量下降、過濾器濾芯的壓差增大等，因此防止雜質(zhì)、冷卻水的進(jìn)入和防止?jié)櫥托孤┦谴_保油膜軸承正常運(yùn)作的保障。同時(shí)，我們根據(jù)其DF密封與水封的損壞形式，做出相應(yīng)的原因分析和預(yù)防改進(jìn)措施，為油膜軸承的正常工作和維護(hù)提供有力依據(jù)，從而大大提高油膜軸承的壽命。

1 軋機(jī)油膜軸承的特點(diǎn)

2 800 mm軋機(jī)選用的油膜軸承為ZYC1350-75軸承，油膜軸承是軋鋼機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，也是動(dòng)壓潤(rùn)滑的典型系統(tǒng)，不僅表現(xiàn)為液體摩擦，更重要的是建立足夠的油膜承載力。油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，軸承參數(shù)見表1。

油膜軸承是一種表面加工精度以及相關(guān)參數(shù)匹配非常理想的滑動(dòng)軸承，它的主要特點(diǎn)有：

圖1 油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1)軸承剛性強(qiáng)，承載能力大，與軸承外徑相同的油膜軸承承載能力要遠(yuǎn)大于滾動(dòng)軸承。

2)使用壽命長(zhǎng)：從原理上講，油膜軸承是不會(huì)發(fā)生磨損的。但是實(shí)際上，即使正確的使用和妥善地維護(hù)，也是要發(fā)生磨損的，只是很輕微而已。其理論上壽命可達(dá)15 年左右，一般實(shí)際由于潤(rùn)滑和軋機(jī)設(shè)備等原因，壽命在5年～10 年左右。

3)速度范圍寬：軋機(jī)油膜軸承可以在很低的速度下工作，也可以在很高的速度下運(yùn)行，還可以使用可逆軋機(jī)，由正轉(zhuǎn)速到零，再由零到負(fù)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下工作，速度范圍較寬。

4)結(jié)構(gòu)尺寸?。涸谙嗤某休d能力下，油膜軸承輪廓尺寸要比滾動(dòng)軸承小，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)。

5)摩擦系數(shù)低：采用巴氏合金，材質(zhì)硬度低，摩擦系數(shù)小，油膜軸承的摩擦系數(shù)一般在0.001～0.005之間，從而摩擦損耗低。

6)抗沖擊能力強(qiáng)：油膜軸承中的油膜的擠壓效應(yīng)對(duì)于沖擊載荷的承受能力，使得油膜軸承能很好地承受沖擊載荷。

2 油膜軸承DF密封的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

輥頸部位的密封為行業(yè)熟知的DF密封，DF型密封融合了靜密封、動(dòng)密封以及迷宮密封三種形式，既可封油也可封水，以密封檔板中心凸緣為界，封水防線與封油防線分布于兩側(cè)[1]。DF密封結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，工作條件見表2。

圖2 DF密封結(jié)構(gòu)形式

項(xiàng)目單位工作條件速度(m·s-1)≤25油壓MPa≤0．5水壓MPa≤0．15溫度℃≤50介質(zhì)油膜軸承油、水、氧化物

DF密封是一個(gè)復(fù)雜而近似完好的結(jié)構(gòu)，其具有以下特點(diǎn)：動(dòng)密封唇口封水唇和封油唇彈性好，能防止軸承內(nèi)部油的泄漏與外圍冷卻水的進(jìn)入，密封效果比X型密封顯著提高；在較大程度上克服了X型密封對(duì)安裝定位要求苛刻、易泄漏的缺點(diǎn)。因此，DF密封在冷、熱軋薄板軋機(jī)、鋁箔軋機(jī)等大型冶金裝備中得到廣泛應(yīng)用。但是隨著對(duì)軋制產(chǎn)品要求的不斷提高，對(duì)軋機(jī)設(shè)備要求也不斷提升，密封系統(tǒng)的密封性能也必須相應(yīng)隨之提高，而DF密封系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：支輥軸向竄動(dòng)影響比較大，產(chǎn)品安裝也有影響；密封唇口接觸表面應(yīng)力偏低；在動(dòng)壓狀況下，密封唇的密封效果穩(wěn)定性欠佳；DF密封系統(tǒng)下的油溫與油的流量的可調(diào)節(jié)性相對(duì)較差[5]。

3 密封機(jī)理

DF密封隨錐套、鋁環(huán)和軋輥同步旋轉(zhuǎn)，與密封擋板產(chǎn)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有五個(gè)密封肢，其功能與作用不同，協(xié)同形成有效密封，防止軸承座內(nèi)的潤(rùn)滑油外泄，形成連續(xù)不斷的油膜，防止外界冷卻水、軋制液及鐵屑、灰塵等雜物侵入軸承腔內(nèi)，保證軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)。DF密封作為唇口式密封，主要靠密封唇的尖角壓緊密封耦合面，理論上應(yīng)該是線接觸，而實(shí)際上是個(gè)窄帶接觸，但帶不能太寬，有足夠的壓緊力，且接觸應(yīng)力的分布呈峰值狀。對(duì)于唇口式密封，不能壓的太死，接觸帶也不能太寬[2]。從潤(rùn)滑和密封的雙重角度來分析，就是：如果壓的太死，則使密封件與耦合面處于半干摩擦狀態(tài)，加劇了密封件的磨損與發(fā)熱，縮短了使用壽命；若果接觸帶太寬，則可能形成厚膜潤(rùn)滑狀態(tài)，并由此向外泄露，降低了密封效果。其潤(rùn)滑原理如圖3所示。

圖3 潤(rùn)滑原理

4 密封失效原因分析

1)軋機(jī)工作時(shí)，輥頸油封在正反轉(zhuǎn)時(shí)，因密封橡膠圈的彈性，以及受摩擦力的作用，在環(huán)狀空間內(nèi)蠕動(dòng)拉長(zhǎng)，然后在彈性的作用下又收縮，在收縮的過程中由于摩擦力和重力的共同作用，使密封圈有落向環(huán)形空間底部的趨勢(shì)，最終會(huì)因密封圈自身的強(qiáng)度不能繼續(xù)向底部蠕動(dòng)滑落，此時(shí)密封圈唇口在頂部與密封面的過盈量會(huì)變小，即密封圈工作時(shí)在環(huán)形空間內(nèi)是下墜的非正圓狀態(tài)，下部密封唇口過盈量略大，頂部密封唇口過盈量略小。

如圖2所示，水封首先擋住大部分冷卻水，小部分滲入系統(tǒng)的水會(huì)順零件表面流動(dòng)到油封的封水側(cè)唇口處，由于離心力的作用，部分水聚集在封水側(cè)密封唇口與密封面的結(jié)合處，這個(gè)部位如果存在制造或磨損因素形成的縫隙，則水會(huì)進(jìn)入油封內(nèi)部，越過沒有向外密封功能的封油側(cè)密封唇，進(jìn)入軸承座的回油通道，進(jìn)入液壓系統(tǒng)的油箱。

2)下支承輥軸承座兩側(cè)標(biāo)高不一致：如因均壓墊、測(cè)壓儀模擬塊、階梯墊等因素造成標(biāo)高較大差異(>3 mm)，引發(fā)支承輥傾斜(如圖4所示)，密封的上部和下部狀態(tài)不一致，一邊受壓縮，另一邊則可能形成間隙，導(dǎo)致水分進(jìn)入。

圖4輥系垂直高差示意圖

3)軋機(jī)牌坊、工作輥、支承輥的軸心線不平行，軸承座在牌坊開口中的對(duì)中不良，軋機(jī)牌坊操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)磨損狀況不一致，導(dǎo)致支承輥軸承座在牌坊內(nèi)扭斜不對(duì)中(如圖5所示)，出現(xiàn)密封件一邊被壓緊，另一邊松弛的狀態(tài)，從而造成軸承進(jìn)水。

圖5 軋輥水平交叉示意圖

4)支承輥旋轉(zhuǎn)速度與剪切油量不匹配，致使軸承座內(nèi)生成負(fù)壓腔，形成吸水效果。

5 密封失效的危害

對(duì)潤(rùn)滑油的危害，進(jìn)入液壓系統(tǒng)的水，會(huì)與潤(rùn)滑油結(jié)合使?jié)櫥腿榛?，其運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、磨斑直徑、污染度等級(jí)等指標(biāo)變差，還會(huì)影響潤(rùn)滑系統(tǒng)脫水效果而損失部分潤(rùn)滑油，造成潤(rùn)滑油浪費(fèi)，環(huán)境污染。對(duì)設(shè)備的危害，DF密封失效會(huì)使這會(huì)使?jié)櫥偷某休d性能降低，大量氧化鐵皮、冷卻水等雜質(zhì)進(jìn)入油膜軸承，主要表現(xiàn)為軋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載增大、軸承滾柱變黑、潤(rùn)滑油流量下降、過濾器濾芯的壓差增大等，直接導(dǎo)致支承輥軸承座潤(rùn)滑嚴(yán)重不良，軸承座錐套靜壓壓力承載區(qū)嚴(yán)重磨損、巴氏合金大面積脫落，最終導(dǎo)致軸承座燒損。錐套損壞狀況如圖6所示。

(a) 燒損的錐套

(b) 巴氏合金起皮

(c) 巴氏合金脫落

6 解決密封失效的方法

1)對(duì)DF密封進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)加工誤差是造成密封失效的主要原因。由于油膜軸承潤(rùn)滑油箱內(nèi)的潤(rùn)滑油長(zhǎng)期存在進(jìn)水乳化的現(xiàn)象，因此我們對(duì)軸承可能的進(jìn)水部位進(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)調(diào)查研究，排除了軸承座其它靜密封部位進(jìn)水的可能，確認(rèn)進(jìn)水是從輥頸的動(dòng)密封部位，即DF密封系統(tǒng)進(jìn)入的?，F(xiàn)場(chǎng)使用過的油封如圖7所示。

圖7使用后的密封

根據(jù)DF密封設(shè)計(jì)的原則，允許少部分水越過水封，流到密封唇口與密封面處，但不允許密封唇口與密封面之間有縫隙，因此對(duì)DF密封的油封的密封唇尺寸和密封面尺寸進(jìn)行了測(cè)量檢查，密封斷面圖如圖8所示。

圖8 DF密封斷面圖

按圖8對(duì)油封的尺寸測(cè)量，經(jīng)檢查測(cè)量，在線使用過的油封密封唇口實(shí)際過盈量約3 mm。測(cè)量用盤尺測(cè)量油封腰部周長(zhǎng)，折算成直徑尺寸，再加腳部長(zhǎng)度尺寸，計(jì)算如下：

d=c/π

(1)

δ=(d+2l-d1)/2

(2)

式中： d——油封腰部直徑，mm； c——油封腰部周長(zhǎng)，mm； l——油封腿長(zhǎng),mm； d1——密封面直徑,mm。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)油封腰部周長(zhǎng)為4 170 mm，油封腿長(zhǎng)為41 mm，密封面直徑為1 403 mm，通過計(jì)算密封唇口的過盈量為3.2 mm，與拍照的用過的油封狀況相符。

對(duì)比使用的油封唇口磨痕，及實(shí)物測(cè)量結(jié)果，油封腰部的尺寸為1 327 mm，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸為1 335 mm，比設(shè)計(jì)尺寸小8 mm。由于制造的尺寸誤差，導(dǎo)致油封的唇口過盈量?jī)H為3.2 mm，通過對(duì)密封失效的分析，不能滿足密封要求。

由于DF密封是油膜軸承的關(guān)鍵組成部件，更是油膜軸承正常運(yùn)行的防護(hù)盾，由此將密封圈唇口的過盈尺寸加工達(dá)到設(shè)計(jì)的7.8 mm，公差應(yīng)為中位的公稱尺寸，即1335±1 mm。油封腰部用盤尺測(cè)量的尺寸應(yīng)為：(4 194±3)mm。這樣的改進(jìn)會(huì)對(duì)DF密封的密封性能起到很大的改善，能有效的解決油膜軸承進(jìn)水問題。

2)在更換支承輥時(shí)，嚴(yán)格測(cè)量均壓墊、測(cè)壓儀模擬塊、階梯墊等因素造成的標(biāo)高差，將高差控制在3 mm以內(nèi)。

3)在更換支承輥時(shí)，嚴(yán)格測(cè)量牌坊磨損情況，適時(shí)調(diào)整滑板厚度，兩側(cè)磨損應(yīng)均勻，將牌坊與軸承座之間的間隙控制在1 mm以內(nèi)。尺寸差因磨損超出原始差值的50%時(shí)應(yīng)采取措施修復(fù)牌坊。

4)通過程序控制供油過程，轉(zhuǎn)速提高時(shí)增大供油壓力，用來消除負(fù)壓腔的形成。

7 結(jié)論

通過改變密封尺寸、調(diào)整標(biāo)高、調(diào)整滑板厚度、增加供油壓力等方法，可以大大的改善支承輥油膜軸承的工況，提高設(shè)備使用率，延長(zhǎng)其使用壽命，降低備件費(fèi)用，為生產(chǎn)順行保駕護(hù)航！

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ANALYSISANDRESEARCHONTHEWATERINLETOFTHEOILFILMBEARINGROLLEROF2 800mmROLLINGMILL

Wang Jun

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

2017—03—07