熱軋粗軋機(jī)主傳動(dòng)接軸在線使用周期分析及改進(jìn)措施

劉鴻濤

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 問(wèn)題的提出

八鋼熱軋廠自投產(chǎn)以來(lái)，因主傳動(dòng)設(shè)備故障頻發(fā)，在線備件使用周期短，備件維修周期長(zhǎng)，維修成本高等問(wèn)題制約了熱軋高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

熱軋粗軋主傳動(dòng)接軸基本上每年都會(huì)出現(xiàn)故障或事故，尤其是2009年以后，粗軋上下接軸多次返修，發(fā)生的故障率居高不下，而且粗軋機(jī)主傳動(dòng)萬(wàn)向軸輥端萬(wàn)向節(jié)運(yùn)行1年就要下機(jī)維修，下機(jī)后基本都要更換十字包總成，費(fèi)用高；下接軸的剖分軸承壽命太短，只有7～10個(gè)月；粗軋主傳動(dòng)軸使用周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類型鋼廠。為此，針對(duì)熱軋粗軋存在的典型問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)分析，通過(guò)采取針對(duì)性的措施，使主傳動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 關(guān)于粗軋機(jī)主傳動(dòng)接軸剖分軸承的問(wèn)題

2.1 粗軋主傳動(dòng)軸承更換情況

粗軋平輥軋機(jī)傳動(dòng)裝置有上下兩根接軸，兩根接軸結(jié)構(gòu)一樣，完全可以互換，接軸平衡軸承型號(hào)一致，結(jié)構(gòu)均為剖分式雙列滾子軸承，只有平衡軸承座結(jié)構(gòu)不一致（圖1），但上下接軸的剖分軸承在投產(chǎn)以來(lái)更換數(shù)量卻差別很大。

圖1 托架支撐臂結(jié)構(gòu)圖

上接軸剖分軸承基本隨著接軸整體更換，投產(chǎn)以來(lái)12年間更換5套，而下接軸剖分軸承事故故障不斷,投產(chǎn)以來(lái)12年間更換15套，尤其在2013年由于事故頻發(fā)，1年期間更換4套軸承。

2.2 原因分析

分析統(tǒng)計(jì)失效軸承樣本數(shù)據(jù)（表1），造成對(duì)軸承失效的影響因素前6項(xiàng)占總項(xiàng)次的80%，潤(rùn)滑質(zhì)量是主要影響原因。

表1 失效軸承樣本數(shù)據(jù)

上下接軸剖分軸承的潤(rùn)滑均為同一臺(tái)潤(rùn)滑泵提供定期干油潤(rùn)滑，同時(shí)結(jié)合不定期的人工補(bǔ)油。在多次事故發(fā)生過(guò)程中，軸承座兩側(cè)均有融化的油脂痕跡，同時(shí)通過(guò)對(duì)損壞剖分軸承的拆解，認(rèn)為該軸承的損壞不是因缺油造成。

2.2.1 軸承安裝分析

圖2 剖分軸承結(jié)構(gòu)圖

剖分式軸承型號(hào)為SBNN750A（圖2）,主要配合尺寸為：軸外圓公差Φ750mm（+0.03～+0.08），軸承座內(nèi)孔Φ960mm（-0.045～+0.045）。設(shè)計(jì)軸承對(duì)應(yīng)孔軸的配合尺寸為：軸承內(nèi)孔Φ750mm（-0.03～+0.03），軸承外圓 Φ960mm（-0.115～-0.055）。均為小間隙配合。軸孔配合主要靠設(shè)計(jì)、加工保證，現(xiàn)場(chǎng)安裝主要檢測(cè)內(nèi)圈兩半的重合間隙，每次保證0.05mm塞尺不能塞入，同時(shí)保證軸承的兩半重合面避開(kāi)下部承載區(qū)（斷面靠水平位置安裝，避免垂直位置），由此推斷軸承安裝也不是事故主要原因。2.2.2 受力分析

熱軋平輥軋機(jī)屬于經(jīng)典四輥軋機(jī)，從結(jié)構(gòu)本身來(lái)說(shuō),并不會(huì)產(chǎn)生軸向力,但由于軋機(jī)部件在裝配時(shí)有裝配誤差,軋制時(shí)的來(lái)料存在沿寬度方向的厚度誤差，軋機(jī)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中受水、汽等環(huán)境因素影響，有關(guān)零部件會(huì)產(chǎn)生磨損和變形，這些因素導(dǎo)致軋機(jī)產(chǎn)生軸向力。

在對(duì)粗軋機(jī)工作輥平衡缸缸體滑板加工配墊，檢修更換粗軋機(jī)下支承輥牌坊窗口磨損超標(biāo)的滑板后，軋機(jī)下部輥系軸線存在偏斜狀況（如圖3），致使軋鋼時(shí)產(chǎn)生軸向分力軋制。

圖3 軋輥軸線交差簡(jiǎn)圖

軋輥軸向鎖緊板間隙未按照≤2mm控制，鎖緊滑板的磨損，造成與牌坊鎖緊板的間隙超出標(biāo)準(zhǔn)，失去對(duì)軋輥軸向鎖緊的作用。

剖分軸承使用的是圓柱滾子軸承，對(duì)角度偏差極為敏感,工作輥軸線與支承輥軸線稍有傾斜,就會(huì)使軸承受力不均，發(fā)生徑向力偏聚，產(chǎn)生較大附加軸向力。角度偏差越大,軋制軸向分力越大,而加載在剖分軸承上的軸向力分只能靠剖軸承內(nèi)外圈上的止口承受，在軸向力長(zhǎng)期往復(fù)的作用下，剖分軸承相關(guān)部件容易發(fā)生疲勞斷裂。軋制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速50～80r/min，每軋一塊鋼接軸轉(zhuǎn)動(dòng)75～120圈，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈接軸受軋制軸向力影響就會(huì)往復(fù)移動(dòng)一次，每天約軋制400塊鋼，每年約軋制10萬(wàn)塊鋼，最終造成剖分軸承損壞。

2.2.3 上下接軸軸承座結(jié)構(gòu)差異分析

上托架剖分軸承支撐臂設(shè)計(jì)成兩端對(duì)稱耳軸結(jié)構(gòu)，只承受少量軸向力（圖4），沒(méi)有傾翻力矩，上接軸軸承座平衡力受力點(diǎn)在軸承座兩側(cè)鉸接軸處，當(dāng)接軸有軸向竄動(dòng)時(shí)，軸承座可隨著托板沿竄動(dòng)方向擺動(dòng)，抵消軸向力。下接軸平衡力受力點(diǎn)在軸承座正下方，油缸托塊在軸承座底部與接軸軸線傾斜上托，造成附加傾翻力矩，軋輥軸向竄動(dòng)時(shí)，軸承座傾翻力矩附加沖擊載荷，易造成剖分軸承損壞。熱軋2018年6月16日粗軋機(jī)下工作輥發(fā)生一次軸竄，竄動(dòng)較大導(dǎo)致下工作輥鎖緊板四顆連接螺栓全部沖斷，第二天隨即發(fā)生下剖分軸承損壞事故，而上剖分軸承托板變形，剖分軸承沒(méi)有損壞。

圖4 接軸剖分軸承受力簡(jiǎn)圖

3 粗軋機(jī)主傳動(dòng)接軸輥端萬(wàn)向節(jié)的問(wèn)題

3.1 粗軋平輥軋機(jī)接軸輥更換情況

粗軋平輥軋機(jī)傳動(dòng)裝置上下兩根接軸各有1套輥端萬(wàn)向節(jié)，在2012年前基本每年更換1套，更換下來(lái)的萬(wàn)向節(jié)需返修，主要是更換磨損件，對(duì)裂紋部分補(bǔ)焊加工。2014年連續(xù)更換3套萬(wàn)向節(jié)，全部是因?yàn)榉敌藜淄矓嗔选?014年起更換下的返修件的十字包組件全部換新品，扁頭套探傷再修復(fù)或換新，基本能使用12個(gè)月，過(guò)鋼量約在300萬(wàn)t，同類鋼廠過(guò)鋼量基本在500萬(wàn)～600萬(wàn)t，差距較大。

3.2 原因分析

3.2.1 扁頭套頂角裂紋分析

如圖5所示，扁頭套孔內(nèi)安裝一對(duì)可拆卸更換的方型襯板，為方便安裝方形襯板需將扁頭套孔內(nèi)開(kāi)出較深的槽。分析其結(jié)構(gòu)，一般溝槽的頂角是應(yīng)力集中點(diǎn)和斷裂薄弱點(diǎn)，降低了扁頭套整體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。實(shí)際使用過(guò)程中在溝槽頂角出現(xiàn)裂紋后，裂紋數(shù)會(huì)逐漸增多并不斷延伸，徑向延伸至20mm后裂紋延伸速度根據(jù)觀察會(huì)變緩，溝槽的側(cè)邊與襯板接觸部位發(fā)生塑性變形。

分析產(chǎn)生裂紋原因:（1）軋鋼曾遇到斷輥、堆鋼等事故產(chǎn)生瞬間過(guò)扭矩，原襯板安裝側(cè)隙較大，使扁頭套扁槽頂角受力薄弱處撞擊發(fā)生塑性變形，引起頂角裂紋發(fā)散;（2）當(dāng)裂紋發(fā)生后襯板側(cè)間隙增大，引起襯板側(cè)邊磨損加劇;（3）當(dāng)裂紋在徑向延伸20mm后，頂角周圍發(fā)散許多裂紋，裂口變寬尖角變鈍，原因是大型零件局部過(guò)載內(nèi)部易發(fā)生塑性變形，尖角應(yīng)力集中點(diǎn)不斷變化，致使裂紋變多、延伸速度變緩。

圖5 扁頭套襯板安裝簡(jiǎn)圖

3.2.2 扁頭套磨損分析

為了換工作輥時(shí)工作輥扁頭能順利與扁頭套結(jié)合或分離，接軸扁頭套與軋輥扁頭間設(shè)計(jì)有一定的間隙（圖6），但由于磨損和頻繁換輥的緣故，此間隙會(huì)不斷增大，引起軋鋼時(shí)咬鋼沖擊。

圖6 軋輥扁頭與扁頭套裝配時(shí)的間隙

軋輥在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，接軸扁頭套與軋輥扁頭的裝配間隙在空轉(zhuǎn)時(shí)是閉合不變的，當(dāng)軋件咬入后，由于軋件頭部對(duì)軋輥的沖擊，軋輥輥縫必然產(chǎn)生變化，而這一變化瞬間，原不變的間隙脫開(kāi)后又立即重新閉合，因而產(chǎn)生沖擊。主傳動(dòng)接軸中間隙越大，咬入沖擊程度越大，則襯板的磨損也就越大。隨著使用時(shí)間的增加扁頭套的耐磨襯板、圓弧面、軋輥扁頭的扁平面、圓弧段均存在較大磨損，按照使用經(jīng)驗(yàn)扁頭與扁頭套間隙超過(guò)2mm，接軸擺動(dòng)就愈發(fā)明顯，隨之主傳動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大異響。

4 改進(jìn)措施

4.1 制定精度控制措施

制定粗軋輥系設(shè)備精度控制表（表2），定期對(duì)設(shè)備精度檢測(cè)，通過(guò)控制設(shè)備精度減少軸向軋制力對(duì)剖分軸承的沖擊載荷。（1）對(duì)粗軋機(jī)牌坊對(duì)中度進(jìn)行定期檢測(cè)，對(duì)粗軋工作輥軸承座尺寸進(jìn)行檢測(cè)復(fù)核，出現(xiàn)超標(biāo)及時(shí)處理恢復(fù)。（2）對(duì)粗軋工作輥鎖緊板間隙、工作輥軸承座尺寸進(jìn)行檢測(cè)，恢復(fù)尺寸精度，滿足標(biāo)準(zhǔn)間隙值（≤2mm）。（3）對(duì)下電機(jī)推力軸瓦竄動(dòng)量進(jìn)行檢測(cè)，確定是否超差及是否更換。

表2 粗軋輥系設(shè)備精度控制表

4.2 技術(shù)改進(jìn)措施

4.2.1 改進(jìn)扁頭套修復(fù)措施

輥端萬(wàn)向節(jié)扁頭套頂角裂紋采用挖除裂紋焊補(bǔ)的方式修復(fù)，修復(fù)改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖7。扁頭套7階梯孔內(nèi)通過(guò)螺栓10和螺母11分別連接一對(duì)內(nèi)十字襯板9和外襯板8，其特征是:內(nèi)十字襯板9和外襯板8組合成階梯襯板，使大拐角改為兩臺(tái)階小拐角，承載斷面尺寸變大;外襯板8受力后可通過(guò)內(nèi)十字襯板9分散為互為抵消的力，使扁頭孔受力分散，減少應(yīng)力集中。

圖7 扁頭套襯板修復(fù)改進(jìn)圖

4.2.2 增加扁頭套定心環(huán)

針對(duì)襯板及扁頭套體磨損過(guò)快的問(wèn)題，對(duì)扁頭套配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在扁頭套端部增加定心環(huán)（圖8），提高軋輥扁頭與扁頭套的定位精度，減少扁頭與扁頭套襯板間的相對(duì)滑動(dòng)。

圖8 扁頭套增加定心環(huán)簡(jiǎn)圖

4.2.3 對(duì)扁頭套進(jìn)行激光熔覆修復(fù)

結(jié)合精軋接軸扁頭套修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，采用激光熔覆的方式對(duì)粗軋扁頭套圓弧面進(jìn)行修復(fù)。與普通堆焊方式相比激光熔覆修復(fù)具有與基體結(jié)合強(qiáng)度更高、熔覆質(zhì)量致密、熔覆層組織的稀釋率低、熱影響區(qū)小、具有更高的硬度和耐磨性等特點(diǎn)?？梢詼p少扁頭套圓弧面的磨損。

4.2.4 其它措施

改變下接軸剖分軸承結(jié)構(gòu)形式，采用稀油潤(rùn)滑的軸瓦結(jié)構(gòu)，以承受較大軸向力。參考上接軸剖分軸承座結(jié)構(gòu)形式并進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，改變下接軸軸承座受力情況，以減少剖分軸承的軸向受力。

5 改進(jìn)后效果

5.1 提高使用壽命

粗軋機(jī)主軸修復(fù)周期及下軸主軸剖分軸承壽命，均在原有基礎(chǔ)上提高一倍（表3），過(guò)鋼量由原來(lái)的300萬(wàn)t提高到500萬(wàn)t-600萬(wàn)t。扁頭套2018年開(kāi)始采用激光熔覆修復(fù)，使用上線6個(gè)月，圓弧面磨損不到0.2mm。

表3 粗軋機(jī)關(guān)鍵備件使用周期前后對(duì)照表

5.2 故障率降低

從2017年4月至2019年4月，因粗軋機(jī)主傳動(dòng)接軸故障造成的生產(chǎn)線停機(jī)只在2018年6月發(fā)生1次，因軋輥軸承座超標(biāo)造成軸向竄動(dòng)導(dǎo)致剖分軸承損壞故障，其余月份沒(méi)有發(fā)生此類故障。

5.3 降低維修費(fèi)用

粗軋機(jī)主軸修復(fù)由1次/年提升為1次/3年，大幅減少了每年備件修復(fù)費(fèi)用。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響粗軋機(jī)主傳動(dòng)接軸在線使用周期的因素分析，粗軋機(jī)上接軸扁頭套采取加裝定心環(huán)后，扁頭套磨損明顯低于未加定心環(huán)的接軸扁頭套。激光熔覆修復(fù)的扁頭套圓弧面，雖然初步上線使用，但在半年使用周期內(nèi)磨損明顯低于常規(guī)修復(fù)方法的扁頭套。后續(xù)兩者結(jié)合的使用效果很值得期待。同時(shí)由于設(shè)備精度工作的持續(xù)改善，對(duì)剖分軸承的在線使用周期也產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。