熱連軋機(jī)油膜軸承密封改進(jìn)及有限元分析校核

王加林，胡 彪，錢有明，姚 威

（馬鋼股份公司四鋼軋總廠 安徽省馬鞍山 243000）

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，熱軋對(duì)油膜軸承的要求越來越高［1］，而油膜軸承正常工作的前提是擁有良好的密封性能，但熱軋的工作環(huán)境較差，軸承要時(shí)刻面臨冷卻水的沖擊，承受氧化鐵皮等雜質(zhì)隨時(shí)入侵的危險(xiǎn)［2］。因此防止雜質(zhì)、冷卻水的進(jìn)入，以及防止?jié)櫥偷男孤叮谴_保油膜軸承正常工作的保障［3］。

某廠2250熱連軋?jiān)诠ぷ鬟^程中出現(xiàn)油膜軸承進(jìn)水現(xiàn)象，支撐輥端面與密封件接觸部位出現(xiàn)凹槽，軸承襯套和軸套的燒熔、劃傷等非正常磨損等故障，嚴(yán)重影響到軋機(jī)的正常工作?，F(xiàn)以2250熱連軋精軋機(jī)為研究對(duì)象，參考油膜軸承密封機(jī)理，根據(jù)水封損壞形式，做出相應(yīng)的原因分析，提出水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并加裝擋水裝置，為油膜軸承的正常工作和維護(hù)提供保障，從而延長油膜軸承的使用壽命。

1 進(jìn)水原因分析

目前熱連軋廣泛使用的輥頸密封是DF密封［4］，而DF密封在軸承工作時(shí)出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象，主要有以下幾點(diǎn)原因：

（1）水封與輥徑密封面配合不當(dāng)，以及支撐輥工作時(shí)的軸向竄動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致水封與支撐輥端面的密封唇磨損，同時(shí)也會(huì)加劇支撐輥的端面（密封接觸面）的銹蝕，使支撐輥端面產(chǎn)生凹槽，二者間產(chǎn)生間隙或間隙增大，水封動(dòng)密封失效，進(jìn)水量會(huì)顯著增多；

（2）密封蓋與支撐輥不能直接接觸，二者之間存在一定間隙。冷卻水可通過該間隙流入擋水裝置內(nèi)，再落入水封上，直接沖擊到第一道封水唇，加劇支撐輥端面的銹蝕，從而導(dǎo)致水封動(dòng)密封失效。

2 改進(jìn)方案

2.1 水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)

水封與支撐輥端面的密封唇磨損必然造成水封密封唇和支撐輥端面接觸壓力降低，在支撐輥軸向竄動(dòng)時(shí)二者不能貼合，因此，可在支撐輥端面與水封接觸的圓環(huán)面上加工凹槽，采用螺釘裝配表明光潔的防銹耐磨圓環(huán)，如圖1所示，這樣可以降低水封與支撐輥端面的動(dòng)摩擦系數(shù)，延長水封壽命，起到鞏固油膜軸承密封的作用；同時(shí)，防銹圓環(huán)表面壽命也較長，并可在磨損到規(guī)定時(shí)間或磨損量后更換，延長支撐輥壽命。

2.2 加裝擋水裝置

采用圖2所示的擋水裝置結(jié)構(gòu)，將整圈的擋水板安裝在支撐輥上，與支撐輥采用螺釘聯(lián)接保證擋水板端面與支撐輥輥身端面之間貼合緊密，有良好密封性，同時(shí)在圖1的陶瓷密封蓋上增加導(dǎo)流圓弧槽。加裝擋水裝置，可以將大量的冷卻水和氧化鐵皮等直接攔擋在密封系統(tǒng)之外，有效防止冷卻水直接沖擊到第一道封水唇，也能減緩支撐輥端面的銹蝕，起到加強(qiáng)油膜軸承密封的作用。

圖1 水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

圖2 增加擋水板示意圖

2.3 具體實(shí)施

要實(shí)現(xiàn)上述兩種方案需要對(duì)支撐輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，在支撐輥端面加工一定的凹槽和螺釘孔，但如果加工過多的螺釘孔，會(huì)對(duì)支撐輥強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響，反而會(huì)減少支撐輥壽命。因此將兩種方案加以結(jié)合，在水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)的同時(shí)，添加擋水裝置，如圖3所示，耐磨圓環(huán)與擋水板使用同一組螺釘安裝固定在支撐輥端面，這樣既可以達(dá)到降低水封與支撐輥端面的動(dòng)摩擦系數(shù)，減緩水封唇的磨損；又可以實(shí)現(xiàn)防止冷卻水沖擊第一道封水唇，減緩支撐輥端面的銹蝕，將會(huì)給油膜軸承密封加上雙重保護(hù)，大大的延長了油膜軸承的使用壽命。

3 支撐輥強(qiáng)度校核

在支撐輥端面加工凹槽，采用螺釘裝配耐磨圓環(huán)和擋水板，對(duì)支撐輥強(qiáng)度有一定程度的削弱，特別是精軋F(tuán)1-F7的支撐輥，在輥身和裝配油膜軸承的圓錐段之間，并無軸肩，凹槽和螺釘孔是直接開在支撐輥輥身段，而支撐輥輥身全輥與工作輥接觸，其端面受到的應(yīng)力較大，支撐輥為重要零部件，制造成本高，因此，在支撐輥上開凹槽和螺紋孔，必須進(jìn)行校核計(jì)算，來驗(yàn)證方案的可行性。

圖3 精軋支撐輥輥身端面安裝耐磨圓環(huán)和擋水板裝配圖

3.1 理論計(jì)算初步驗(yàn)證

根據(jù)廠家所給信息，2250熱軋的支撐輥和工作輥材料相同，即兩輥的泊松比和彈性模量相同，查閱相關(guān)資料，選取兩輥的泊松比μ＝0.3，滿足Hertz理論計(jì)算要求，因此支撐輥與工作輥之間的最大接觸應(yīng)力可表示為［5］：

式中：q——作用于軋輥輥身單位長度上的均布載荷；

r1——工作輥輥身半徑；

r2——支撐輥輥身半徑；

E——支撐輥和工作輥的彈性模量。

在輥間接觸區(qū)中，除了校核最大接觸應(yīng)力外，還需保證支撐輥不產(chǎn)生疲勞破壞，支撐輥體內(nèi)的最大切應(yīng)力值也應(yīng)小于許用值。根據(jù)Hertz理論，支撐輥體內(nèi)最大切應(yīng)力可表達(dá)為：

對(duì)于2250精軋機(jī)的工作輥與支撐輥半徑分別為r1＝0.4 m，r2＝0.8 m；兩輥接觸長度l＝2.25 m。當(dāng)精軋機(jī)軋制力為4500 T，工作輥頸彎輥力為150 T，咬入沖擊系數(shù)為1.5時(shí)，則利用公式1、2計(jì)算可得σmax＝2055 MPa，τmax＝624 MPa。

對(duì)于2250精軋機(jī)的支撐輥半徑為最小輥徑r’2＝0.72 m時(shí)，其余數(shù)據(jù)不變，則利用公式1、2計(jì)算可得σ’max＝2093 MPa，τ’max＝636 MPa。

根據(jù)廠家所給信息及查閱相關(guān)資料可得，精軋機(jī)支撐輥的表面硬度為65-70HSC，許用應(yīng)力為［σ］＝2200 MPa，許用切應(yīng)力為［τ］＝670 MPa。因此經(jīng)過理論計(jì)算驗(yàn)證當(dāng)軋制力為4500 T時(shí)，精軋機(jī)支撐輥的最大接觸應(yīng)力和最大切應(yīng)力均小于許用值，因此輥身表面不會(huì)產(chǎn)生裂紋或剝落。

3.2 支撐輥有限元強(qiáng)度校核

建立2250精軋下支撐輥與工作輥三維裝配模型（圖4），對(duì)加工凹槽和螺釘孔的支撐輥進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，并將其中一對(duì)螺釘孔開在支撐輥受力點(diǎn)的正下方，形成應(yīng)力集中區(qū)域，從而得到支撐輥在極限狀態(tài)下的強(qiáng)度變化。

圖4 2250精軋支撐輥與工作輥三維裝配圖

支撐輥結(jié)構(gòu)改變前后的最大接觸應(yīng)力分別為2193.36 MPa、2195.67 MPa，相對(duì)于前面精軋機(jī)接觸應(yīng)力理論計(jì)算，有限元分析結(jié)果大于理論計(jì)算最大接觸應(yīng)力σ’max＝2093 MPa，但未超出支撐輥與工作輥之間許用接觸應(yīng)力值［σ］＝2200MPa。有限元仿真中，由于支撐輥與工作輥之間受力不均勻，導(dǎo)致仿真結(jié)果大于理論計(jì)算值，實(shí)際支撐輥與工作輥之間最大接觸應(yīng)力與理論值十分接近。

精軋機(jī)支撐輥結(jié)構(gòu)改變后的最大米塞斯等效應(yīng)力1025.64 MPa，出現(xiàn)在支撐輥輥身表面，比未開槽與螺釘孔的應(yīng)力968.20 MPa增大5.9%，且位置相同。2250精軋支撐輥工作層屈服強(qiáng)度為1100 MPa，兩次仿真結(jié)果未超出支撐輥工作層屈服極限。頂端螺釘孔沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象?？梢娫谙轮屋佪伾砑庸ぐ疾酆吐葆斂缀螅屋佪伾硭軕?yīng)力并沒有顯著變化。

將支撐輥輥身螺釘孔從加工面與分割開來，頂端螺釘孔區(qū)域最大米塞斯等效應(yīng)力出現(xiàn)在輥身端面上，為60.57 MPa，遠(yuǎn)小于支撐輥整體最大有效應(yīng)力；頂端螺釘孔最大切應(yīng)力14.43 MPa，相對(duì)于前面精軋機(jī)支撐輥內(nèi)部最大切應(yīng)力理論計(jì)算，有限元分析結(jié)果同樣遠(yuǎn)小于理論計(jì)算最大接觸應(yīng)力τ’max＝636 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過理論計(jì)算和有限元分析校核驗(yàn)證，精軋機(jī)支撐輥在密封接觸面加工凹槽和螺釘孔后，支撐輥的接觸應(yīng)力和輥內(nèi)切應(yīng)力均小于許用值，因此表面不會(huì)產(chǎn)生裂紋或剝落，證明了精軋機(jī)支撐輥在密封接觸面加工凹槽和螺釘孔對(duì)支撐輥強(qiáng)度是不影響的，從而證明了在支撐輥上加工相應(yīng)尺寸凹槽和螺釘孔是可行的，可以保證支撐輥強(qiáng)度和壽命滿足使用要求，進(jìn)而驗(yàn)證了精軋機(jī)水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)并添加擋水裝置方案是可行的。

4 結(jié)論

通過分析油膜軸承進(jìn)水原因，根據(jù)水封損壞形式，提出了兩個(gè)具有針對(duì)性的油膜軸承密封改進(jìn)方案，即水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)并加裝擋水裝置，給油膜軸承密封加上雙重保護(hù)，從而達(dá)到鞏固和加強(qiáng)油膜軸承密封的目的。

經(jīng)過理論計(jì)算和有限元分析校核驗(yàn)證，在支撐輥密封接觸面加工凹槽和適量的螺釘孔對(duì)支撐輥強(qiáng)度并不影響，滿足支撐輥強(qiáng)度和壽命使用要求，從而驗(yàn)證了水封安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)并添加擋水裝置是可行的。