連鑄機鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承座圈修復及總體擁有成本分析

李剛，李琰

（1.首鋼集團有限公司資產管理中心，北京 100041；2.斯凱孚（中國）銷售有限公司，上海 200011）

某煉鋼廠是世界首個單體年生產能力達到1000萬噸鋼的煉鋼廠，其連鑄機設計年產量可達360萬噸，由意大利DANIELI公司設計制造。此鋼廠鋼包回轉臺（又稱大包轉臺）屬于蝶式回轉臺，共有八套每側四套推力關節(jié)軸承，分布在升叉臂升降液壓缸兩端以及叉臂與回轉臺之間，叉臂通過推力關節(jié)軸承支承在回轉臺上，每個升降液壓的上下端均用推力關節(jié)軸承支承，通過液壓缸伸縮帶動叉臂升降。

由于鋼包回轉臺在澆鋼生產過程中始終處于高溫、高灰塵、強沖擊的工況條件下，推力關節(jié)軸承在應用一段時間后，軸承軸圈、座圈會產生部分磨損，潤滑管路也會產生損壞和堵塞，一般情況下更換新備件，舊件換下后報廢。但在推力關節(jié)軸承尚未達到設計壽命周期，且在可修復狀態(tài)下報廢不用，會造成企業(yè)備件采購費用較高，并產生資源浪費。因此，對更換下來的舊推力關節(jié)軸承進行狀態(tài)檢測，利用軸承再造技術進行修復，能夠進一步延長軸承使用壽命，有效降低成本，提升設備整體技術價值。

1 軸承工作狀態(tài)及特點

叉臂在接受鋼包或澆鑄時，不僅要在保持穩(wěn)定，而且也要能夠進行高度調節(jié)。由于在升降過程中，叉臂不能作平行的水平移動，而是需要繞回轉點上下升降，導致液壓缸及活塞桿必須能繞其支撐點移動。為了在液壓缸改變支撐角度時保持較小的復位力矩，使液壓缸及活塞桿能沿徑向移動，液壓缸座和活塞桿頭端要各連接一套推力關節(jié)軸承，叉臂兩臂與回轉臺也要各連接一套推力關節(jié)軸承，保證叉臂繞回轉點升降，如圖1所示。在生產過程中，推力關節(jié)軸承不僅要承受鋼包及叉臂的全部質量，隨液壓缸活塞桿伸縮做上下升降，還要在升降過程中能夠承受一定沖擊。因此，鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承具有轉速低、承載大、能承受沖擊的特點，其結構除了軸圈、座圈外，主要還有摩擦副襯墊和潤滑注油孔。

圖1 叉臂在不同位置時液壓缸及關節(jié)軸承狀態(tài)圖

2 軸承座圈摩擦副與潤滑

由于鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承具有上述工作狀態(tài)和特點，因此，座圈和軸圈之間摩擦副材質選擇至關重要，決定著軸承使用壽命的長短。此推力關節(jié)軸承摩擦副使用PTFE鋼基銅塑自潤滑復合材料，它以鋼板為基體，燒結銅粉作為中間層，表面層為PTFE，其機械性能取決于金屬基材，而摩擦性能取決于表面層的PTFE。金屬基材和塑料表面層通過燒結銅粉為媒介，使相互之間具有一定結合力。鋼板作為基體或骨架，保證材料具有高強度和高承載能力。銅粉孔層起導熱和容納塑料作用，而塑料層起到潤滑作用。因此，鋼基銅塑復合材料既有潤滑作用，又具有高強度、高承載能力。

摩擦副材質確定后，將自潤滑復合材料整形加工成襯墊，并在襯墊上加工錐形固定孔，使用沉頭螺栓將自潤滑材料襯墊緊固到座圈上。采用螺栓緊固方式固定摩擦副襯墊具有可修復更換、抗較大沖擊、固定可靠、適合高溫環(huán)境的優(yōu)點。

鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承在使用過程中，難免會有一些外界細小雜質、自潤滑材料細屑黏在座圈磨檫副和軸圈球面上，增加摩擦副與球面的摩擦系數，加快摩擦副與球面磨損。為降低磨損，在座圈球面上均勻分布三個注油孔，在球面上加工出網狀潤滑槽，如圖2所示。

在推力關節(jié)軸承工作時，定時從注油孔添加鋁基潤滑脂，通過潤滑槽在摩擦副襯墊和軸圈球頭均勻分布，達到進一步降低摩擦系數的作用。

圖2 鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承座圈球面結構示意圖

3 軸承受力

圖3 叉臂受力圖

鋼包回轉臺叉臂升降系統(tǒng)受力如圖3所示，叉臂在升降過程中受到鋼包和鋼水重力L、鞍座重力W1、叉臂重力W2和液壓缸推力F的作用，通過推力關節(jié)軸承R1，R2達到力矩平衡。根據作用力與反作用力關系，液壓缸兩端推力關節(jié)軸承R3和R4受到反作用力與F相等為10.13×106N，起到叉臂支點作用的推力關節(jié)軸承R2受到反作用力10.12×106N，R1受到反作用力4.51×106N，水平受力T=0。

由于推力關節(jié)軸承R2受力與液壓缸推力基本相同，且靠近鞍座，在生產時與盛滿鋼水的鋼包距離最近，環(huán)境最惡劣，拆解后發(fā)現(xiàn)磨損最嚴重，因此，選擇R2為研究對象。

4 軸承壽命估算

推力關節(jié)軸承在常溫、安裝正確、潤滑良好且無外來物進入、無過載使用的理想狀態(tài)下，其壽命為：

其中，aK為載荷特性壽命系數，aT為溫度壽命系數，aV為滑動速度壽命系數，aP為載荷壽命系數，aZ為軸承質量與潤滑壽命系數，KM為摩擦副材料相關系數，Cd為額定動載荷，v為滑動速度，P為當量動載荷。對于此公式，文獻[5]提出接觸面受力大小直接影響關節(jié)軸承的壽命，在計算關節(jié)軸承磨損壽命L時應用名義接觸應壓力p替代P才是合適的，因此，公式（1）調整為：

推力關節(jié)軸承R2參數為：球面公稱直徑dm=630mm，額定動載荷Cd=6.17×106N，當量動載荷即為推力關節(jié)軸承最大受力P=5.044×106N，計算得到推力關節(jié)軸承名義接觸壓力p=81.75MPa，符合鋼/PTFE復合物[p]≤100N/mm2的取值范圍。

R2擺角β=13°（叉臂抬升和下降角度均為6.5°），擺動頻率按照每天15擺次則f =1.736×10-4r/s，計算得到球面滑動速度v=2.902×10-4mm/s，符合鋼/PTFE復合物[v]≤300mm/s的取值范圍。

使用接觸疲勞壽命理論估算推力關節(jié)軸承壽命，軸承承受恒定載荷，aK=1；澆鋼時的環(huán)境溫度在85℃左右，aT取0.0235；經計算aV=1.736×10-4，aP=2.119×10-4；由于推力關節(jié)軸承潤滑形式為自潤滑和油脂潤滑相結合的形式，aZ取0.5；將上述參數代入公式（2）中得到推力關節(jié)軸承R2壽命L為3.32×105擺次。

5 軸承座圈修復

此推力關節(jié)軸承在惡劣工況下連續(xù)使用3年，中修時拆解檢測，軸承軸圈符合繼續(xù)使用條件，座圈不符合繼續(xù)使用條件。計算壽命為3.32×105擺次的推力關節(jié)軸承，僅使用了1.64×104擺次（5475擺次/年×3年）后，就因座圈磨損更換新軸承，既增加備件采購成本，又浪費資源。采用軸承修復技術恢復座圈性能繼續(xù)使用，達到延長壽命節(jié)約成本的目的。

5.1 修復前技術狀態(tài)及修復標準

（1）外觀檢查

座圈外表面油污嚴重；摩擦副自潤滑襯墊全部損壞；潤滑注油孔接頭變形。

（2）清洗拆解檢查

外表面及端蓋嚴重銹蝕；摩擦副銅合金內表面嚴重磨損；潤滑注油孔內潤滑管道堵塞；密封圈損壞；部分沉頭螺栓無法使用。

結合上述檢查情況，推力關節(jié)軸承座圈按照SKF軸承修復服務SL 3級進行修復，以“修復--拋光”為主，主要包括軸承解體，部件清潔、損壞檢查和分析、部件拋光和部分更換、組裝檢驗、全新包裝。

5.2 修復內容

結合SKF 3級修復標準，推力關節(jié)軸承座圈修復采用如下步驟：（1）對座圈外表面和端蓋進行除銹，研磨拋光；（2）拆除破損的摩擦副自潤滑襯墊；（3）清洗疏通座圈潤滑油路；（4）對摩擦副自潤滑襯墊貼銅合金鑲嵌基面進行修整，疏通基面軸向潤滑油槽；（5）測量座圈球徑實際尺寸，對比圖紙數據，加工研磨用假軸圈；（6）利用假軸圈對座圈內表面進行精研磨；（7）加工沖壓整形磨具，對鋼基銅塑自潤滑層材料進行沖壓整形，制作全新摩擦副自潤滑襯墊；（8）更換部分沉頭螺栓，裝配新摩擦副自潤滑襯墊，在襯墊表面鑲嵌PTFE材料；（9）進行整體尺寸和間隙檢測，符合圖紙要求和國家標準GB/T9162-2001、GB1176-87；（10）更換注油接頭和密封圈，潤滑系統(tǒng)試壓檢測；（11）進行防銹處理，成品包裝。

5.3 修復要點

文獻[2]、文獻[7]、文獻[8]等對推力關節(jié)軸承軸圈加工、座圈研磨、摩擦副襯墊裝配固定、潤滑油槽加工的工藝、要點及注意事項進行了詳細闡述。

（1）假軸圈的加工。由于推力關節(jié)軸承的軸圈未下線，要對座圈進行研磨，需要另行加工一個研磨用的假軸圈，假軸圈球面直徑630mm，材質為淬硬軸承鋼GCr15，比照軸圈加工工藝，按照“內孔端面——外孔端面——大倒角——外球面——基準面內外倒角--非基準面內倒角”順序對假軸圈進行車加工并進行熱處理。為保證假軸圈加工精度和效率，采用數控車床加工，需要借助已修復好的座圈測量球位、球徑尺寸，使用千分表邊加工邊測量。加工好后，使用三坐標機對假軸圈和座圈進行測量，檢驗假軸圈、座圈的球徑尺寸是否統(tǒng)一，保證假軸圈對座圈內表面精研磨質量。

（2）摩擦副襯墊的加工與裝配。由于襯墊作為軸圈與座圈之間的摩擦副介質，其圓弧弧度必須與座圈一直，才能準確裝配。襯墊材質是由鋼和銅兩種金屬經過高溫燒結而成，具有一定的韌性，要經過沖壓整形磨具反復調整沖壓才能完成。由于磨具是球臺形狀，因此，在磨具制作過程中，需要對球狀部位的球對稱度進行反復測量，保證加工完的摩擦副襯墊符合座圈尺寸要求。同時，按照座圈球面上潤滑油槽布局，做好新襯墊徑向潤滑槽布設。

裝配時，將摩擦副襯墊固定孔同座圈錐孔進行對應整形，使固定孔與座圈錐孔緊密貼合，采用沉頭螺栓進行有效固定。

6 軸承修復TCO成本分析

推力關節(jié)軸承是蝶式鋼包回轉臺重要部件之一，在其生產使用過程，除了軸承采購成本外，還會因突發(fā)軸承故障產生故障成本、占用庫存等其他機會成本，其總體擁有成本（TCO）比較高。

通過軸承修復再造技術建立推力關節(jié)軸承預防性維修，能夠有效降低其總體擁有成本，見圖4。

圖4 推力關節(jié)軸承修復TCO下降示意圖

（1）延長軸承使用壽命，節(jié)省備件采購成本。目前，軸承修復可為企業(yè)節(jié)省軸承采購費用可以達20%～90%。推力關節(jié)軸承在高溫、污染、腐蝕、潤滑不良的環(huán)境下使用3年，座圈實際狀態(tài)已不適合繼續(xù)使用，經過專業(yè)修復后，整個軸承可再正常使用2年，實際使用壽命達到5年。后續(xù)還可根據磨損狀態(tài)確定是否修復，再進一步延長實際使用壽命。

按照壽命系數=修復備件的使用壽命（月）/原件的使用壽命（月）＞0.5。

推力關節(jié)軸承座圈壽命系數=24個月/36個月=0.66＞0.5

通過修復延長軸承使用壽命，可以縮短備件采購交貨期，減少采購次數，降低采購成本。已用3年的推力關節(jié)軸承座圈進行修復后，至少還可以使用2年再進行新品采購，軸承實際壽命周期采購成本平均降低約40%。座圈新品采購費用為25.14萬元/套，修復費用為8.80萬元/套，僅為新品采購費用35%，有效節(jié)省采購成本；該推力關節(jié)軸承屬于客戶定制產品，交貨期一般在8個月左右，座圈修復供貨期一般在3個月左右，大大縮短軸承交貨期。

（2）減少非計劃故障停機，降低生產損失。推力關節(jié)軸承座圈下線后，如只進行單純更換不進行修復性檢查，導致座圈磨損的根本因素未得到有效解決或改善，不能形成軸承預防性維修機制。即便更換新品座圈，也會因溫度、潤滑、污染等加劇惡化，產生非計劃故障停機。如果因推力關節(jié)軸承故障非計劃停機導致停產，故障處理至少需要5人處理2天左右。按照日澆鋼9000噸，噸鋼成本600元/噸，人工成本400元/天測算，非計劃停機損失可達到1080.2萬元，見表1。

表1 推力關節(jié)軸承修復降低非計劃停機成本效益測算表

通過對下線的軸承座圈磨損情況進行診斷分析，主要是軸承潤滑不良導致座圈磨損，通過加大對鋼包回轉臺潤滑系統(tǒng)檢查，建立軸承預防性維修策略，進一步優(yōu)化了鋼包回轉臺整體設備性能，減少了非計劃停機時間，增加了連鑄機長澆次生產時間。

（3）減少新品備件庫存。一般情況下，鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承采取“用一套，備二套”模式，由于軸承使用周期在3年左右，因此，形成新品備件庫存占用。通過軸承修復，形成“用一套，備一套和修一套”模式，在相同的使用周期內，可適當減少新品軸承庫存，降低企業(yè)流動資金占用。

7 結語

通過對鋼包回轉臺推力關節(jié)軸承座圈修復方式進行探索，修復后軸承座圈使用壽命能滿足工藝生產要求。目前，修復后的推力關節(jié)軸承座圈已經使用2.5年，運行性能與新品軸承座圈基本相同，創(chuàng)出了16天508爐不間斷連續(xù)澆注生產記錄，推力關節(jié)軸承擺次達到約30r/d；不僅延長了軸承使用壽命，而且顯著降低了采購成本，還能減少軸承備件庫存；通過對軸承失效分析，建立預防性維修策略，提升鋼包回轉臺整體設備技術性能，提高設備利用率，降低總運維成本；同時，軸承修復也是節(jié)約材料和能源，實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的重要舉措。