新型油膜軸承端罩箱蓋試制試驗研究

項 丹,張婉茹,侯定邦,王建梅

(1.太原重型機械集團有限公司,太原 030024;2.太原科技大學(xué) 重型機械教育部工程研究中心,太原 030024)

油膜軸承承載能力大、抗沖擊能力強、運轉(zhuǎn)精度高、使用壽命長等特點,廣泛應(yīng)用于各類板帶材軋制、線材軋機上[1-3]。油膜軸承采用循環(huán)供油,端罩箱蓋同時隔離了外界冷卻水、避免雜質(zhì)進入軸承內(nèi)部,使油膜軸承與外界隔離,成相對封閉的潤滑體系,保護軸承和潤滑油的清潔度,延長了軸承的使用壽命。

由于軋機性能不穩(wěn)定,震動大,軸向力大,造成端罩法蘭螺母受力集中。鋼材料端罩自重大,30%端罩使用一段時間后下沉,變形、開關(guān)不靈活,造成端罩與箱蓋不同心,密封位置偏移,端罩漏油,進水,密封失效,造成潤滑油年損失約50余萬元。箱蓋焊耳筋板強度不夠,變形,使法蘭螺母壓靠不緊,造成密封失效。端罩箱蓋為單配加工,一件損壞,成套更換,造成浪費。

很多科研與技術(shù)人員對端罩箱蓋進行研究。寶鋼、包鋼、敬業(yè)鋼廠等液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)端罩,多年未發(fā)生端罩漏油情況,一年后端罩合格率100%,目標(biāo)值在技術(shù)上可行。王京軍研究分析酚醛玻璃鋼物理性能、防火、耐熱及抗穿透性能的主要性能特點,及其在城軌車輛司機室端罩上的應(yīng)用[4]。翟德梅研究了特種電機端罩沖壓工藝方案?；趬簵U穩(wěn)定理論,探討了該制件鐓壓凸肩的工藝條件,計算了所需的工藝力,介紹了其鍛壓成形模具的設(shè)計結(jié)構(gòu)、工作原理[5]。蘇兆煉經(jīng)分析了以禮河電廠三、四級電站臥式水輪發(fā)電機組軸承密封漏油問題的原因,調(diào)整軸承端蓋結(jié)構(gòu),增加泄油孔,嚴(yán)格落實安裝技術(shù)要求,提高安裝及檢修質(zhì)量,加強對機組的運行監(jiān)護,避免啟停,保證機組安全穩(wěn)定運行,提升了電站生產(chǎn)效益[6]。黃緒銀研究了H型鋼矯直輥操作側(cè)軸承端蓋密封的失效形式和改進措施。研究結(jié)果表明,氧化鐵皮和水進入軸承室內(nèi),污染了潤滑油,降低了設(shè)備使用壽命。全面升級改造矯直輥操作側(cè)軸承端蓋密封技術(shù),有效控制氧化鐵皮和水汽得到,保障了設(shè)備良好潤滑狀態(tài)[7]。葛春麗研究了雙軸承結(jié)構(gòu)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組,得出前端蓋采用屈服強度大的材料,可提高螺栓預(yù)緊力的范圍[8]。

本文總結(jié)了現(xiàn)有油膜軸承端罩存在的主要故障,提出采用硬質(zhì)玻璃鋼材料替代鋼材料的新型端罩,滿足設(shè)計要求,減小端罩自重。采用新的工藝方法,實現(xiàn)端罩箱蓋通配使用。通過建立端罩有限元模型,對端罩剛度進行剛度校核。通過鑄造、加工、安裝透視窗、安裝銅套、通配、把合等全部工序,完成玻璃鋼端罩箱蓋試制。減小端罩自重60%,降低端罩生產(chǎn)成本20%.提高端罩箱蓋成品批量合格率,實現(xiàn)產(chǎn)品尺寸標(biāo)準(zhǔn)化,滿足工藝要求和現(xiàn)場裝配互換性需求,降低了用戶維修成本。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

端罩箱蓋適用于軋機支撐輥上,保護軸承與外界隔離,形成獨立的潤滑系統(tǒng)空間。端罩箱蓋結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,由端罩、密封、銷軸、箱蓋組成。端罩、箱蓋通過銷軸定位配合,確保端罩開合自由,密封壓縮量足夠,保證整套軸承不漏油。

圖1 端罩箱蓋結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 End shield box cover structure diagram

目前油膜軸承端罩箱蓋主要存在故障有:端罩內(nèi)外壁脫漆;端罩下沉、變形、開關(guān)不靈活;端罩漏油,進水,密封失效,潤滑油流失浪費,造成整套油膜軸承油污染,導(dǎo)致整箱更換潤滑油的巨大損失;端罩箱蓋單配使用,效率低,銷孔偏斜,焊耳洗面不對中,銷軸受剪切力,用戶維修成本高;箱蓋焊耳筋板變形;端罩法蘭螺母受力集中。主要原因有:軋鋼現(xiàn)場環(huán)境惡劣;端罩自重大;箱蓋合套端罩時,根據(jù)箱蓋銷孔位置定位端罩銷孔,確定銷軸中心全憑經(jīng)驗;箱蓋銷軸孔與端罩配鉆加工,箱蓋通配難題在于龍門銑焊耳銑面,130鏜床加工銷孔,兩臺機床無法統(tǒng)一十字中心坐標(biāo);箱蓋焊耳筋板強度低;軋機性能不穩(wěn)定,震動大,軸向力大。

如圖2(a)所示,端罩內(nèi)壁、外壁均涂有防銹底漆、面漆,因軋鋼現(xiàn)場環(huán)境惡劣,導(dǎo)致脫漆現(xiàn)象。如圖2(b)所示,油膜軸承端罩為鋼件,因自重導(dǎo)致下沉,造成與箱蓋不同心,密封位置偏移,內(nèi)孔錐面配合上側(cè)過緊,下側(cè)大間隙漏油、密封失效。如圖2(c)所示,箱蓋焊耳筋板因強度低,導(dǎo)致變形,造成法蘭螺母壓靠不緊,密封失效。端罩因自重導(dǎo)致變形,開關(guān)不靈活。由于箱蓋銷軸孔采用與端罩配鉆加工,端罩箱蓋須單配使用,當(dāng)銷軸不對中、受力不均損壞,端罩箱蓋整體更換,增加用戶維修成本。

圖2 端罩箱蓋故障Fig.2 End shield box cover fault

2 改進措施

2.1 材料優(yōu)化

軋鋼現(xiàn)場環(huán)境惡劣,端罩箱蓋外部存在軋鋼冷卻水,油膜軸承循環(huán)供油,潤滑油從端罩箱蓋回油,造成端罩箱蓋部分浸在潤滑油中,潤滑油當(dāng)中含有酸、堿性物質(zhì)等添加劑,造成端罩箱蓋腐蝕。因此新型端罩采用硬質(zhì)玻璃鋼材料替代鋼材料,同時內(nèi)壁、外壁均涂防銹底漆、面漆,保證端罩箱蓋耐油、防滲、抗腐蝕、耐高溫,100 ℃以下不變形,不影響產(chǎn)品性能和使用壽命,同時減小端罩自重60%,降低端罩生產(chǎn)成本20%以上。通過理化性能測試,檢測玻璃鋼材料彎曲強度、拉伸強度、巴氏硬度、抗沖擊性等指標(biāo)。依據(jù)國標(biāo)GB/T 1447、1449、3854、1462抗拉強度大于等于108 MPa,彎曲強度大于等于147 Mpa,巴氏硬度大于等于34 HBa.

軸承內(nèi)部存在負(fù)壓,端罩具有一定強度把合螺栓,端罩強度低,造成端罩變形,需進行端罩錘擊試驗,試驗驗證了玻璃鋼端罩能夠滿足強度要求。根據(jù)硬質(zhì)塑料落錘沖擊試驗方法通則CB/T 14153-93,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硬質(zhì)塑料落錘沖擊試驗方法,適用于硬質(zhì)塑料管材,管件、異型材、板材及硬質(zhì)塑料零部件。依據(jù)通過法原理,采用端罩整體作為異形式樣,按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊高度及落錘質(zhì)量,結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場實際工況,制定試驗方案,對式樣進行沖擊。沖擊強度試驗:端罩體的端面正上方,質(zhì)量2 kg的鋼球,從2 m高度自由下落,沖擊后,表面應(yīng)無裂紋、損傷。端罩的側(cè)面(圓周面)正上方,質(zhì)量2 kg的鋼球,從2 m高度自由下落,沖擊后,表面應(yīng)無裂紋、損傷。

采用玻璃鋼材質(zhì),解決了端罩下沉、變形、開關(guān)不靈活故障,滿足設(shè)計要求,保證端罩密封性能。降本增效,實現(xiàn)零件輕量化設(shè)計。

2.2 工藝改進

端罩箱蓋通配難題在于,數(shù)控龍門銑加工箱蓋,數(shù)控130鏜銑床加工配合銷孔,兩臺機床無法將同一型號箱蓋找正到同一加工狀態(tài),即無法統(tǒng)一十字中心坐標(biāo)。且加工平面、基準(zhǔn)不同,造成累積誤差,影響箱蓋與端罩的配合精度。

改進工藝流程如圖3所示,通過龍門銑找正零件,定端罩與箱蓋密封槽中心為工件坐標(biāo)系零點,加工均布螺栓孔和焊板兩端面,同時以工件坐標(biāo)系零點為基準(zhǔn)將端耳外平面銑平,并標(biāo)注所銑平面到工件坐標(biāo)系零點的尺寸,作為數(shù)控130鏜銑床加工結(jié)合銷孔的尺寸基準(zhǔn),所銑平面同時作為找正箱蓋的左右基準(zhǔn)。端罩箱蓋加工基準(zhǔn)統(tǒng)一化,為后續(xù)箱蓋端罩加工提供必備條件。數(shù)控130鏜銑床將箱蓋放到機床平臺等高墊鐵上,根據(jù)端耳處所銑平面調(diào)整機床,使鏜桿軸線與端耳處所銑平面平行,壓緊箱蓋。主軸裝尋邊器去接觸端耳處所銑平面,根據(jù)數(shù)控龍門銑記錄的尺寸基準(zhǔn),計算銷孔中心到箱蓋基準(zhǔn)尺寸,機床編程計算尺寸跑坐標(biāo),獲得銷孔的正確位置。

圖3 工藝流程Fig.3 The process flow

銷軸均勻受力,保證端罩箱蓋錐面配合位置正確,實現(xiàn)密封壓縮量在合理范圍內(nèi)。油膜軸承采用循環(huán)供油,端罩箱蓋同時隔離了外界冷卻水、避免雜質(zhì)進入軸承內(nèi)部,使油膜軸承與外界隔離,成相對封閉的潤滑體系,保護軸承和潤滑油的清潔度,延長了軸承的使用壽命。通過工藝改進,解決了端罩箱蓋通配難題,實現(xiàn)產(chǎn)品尺寸標(biāo)準(zhǔn)化,提高端罩箱蓋成品批量合格率,降低了用戶維修成本,實現(xiàn)現(xiàn)場裝配互換性需求。

3 校核試驗

剛度試驗:和金屬材料相比,玻璃鋼材料具備和其相當(dāng)?shù)臋C械強度,剛度方面,玻璃鋼的彈性模型約為鋼材料的10%,受載時,玻璃鋼材料零件變形大。因此,玻璃鋼產(chǎn)品試驗前,需進行剛度試驗。通過給法蘭螺母施加預(yù)緊力矩,測量端罩耳子位移變形。預(yù)緊力矩450 N·m時,不同材料類型端罩應(yīng)力和位移變形對比,如圖4、圖5所示。

圖4 端罩應(yīng)力Fig.4 End shield stress

圖5 端罩變形Fig.5 End shield deformation

如圖4所示,以端罩作為研究對象,由有限元仿真分析可知,玻璃鋼材質(zhì)和鋼材質(zhì)的應(yīng)力分布無顯著差異。如圖5所示,以端罩作為研究對象,由有限元仿真分析可知,相同載荷下,玻璃鋼材質(zhì)的變形是鋼材質(zhì)的9.1倍,因此,玻璃鋼端罩必須進行剛度校驗。

由于玻璃鋼材料剛度降低,采用原密封結(jié)構(gòu)是否具備很好的密封性能,需測試玻璃鋼材料端罩密封性能。由于玻璃鋼材質(zhì)屬于脆性材料,需測試其在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能參數(shù),如沖擊功,延伸率,斷面收縮率等。

4 試制試驗

通過鑄造、加工、安裝透視窗、安裝銅套、通配、把合等全部工序,完成玻璃鋼端罩箱蓋試制。

如圖6所示,玻璃鋼端罩試漏試驗合格。通過設(shè)定硬度、拉力強度、彎曲強度參數(shù),完成玻璃鋼材料錘擊試驗。如圖7所示,玻璃鋼端罩碰撞試驗合格。如圖8所示,試驗過程中出現(xiàn)端罩端耳斷裂,經(jīng)過結(jié)構(gòu)、材料分析,更改端耳結(jié)構(gòu)。改進鑄造工藝,消除毛坯表面裂紋。如圖9所示。毛坯鑄塑有收縮變形現(xiàn)象, 20°斜面及端面采用機加工,保證圖紙要求。

圖6 試漏試驗Fig.6 Leakage test

圖7 碰撞試驗Fig.7 Collision test

圖8 端耳撕裂Fig.8 End ear tear

圖9 毛坯注塑收縮變形Fig.9 Blank injection shrinkage deformation

透視窗安裝需保證密封性,不得漏油。裝透視窗需預(yù)埋金屬螺紋、金屬環(huán),保證圖紙中位置精度要求。

如圖10所示,玻璃鋼端罩與箱蓋通配成功。通配后滿足法蘭螺母壓靠力要求,強度校核合格。通配端罩后壓緊活節(jié)螺栓,端耳強度校核合格,無裂紋,滿足設(shè)計使用要求。如圖11所示,試制四件玻璃鋼端罩,把合成功。

圖10 通配成功Fig.10 Wildcard successful

圖11 把合成功Fig.11 Closed successful

5 結(jié)論

(1)油膜軸承端罩箱蓋主要故障有:端罩內(nèi)外壁脫漆;端罩下沉、變形、開關(guān)不靈活;端罩漏油,進水,密封失效;銷孔偏斜,焊耳洗面不對中,銷軸受剪切力;箱蓋焊耳筋板變形;端罩法蘭螺母受力集中。原因分析為:鋼現(xiàn)場環(huán)境惡劣;端罩自重大;端罩箱蓋單配使用,箱蓋焊耳筋板強度低;軋機性能不穩(wěn)定,震動大,軸向力大。

(2)提出一種由硬質(zhì)玻璃鋼材料替代鋼材料的新型端罩,端罩自重減小60%,端罩生產(chǎn)成本降低20%.通過理化性能測試,玻璃鋼材料彎曲強度、耐水強度、拉伸強度、巴氏硬度、吸水率、耐酸、耐堿性、耐油性、耐水性、抗沖擊性等指標(biāo),均滿足設(shè)計工藝要求。

(3)采用新的工藝方法,并未明顯降低工作效率,端罩、箱蓋銷孔、端耳尺寸統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),避免了因單配加工問題造成使用中受力不均衡,改變了端罩箱蓋只能單配的現(xiàn)狀,實現(xiàn)了零件互換性要求,提高了端罩箱蓋成品批量合格率,滿戶了使用要求。

(4)目前已裝配四套玻璃鋼端罩,均滿足設(shè)計工藝要求和現(xiàn)場互換性需求。