摩根五代高線軋機油膜軸承探討
2015-09-22
唐鋼高線廠二車間的線材生產(chǎn)設(shè)備是北鋼院仿摩根五代設(shè)計, 由西航生產(chǎn)制造的高速線材軋機, 其軋制速度最高可達90m/ s, 到目前為止, 是我國生產(chǎn)的軋制速度最高的線材軋機。整臺設(shè)備的機械部分大多數(shù)由國內(nèi)制造, 只有少數(shù)零件是進口, 如油膜軸承,可見油膜軸承之重要。這是因為除油膜軸承自身原因外, 由于安裝問題, 供油問題, 軋機進水, 油中雜質(zhì)等原因都會導(dǎo)致抱瓦, 造成重大設(shè)備事故。所以各高線生產(chǎn)廠家都非常重視油膜承,90m/ s 以上高線軋機大多數(shù)都使用進口軸承。我廠高線軋機在試生產(chǎn)時, 由于備件質(zhì)量問題造成經(jīng)常燒瓦, 致使進口油膜軸承備件不足, 幾乎影響生產(chǎn)。進口備件的供貨周期長和價格高, 我們應(yīng)該考慮用國產(chǎn)油膜軸承來取代?！ ? 油膜軸承工作原理 首先我們來揭開高線軋機油膜軸承神秘的面紗?！ 「咚倬€材軋機的特點就是高速重載, 用滾動軸承難以承受, 用滑動軸承是最理想的選擇。滑動軸承是用潤滑介質(zhì)來減少摩擦副之間的摩擦, 從而減少摩擦副之間的磨損。潤滑介質(zhì)粘度愈大, 則摩擦副抗徑向載荷能力愈強。對于大軋制力的高線軋機, 通常是用高粘度潤滑油作潤滑介質(zhì)。這種以潤滑油作介質(zhì)的滑動軸承就叫油膜軸承。 高線軋機油膜軸承都是動壓軸承, 其工作原理是: 軋制過程中, 由于軋制力的作用迫使軋輥軸軸頸偏離油膜軸承中心, 使油膜軸承與軸頸之間的間隙形成兩個區(qū)域, 一個叫發(fā)散區(qū)( 沿軸頸轉(zhuǎn)動方向間隙逐漸增大) , 另一個叫收斂區(qū)( 沿軸頸轉(zhuǎn)動方向間隙逐漸減小) 。潤滑油借助供油系統(tǒng)的壓力進入油膜軸承后, 轉(zhuǎn)動的軸頸把具有一定粘度的潤滑油帶入收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)。在楔形收斂區(qū), 有粘度的潤滑油從大間隙處擠入小間隙處, 從而形成壓力。間隙越小, 壓力越大, 最小油膜厚度處( 即收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)的分界處)壓力最大。潤滑油一進入發(fā)散區(qū)后, 壓力立即消失。潤滑油收斂區(qū)各點處壓力的合力( 承載力) 作用的軸頸上, 與作用在軸頸上的軋制力方向相反, 當承載力小于軋制力時, 軸頸沿軋制力方向移動, 收斂區(qū)的楔形變陡, 即楔形的梯度變大, 承載力也隨之變大直至等于軋制力。當轉(zhuǎn)速和軋制力發(fā)生變化, 軸頸的工作位置也會相應(yīng)發(fā)生變化?！ ? 雷諾( Reynolds) 方程 油膜軸承間隙內(nèi)各點的油膜壓力與其位置坐標、軸頸轉(zhuǎn)速、潤滑油粘度、油膜軸承間隙之間的關(guān)系可用Reynolds 方程來描述。Reynolds 方程是一個偏微分方程, 只有在進行了許多理想的假設(shè)后才可能求出解析解, 其數(shù)值解只有借助于計算機方可求出。由Reynolds 方程本身我們可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律。油膜壓力求出后, 對其進行積分等運算就可求出承載力。油膜壓力沿周向和軸向分布圖見圖1 和圖2, 承載力隨偏心率E ( 偏心距/半徑間隙) 變化曲線見圖3。其中:F 表示軋制力, W 表示承載力, V 表示速度, e 表示偏心距, W表示偏位角?！ ∮绊懗休d力的主要因素包括軸頸速度、潤滑油粘度、收斂區(qū)楔形梯度。軸頸轉(zhuǎn)速越快軋制力越大, 潤滑油粘度越大承載力越大。但潤滑油粘度隨溫度增高而降底, 溫度又隨軸頸轉(zhuǎn)速增大而升高, 所以雖然軸頸速度提高, 但受潤滑油粘溫特性限制, 承載力提高的幅度受到影響。另外, 油膜軸承內(nèi)表面因油膜壓力大產(chǎn)生的彈性變形及因軋制力大而產(chǎn)生的軸頸撓度變形都會影響收斂區(qū)楔形梯度, 使之變小, 從而使承載力變小。 3 高線軋機的特點對油膜軸承提出的要求 摩根五代高速線材軋機是以高速重載為其主要特點, 它給油膜軸承提出了以下要求: (1) 高速帶來的問題是潤滑油的溫升, 要求油膜軸承具有很好的散熱能力。 (2) 重載帶來的第一問題是軸頸的撓曲, 要求油膜軸承具有一定的自位能力。 (3) 重載帶來的第二個問題是油膜軸承內(nèi)表面變形的問題, 要求油膜軸承具有一定的抗變形能力?！ ? 油膜軸承的結(jié)構(gòu) 油膜軸承的結(jié)構(gòu)尺寸主要有外徑、寬度、壁厚、軸承油槽、油腔等, 選擇油膜軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)的目的就是要使流入軸承間隙內(nèi)的潤滑油的流量增大, 以帶走因高速而產(chǎn)生的溫升; 增大投影面積( 油膜軸承內(nèi)徑乘以寬度) 和收斂區(qū)楔形的梯度, 以提高承載力。不同機架上油膜軸承的外徑和寬度雖有不同, 但其長徑比都在017 左右。當軸承外徑由軋機輥箱確定之后,壁厚越厚則軸承內(nèi)徑越小, 潤滑油流量也越小, 同時投影面積也越小, 最終導(dǎo)致承載力降低, 所以摩根油膜軸承的壁都很薄。另外, 6d摩根油膜軸承的壁厚沿周向從中間向兩邊逐步減薄, 使油膜軸承的內(nèi)表面成為一個橢圓, 從而增大了楔形梯度, 提高了承載力。摩根油膜軸承隨著高線軋機的軋制速度和軋制力的提高, 其外圓直徑和油腔結(jié)構(gòu)也在不斷改進。以6d油膜軸承為例, 三代摩根高線軋機為<108mm, 油腔結(jié)構(gòu)見圖4, 五代摩根高線軋機為<127mm, 油腔結(jié)構(gòu)見圖5?！ 膱D4 的油腔結(jié)構(gòu)可以看出, 只有一個油孔進油, 進入油膜軸承間隙內(nèi)的潤滑油, 首先得通過狹窄的周向油槽再到軸向分油槽, 將潤滑油沿周向分開,潤滑油流量小、油阻大。而從圖5 我們可以發(fā)現(xiàn)有四個油孔可以進油, 進入油膜軸承間隙內(nèi)的油, 立即在油腔內(nèi)沿軸向散開, 潤滑油流量大, 油阻小。所以摩根五代比摩根三代油膜軸承潤滑油流量更大, 溫升更低, 更適合高速工況。另外, 為了減小由軋制力產(chǎn)生的軸頸撓度變形, 摩根高線軋機在軋輥軸頸上預(yù)先加工出了一個錐度?！ ? 油膜軸承的材料 傳統(tǒng)軋機的油膜軸承材料大多采用鋼) 巴氏合金二層金屬材料, 這是因為巴氏合金具有很好的鑲嵌性和順應(yīng)性, 同時具有很低的摩擦系數(shù), 但當油膜壓力達到14MPa 時, 其彈性變形不可忽略。銅鉛合金的摩擦系數(shù)同樣低, 其抗變形能力和熱傳導(dǎo)能力均優(yōu)于巴氏合金, 只是鑲嵌性和順應(yīng)性不如巴氏合金。如果在銅鉛合金上再復(fù)合上一層巴氏合金, 則可將巴氏合金和銅鉛合金的優(yōu)點都發(fā)揮出來。摩根油膜軸承就是采用這種鋼) 銅鉛合金) 巴氏合金三層金屬材料。實際上復(fù)合材料有五層, 在銅鉛合金與巴氏合金之間有一層鎳柵層, 整個外表面還有一層防護層。巴氏合金層中的錫主要是起抗有機物質(zhì)的腐蝕, 但錫原子很容易擴散到銅合金層去, 用鎳柵層來阻擋, 以提高油膜軸承的抗腐蝕性能。表面防護層是對整個表面起防銹作用。由于整個軋鋼過程中, 軋制力是以矩形波的形式出現(xiàn), 承載力也是以矩形波的形式作用在油膜軸承的內(nèi)表面, 對巴氏合金層產(chǎn)生一種疲勞工況, 因此巴氏合金層不能太厚, 一般都在0105mm 左右。三層金屬材料油膜軸承不僅利用了巴氏合金的鑲嵌性和順應(yīng)性好的特點, 還利用了銅鉛合金抗壓性和散熱性好的特點, 很好地滿足了高線軋機高速重載對油膜軸承提出的性能要求, 因而被廣泛地應(yīng)用地各類高線軋機上。三層金屬材料油膜軸承還有一個特點,就是便于工人掌握更換的時機, 油膜軸承如果露銅,就該更換了?！ ? 油膜軸承使用中應(yīng)注意的幾個問題了解了油膜軸承的工作原理、結(jié)構(gòu)和材料, 我覺 得它并不神秘。國產(chǎn)油膜軸承是完全可能替代進口摩根軸承, 以降低成本, 保證正常生產(chǎn)。但在生產(chǎn)中,還應(yīng)該注意以下幾個問題: ( 1) 油膜軸承在儲運過程及裝配過程中不許碰傷內(nèi)表面?！ ? 2) 油膜軸承裝配應(yīng)該使用裝配工具, 裝配間必須配備醫(yī)用冰箱( - 80 e ) 。裝配時, 先將油膜軸承放入冰箱冰凍1h 左右, 迅速取出去, 立即用手輕輕壓入導(dǎo)套, 再用壓錘在導(dǎo)套內(nèi)將油膜軸承壓到底, 然后, 將導(dǎo)套放到偏心套上對準位置, 用壓錘將導(dǎo)套內(nèi) 的油膜軸承壓入偏心套內(nèi)。切忌用手扶加大錘打的辦法進行裝配, 否則將可能導(dǎo)致油膜軸承變形, 裝不進輥軸。 (3) 油膜軸承裝配時一定要先沖洗干凈再行安裝。切不可將雜質(zhì)帶入輥箱, 否則可能燒瓦。油膜軸承裝配完畢, 一定要進行測量, 檢查油膜軸承間隙是否滿足要求, 同時作好記錄。 ( 4) 潤滑油要經(jīng)常進行化驗, 檢查潤滑油中金屬雜質(zhì)的含量是否超標, 檢查油水分離情況和潤滑油中水的含量, 必要時進行處理。國內(nèi)高線軋機燒瓦絕大多數(shù)情況是由于潤滑油中含金屬雜質(zhì)或含水量超標所致?！ ? 5) 軋制過程中, 要經(jīng)常檢查潤滑油的供油壓力。由于供油管不暢或過濾器堵塞而造成供油壓力低, 供油流量不夠, 形成不了油膜或溫升高降低了承載力, 最后會導(dǎo)致燒瓦?！ ?6) 應(yīng)該定出合理的檢修周期, 定期對輥箱進行檢修維護, 及時更換油膜軸承。油膜軸承露銅就應(yīng)該更換, 這是因為銅鉛合金雖然是很好的減磨材料, 但鑲嵌性不太好, 如果潤滑油中有金屬雜質(zhì), 就容易燒瓦。另外, 如果更換下來的輥箱, 檢修以后不是放回原來的位置, 那最好也要換掉油膜軸承。因為每個機架軋制力、轉(zhuǎn)速等工況都不一樣, 軸頸的工作位置也不一樣, 膜痕因此也不會一樣, 換到另一位置就會增加燒瓦的機會。
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