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)設備是北鋼院仿摩根五代設計, 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。整臺設備的機械部分大多數(shù)由國內制造, 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, 油中雜質等原因都會導致抱瓦, 造成重大設備事故。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, 我們應該考慮用國產(chǎn)油膜軸承來取代。 1 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?；瑒虞S承是用潤滑介質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。這種以潤滑油作介質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)( 沿軸頸轉動方向間隙逐漸增大) , 另一個叫收斂區(qū)( 沿軸頸轉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。當轉速和軋制力發(fā)生變化, 軸頸的工作位置也會相應發(fā)生變化。 2 雷諾( Reynolds) 方程 油膜軸承間隙內各點的油膜壓力與其位置坐標、軸頸轉速、潤滑油粘度、油膜軸承間隙之間的關系可用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?！ ? 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?！ ? 油膜軸承的結構 油膜軸承的結構尺寸主要有外徑、寬度、壁厚、軸承油槽、油腔等, 選擇油膜軸承結構參數(shù)的目的就是要使流入軸承間隙內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,壁厚越厚則軸承內徑越小, 潤滑油流量也越小, 同時投影面積也越小, 最終導致承載力降低, 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構也在不斷改進。以6d油膜軸承為例, 三代摩根高線軋機為<108mm, 油腔結構見圖4, 五代摩根高線軋機為<127mm, 油腔結構見圖5?！ 膱D4 的油腔結構可以看出, 只有一個油孔進油, 進入油膜軸承間隙內的潤滑油, 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的油, 立即在油腔內沿軸向散開, 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能力均優(yōu)于巴氏合金, 只是鑲嵌性和順應性不如巴氏合金。如果在銅鉛合金上再復合上一層巴氏合金, 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?！ ? 油膜軸承使用中應注意的幾個問題了解了油膜軸承的工作原理、結構和材料, 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表面。 ( 2) 油膜軸承裝配應該使用裝配工具, 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套, 再用壓錘在導套內將油膜軸承壓到底, 然后, 將導套放到偏心套上對準位置, 用壓錘將導套內 的油膜軸承壓入偏心套內。切忌用手扶加大錘打的辦法進行裝配, 否則將可能導致油膜軸承變形, 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, 最后會導致燒瓦?！ ?6) 應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, 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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