摩根五代高線(xiàn)軋機(jī)油膜軸承探討
2015-09-22
唐鋼高線(xiàn)廠(chǎng)二車(chē)間的線(xiàn)材生產(chǎn)設(shè)備是北鋼院仿摩根五代設(shè)計(jì), 由西航生產(chǎn)制造的高速線(xiàn)材軋機(jī), 其軋制速度最高可達(dá)90m/ s, 到目前為止, 是我國(guó)生產(chǎn)的軋制速度最高的線(xiàn)材軋機(jī)。整臺(tái)設(shè)備的機(jī)械部分大多數(shù)由國(guó)內(nèi)制造, 只有少數(shù)零件是進(jìn)口, 如油膜軸承,可見(jiàn)油膜軸承之重要。這是因?yàn)槌湍ぽS承自身原因外, 由于安裝問(wèn)題, 供油問(wèn)題, 軋機(jī)進(jìn)水, 油中雜質(zhì)等原因都會(huì)導(dǎo)致抱瓦, 造成重大設(shè)備事故。所以各高線(xiàn)生產(chǎn)廠(chǎng)家都非常重視油膜承,90m/ s 以上高線(xiàn)軋機(jī)大多數(shù)都使用進(jìn)口軸承。我廠(chǎng)高線(xiàn)軋機(jī)在試生產(chǎn)時(shí), 由于備件質(zhì)量問(wèn)題造成經(jīng)常燒瓦, 致使進(jìn)口油膜軸承備件不足, 幾乎影響生產(chǎn)。進(jìn)口備件的供貨周期長(zhǎng)和價(jià)格高, 我們應(yīng)該考慮用國(guó)產(chǎn)油膜軸承來(lái)取代?！ ? 油膜軸承工作原理 首先我們來(lái)揭開(kāi)高線(xiàn)軋機(jī)油膜軸承神秘的面紗?！ 「咚倬€(xiàn)材軋機(jī)的特點(diǎn)就是高速重載, 用滾動(dòng)軸承難以承受, 用滑動(dòng)軸承是最理想的選擇。滑動(dòng)軸承是用潤(rùn)滑介質(zhì)來(lái)減少摩擦副之間的摩擦, 從而減少摩擦副之間的磨損。潤(rùn)滑介質(zhì)粘度愈大, 則摩擦副抗徑向載荷能力愈強(qiáng)。對(duì)于大軋制力的高線(xiàn)軋機(jī), 通常是用高粘度潤(rùn)滑油作潤(rùn)滑介質(zhì)。這種以潤(rùn)滑油作介質(zhì)的滑動(dòng)軸承就叫油膜軸承?！ 「呔€(xiàn)軋機(jī)油膜軸承都是動(dòng)壓軸承, 其工作原理是: 軋制過(guò)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(gè)區(qū)域, 一個(gè)叫發(fā)散區(qū)( 沿軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)方向間隙逐漸增大) , 另一個(gè)叫收斂區(qū)( 沿軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)方向間隙逐漸減小) 。潤(rùn)滑油借助供油系統(tǒng)的壓力進(jìn)入油膜軸承后, 轉(zhuǎn)動(dòng)的軸頸把具有一定粘度的潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油一進(jìn)入發(fā)散區(qū)后, 壓力立即消失。潤(rùn)滑油收斂區(qū)各點(diǎn)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(dāng)承載力小于軋制力時(shí), 軸頸沿軋制力方向移動(dòng), 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(dāng)轉(zhuǎn)速和軋制力發(fā)生變化, 軸頸的工作位置也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化?！ ? 雷諾( Reynolds) 方程 油膜軸承間隙內(nèi)各點(diǎn)的油膜壓力與其位置坐標(biāo)、軸頸轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油粘度、油膜軸承間隙之間的關(guān)系可用Reynolds 方程來(lái)描述。Reynolds 方程是一個(gè)偏微分方程, 只有在進(jìn)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(jì)算機(jī)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(duì)其進(jìn)行積分等運(yùn)算就可求出承載力。油膜壓力沿周向和軸向分布圖見(jiàn)圖1 和圖2, 承載力隨偏心率E ( 偏心距/半徑間隙) 變化曲線(xiàn)見(jiàn)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(rùn)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(rùn)滑油粘度越大承載力越大。但潤(rùn)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(rùn)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(huì)影響收斂區(qū)楔形梯度, 使之變小, 從而使承載力變小?！ ? 高線(xiàn)軋機(jī)的特點(diǎn)對(duì)油膜軸承提出的要求 摩根五代高速線(xiàn)材軋機(jī)是以高速重載為其主要特點(diǎn), 它給油膜軸承提出了以下要求: (1) 高速帶來(lái)的問(wèn)題是潤(rùn)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(lái)的第一問(wèn)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(lái)的第二個(gè)問(wèn)題是油膜軸承內(nèi)表面變形的問(wèn)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(rùn)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(jī)架上油膜軸承的外徑和寬度雖有不同, 但其長(zhǎng)徑比都在017 左右。當(dāng)軸承外徑由軋機(jī)輥箱確定之后,壁厚越厚則軸承內(nèi)徑越小, 潤(rùn)滑油流量也越小, 同時(shí)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(gè)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(xiàn)軋機(jī)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(jìn)。以6d油膜軸承為例, 三代摩根高線(xiàn)軋機(jī)為<108mm, 油腔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4, 五代摩根高線(xiàn)軋機(jī)為<127mm, 油腔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5?！ 膱D4 的油腔結(jié)構(gòu)可以看出, 只有一個(gè)油孔進(jìn)油, 進(jìn)入油膜軸承間隙內(nèi)的潤(rùn)滑油, 首先得通過(guò)狹窄的周向油槽再到軸向分油槽, 將潤(rùn)滑油沿周向分開(kāi),潤(rùn)滑油流量小、油阻大。而從圖5 我們可以發(fā)現(xiàn)有四個(gè)油孔可以進(jìn)油, 進(jìn)入油膜軸承間隙內(nèi)的油, 立即在油腔內(nèi)沿軸向散開(kāi), 潤(rùn)滑油流量大, 油阻小。所以摩根五代比摩根三代油膜軸承潤(rùn)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(xiàn)軋機(jī)在軋輥軸頸上預(yù)先加工出了一個(gè)錐度?！ ? 油膜軸承的材料 傳統(tǒng)軋機(jī)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?yàn)榘褪虾辖鹁哂泻芎玫蔫偳缎院晚槕?yīng)性, 同時(shí)具有很低的摩擦系數(shù), 但當(dāng)油膜壓力達(dá)到14MPa 時(shí), 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?gòu)?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(diǎn)都發(fā)揮出來(lái)。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(shí)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(gè)外表面還有一層防護(hù)層。巴氏合金層中的錫主要是起抗有機(jī)物質(zhì)的腐蝕, 但錫原子很容易擴(kuò)散到銅合金層去, 用鎳柵層來(lái)阻擋, 以提高油膜軸承的抗腐蝕性能。表面防護(hù)層是對(duì)整個(gè)表面起防銹作用。由于整個(gè)軋鋼過(guò)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(duì)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(diǎn), 還利用了銅鉛合金抗壓性和散熱性好的特點(diǎn), 很好地滿(mǎn)足了高線(xiàn)軋機(jī)高速重載對(duì)油膜軸承提出的性能要求, 因而被廣泛地應(yīng)用地各類(lèi)高線(xiàn)軋機(jī)上。三層金屬材料油膜軸承還有一個(gè)特點(diǎn),就是便于工人掌握更換的時(shí)機(jī), 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(gè)問(wèn)題了解了油膜軸承的工作原理、結(jié)構(gòu)和材料, 我覺(jué) 得它并不神秘。國(guó)產(chǎn)油膜軸承是完全可能替代進(jìn)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(gè)問(wèn)題: ( 1) 油膜軸承在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程及裝配過(guò)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(shí), 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(duì)準(zhǔn)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(jìn)行裝配, 否則將可能導(dǎo)致油膜軸承變形, 裝不進(jìn)輥軸?！ ?3) 油膜軸承裝配時(shí)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(jìn)行測(cè)量, 檢查油膜軸承間隙是否滿(mǎn)足要求, 同時(shí)作好記錄。 ( 4) 潤(rùn)滑油要經(jīng)常進(jìn)行化驗(yàn), 檢查潤(rùn)滑油中金屬雜質(zhì)的含量是否超標(biāo), 檢查油水分離情況和潤(rùn)滑油中水的含量, 必要時(shí)進(jìn)行處理。國(guó)內(nèi)高線(xiàn)軋機(jī)燒瓦絕大多數(shù)情況是由于潤(rùn)滑油中含金屬雜質(zhì)或含水量超標(biāo)所致?！ ? 5) 軋制過(guò)程中, 要經(jīng)常檢查潤(rùn)滑油的供油壓力。由于供油管不暢或過(guò)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(huì)導(dǎo)致燒瓦。 (6) 應(yīng)該定出合理的檢修周期, 定期對(duì)輥箱進(jìn)行檢修維護(hù), 及時(shí)更換油膜軸承。油膜軸承露銅就應(yīng)該更換, 這是因?yàn)殂~鉛合金雖然是很好的減磨材料, 但鑲嵌性不太好, 如果潤(rùn)滑油中有金屬雜質(zhì), 就容易燒瓦。另外, 如果更換下來(lái)的輥箱, 檢修以后不是放回原來(lái)的位置, 那最好也要換掉油膜軸承。因?yàn)槊總€(gè)機(jī)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(huì)一樣, 換到另一位置就會(huì)增加燒瓦的機(jī)會(huì)。
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