二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承外圈爆裂原因分析及對策

袁海永，李明，周軍

（寧波寶新不銹鋼有限公司）

摘　要：結合二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承的結構特點和工作條件，論文分析了軸承在使用過程中出現(xiàn)外圈爆裂的機理及原因，提出了相應的改進措施，并進行了實際使用驗證。

1、引言

支承輥軸承作為二十輥軋機關鍵輥系組成部分，直接影響軋機的可靠性、安全性、壽命及軋制帶鋼的質量。支承輥軸承本身要求精度非常高，旋轉精度需達到P4級以上。軸承需要定期維護，以保證使用質量。

寶新公司有兩臺二十輥SUNDWIG四立柱單機架可逆式軋機，Z大軋制力800t，Z高速度800m/min。該型軋機支承輥軸承共有8根，位置呈六邊形分布，位于6根二中間輥外側，每根為9段式軸承結構為雙列圓柱滾子軸承，無止推墊片，有分離式擋邊圈。在前期生產(chǎn)過程中，支撐輥易出現(xiàn)外圈爆裂剝落現(xiàn)象，給現(xiàn)場正常生產(chǎn)及質量控制造成較大影響。其主要失效表現(xiàn)形式為：外圈軸向出現(xiàn)嚴重開裂剝落，外圈擋邊開裂剝落等，如圖1、圖2。

2、支承輥軸承外圈爆裂原因分析

2.1、軸承材質、硬度檢測分析

通過對外圈爆裂軸承和正常軸承硬度進行檢測對比，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，如表1、表2；對材質進行檢測對比，在微觀組織下，外徑側、滾道側的馬氏體組織都呈現(xiàn)良好的組織情況，另外，內部因為是肉厚品，確認有托氏體，如圖3、圖4。因此后續(xù)重點對軸承的受力情況和軸承結構進行調查分析。測定位置從各零件的側面測定（滾子為端面），表面硬度測定結果如下。從上兩表數(shù)據(jù)分析，爆裂軸承和正常軸承的區(qū)別在于，內圈的表面硬度不同，其它部分，爆裂軸承和正常軸承都具有相同的表面硬度。外圈、內圈、擋圈為60HRC左右的表面硬度，滾子為64HRC程度的高硬度。

2.2、受力分析

2.2.1、整根支承輥軸承受力分析

圖5為整根支承輥軸承承受載荷、單個軸承兩列滾動體和內外滾道接觸受力大小情況。軋制過程中整根支承輥軸承受撓曲變形影響，中間軸承5受力Z大，考慮到中心位置附件撓度曲率變化較小，可近似的認為軸承5受均勻的壓力。但出于兩側的軸承（特別是3、4、6、7）由于撓度曲率變化較大，受力情況將有所變化。

以軸承6為例，如圖6所示，由于軸承面以及滾動體等塑性變形的影響，芯軸的撓度將遠小于二中間輥，因此，軸承所受壓力F將于芯軸成一定角度。故分解后，軸承將受到一個平行于芯軸方向的軸向力F1，軸向分力F1依靠軸承滾道側壁及擋邊抵消。若軋制力過大或者凸度設計不合理，將使支承輥軸承撓度增大，從而增大軸向分力F1。一旦分力F1超過軸承設計承受能力，將使?jié)L動體端面、軸承側壁及擋圈磨損，如圖2，以至Z后剝落及開裂。同時，由于撓度的存在，將使兩側滾動體受力不均勻，形成偏載，靠近中心位置側受力較大，遠離中心位置側受力較小，若偏載過大，將導致偏載側滾道磨損嚴重，甚至剝落開裂。Z終撕裂外圈，如圖7。

2.2.2、輥系受力分析

如圖8，若軋制線前后高度不一致，將使整個輥系受力不均，軋制時將產(chǎn)生軸向分力，作用于支承輥軸承上將導致滾動體端面、軸承側壁及擋圈磨損。軋制過程中一中間輥橫向竄動，竄動力將通過摩擦力反作用于二中間輥，Z后傳遞到支承輥軸承上。若一中間輥竄動力過大，也可能導致軸向力過大。因此，應該減小竄動過程中的摩擦力?？紤]到壓力的不可控，因此，應盡量減小一中間輥和二中間輥的摩擦因子。

2.2.3、軋制力情況分析

表3為軋機正常軋制階段、異常軋制階段及各支承輥爆裂階段軋制鋼種占比平均數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出：（1）正常階段與異常階段軋制各鋼種比例未發(fā)生較大變化；（2）支承輥軸承爆裂多發(fā)生于軋制200/300系鋼種階段，即軋制力較大階段。

2.3、軸承結構分析

目前國內不銹鋼冷軋廠同類型二十輥SUNDWIG軋機使用NSK等進口軸承軋制過程中也存在軸承外圈爆裂問題，而且軋制工況比寶新好，如軋制力比寶新小。結合現(xiàn)場工況，該軸承實際已經(jīng)無法承受寶新公司SUNDWIG軋機軋制負荷的能力，故對軸承結構進一步進行分析。

2.3.1、外圈輥型分析

如圖9所示，二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承分布有兩列滾動體，由于軸承外圈輥面采用中部水平，兩端倒角的設計，理論上單個支承輥軸承設計的受力區(qū)域為兩端倒角處偏向于軸承中心5~10mm處（如圖9、圖10中①、③位置），該受力位置對應滾動體倒角區(qū)域，兩處疊加不利于軸承的使用壽命。

2.3.2、外圈結構分析

（1）圖11為外圈結構示意圖，外圈設計有擋邊，軋制過程中承受一定軸向力，長時間的使用會導致滾動體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損拉毛，嚴重時會發(fā)生擋邊擠爆開裂。

（2）外圈擋邊的存在使檢查存在盲點，滾動體無法取出對外圈滾道進行全面仔細的檢查，小剝落、小裂紋等缺陷的檢查會出現(xiàn)遺漏，造成嚴重的爆裂、卡阻等生產(chǎn)事故。

（3）外圈肉厚為40mm，其強度本身無法滿足寶新公司現(xiàn)有軋制工況。綜合以上分析，導致SUNDWIG軋機支承輥軸承爆裂可能原因為：

（1）受力異常導致支承輥軸承爆裂。軋制力過大、凸度設計不合理，軋制線傾斜以及一中間輥竄動力過大均有可能產(chǎn)生較大軸向力，若超過軸承承受極限，則造成軸承橫向撕裂。

（2）軸承外圈結構、輥型設計不合理造成支承輥軸承爆裂。單個軸承外圈倒角應力集中位置與滾動體倒角位置重疊，造成軸承倒角位置承載能力薄弱。外圈設計有擋邊，承受軸向力時會導致滾動體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損擠爆開裂，而且在維護時也不便檢查外圈內滾道使用狀態(tài)，存在維護盲點。

3、解決措施

3.1、改善軸承受力狀態(tài)

（1）軸承下機調壓力區(qū)時，標注軸承的操作側、傳動側位置，檢查軸承內、外圈和滾動體無異常后，單個軸承軸向旋轉180°后在原位置重新組裝。避免出現(xiàn)單側滾動體和內外圈滾道長期出現(xiàn)偏載的情況，使兩列滾動體和內外圈在多次使用過程中能夠得到相對均勻的承載。

（2）調整大軋制力鋼種（300系及200系鋼種）的軋制規(guī)格，規(guī)定其Z大壓下率、Z小可軋制厚度和可軋寬度并調整特定規(guī)格的壓下率和道次分配數(shù)。

（3）調整SUNDWIG軋機一中間輥竄動速度，提高竄動速度以及起始竄動速度，減小整個輥系竄動過程中的軸向力。

（4）增大二中間惰輥凸度，補償支承輥撓度。

3.2、改進軸承結構

調整軸承外圈輥型。保證軸承外徑誤差在10mm范圍之內的同時，加大單個軸承的倒角寬度，由原來的15mm調整至20mm，斜率不變。雖然軸承承載面減少，降低了軸承承受載荷的能力，但理論上可以減少滾動體產(chǎn)生塑性變形后外側倒角區(qū)域和外圈滾道面的應力集中，使兩列滾動體和內外圈滾道受力更加均勻，從而降低軸承外圈開裂的概率。

改進軸承結構及熱處理方式。由于軸承的外形尺寸無法改變，其主要失效形式為外圈爆裂，只能從軸承的內部結構上設法提高軸承外圈的承載能力和使用壽命。主要變動為外圈壁厚增加，內圈、滾動體直徑減小。采用中擋邊形式，便于維護檢查和軸承內部的剝落顆粒排出。在此基礎上對外圈熱處理工藝進行了提升，提高軸承的抗沖擊韌度和斷裂韌度，外圈內滾道面進行滲碳處理，以提高其表面抗疲勞性。改進型軸承示意圖如圖12。

3.3、保證裝配質量

組裝維護時，做好對軸承本身滾道、滾動體、擋邊、保持架的檢查，并使用壓縮空氣對芯軸及潤滑孔進行吹掃，清除異物。

4、實際使用情況驗證

SUNDWIG軋機支承輥軸承改善受力狀態(tài)和潤滑條件后，經(jīng)過半年跟蹤，由改進前的月均2.2次，降低為改進后的0.51次；改進軸承結構后，經(jīng)過半年的跟蹤，完全避免了SUNDWIG軋機支承輥軸承爆裂的發(fā)生，效果十分顯著。

5、結語

二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承在使用中出現(xiàn)外圈爆裂的原因主要有：一是由于軋制力提高后，軸承的軸向力也大幅提高，導致軸承滾動體和軸承外擋邊磨損加劇直至爆裂；二是軸承結構設計不合理，外圈外擋邊的存在和壁厚不足在承受大軸向力工況時出現(xiàn)引導式磨損、開裂。對此，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際環(huán)境，提出了相應的改進措施，通過實際使用驗證，徹底解決了二十輥SUNDWIG軋機支承輥滾軸承爆裂問題。

（來源：第十二屆中國鋼鐵年會；2019-10-15）