劉鴻濤

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 問題的提出

八鋼熱軋廠自投產(chǎn)以來，因主傳動設(shè)備故障頻發(fā)，在線備件使用周期短，備件維修周期長，維修成本高等問題制約了熱軋高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

熱軋粗軋主傳動接軸基本上每年都會出現(xiàn)故障或事故，尤其是2009年以后，粗軋上下接軸多次返修，發(fā)生的故障率居高不下，而且粗軋機(jī)主傳動萬向軸輥端萬向節(jié)運(yùn)行1年就要下機(jī)維修，下機(jī)后基本都要更換十字包總成，費(fèi)用高；下接軸的剖分軸承壽命太短，只有7～10個月；粗軋主傳動軸使用周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類型鋼廠。為此，針對熱軋粗軋存在的典型問題進(jìn)行技術(shù)分析，通過采取針對性的措施，使主傳動設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 關(guān)于粗軋機(jī)主傳動接軸剖分軸承的問題

2.1 粗軋主傳動軸承更換情況

粗軋平輥軋機(jī)傳動裝置有上下兩根接軸，兩根接軸結(jié)構(gòu)一樣，完全可以互換，接軸平衡軸承型號一致，結(jié)構(gòu)均為剖分式雙列滾子軸承，只有平衡軸承座結(jié)構(gòu)不一致（圖1），但上下接軸的剖分軸承在投產(chǎn)以來更換數(shù)量卻差別很大。

圖1 托架支撐臂結(jié)構(gòu)圖

上接軸剖分軸承基本隨著接軸整體更換，投產(chǎn)以來12年間更換5套，而下接軸剖分軸承事故故障不斷,投產(chǎn)以來12年間更換15套，尤其在2013年由于事故頻發(fā)，1年期間更換4套軸承。

2.2 原因分析

分析統(tǒng)計失效軸承樣本數(shù)據(jù)（表1），造成對軸承失效的影響因素前6項占總項次的80%，潤滑質(zhì)量是主要影響原因。

表1 失效軸承樣本數(shù)據(jù)

上下接軸剖分軸承的潤滑均為同一臺潤滑泵提供定期干油潤滑，同時結(jié)合不定期的人工補(bǔ)油。在多次事故發(fā)生過程中，軸承座兩側(cè)均有融化的油脂痕跡，同時通過對損壞剖分軸承的拆解，認(rèn)為該軸承的損壞不是因缺油造成。

2.2.1 軸承安裝分析

圖2 剖分軸承結(jié)構(gòu)圖

剖分式軸承型號為SBNN750A（圖2）,主要配合尺寸為：軸外圓公差Φ750mm（+0.03～+0.08），軸承座內(nèi)孔Φ960mm（-0.045～+0.045）。設(shè)計軸承對應(yīng)孔軸的配合尺寸為：軸承內(nèi)孔Φ750mm（-0.03～+0.03），軸承外圓 Φ960mm（-0.115～-0.055）。均為小間隙配合。軸孔配合主要靠設(shè)計、加工保證，現(xiàn)場安裝主要檢測內(nèi)圈兩半的重合間隙，每次保證0.05mm塞尺不能塞入，同時保證軸承的兩半重合面避開下部承載區(qū)（斷面靠水平位置安裝，避免垂直位置），由此推斷軸承安裝也不是事故主要原因。2.2.2 受力分析

熱軋平輥軋機(jī)屬于經(jīng)典四輥軋機(jī)，從結(jié)構(gòu)本身來說,并不會產(chǎn)生軸向力,但由于軋機(jī)部件在裝配時有裝配誤差,軋制時的來料存在沿寬度方向的厚度誤差，軋機(jī)在長期使用過程中受水、汽等環(huán)境因素影響，有關(guān)零部件會產(chǎn)生磨損和變形，這些因素導(dǎo)致軋機(jī)產(chǎn)生軸向力。

在對粗軋機(jī)工作輥平衡缸缸體滑板加工配墊，檢修更換粗軋機(jī)下支承輥牌坊窗口磨損超標(biāo)的滑板后，軋機(jī)下部輥系軸線存在偏斜狀況（如圖3），致使軋鋼時產(chǎn)生軸向分力軋制。

圖3 軋輥軸線交差簡圖

軋輥軸向鎖緊板間隙未按照≤2mm控制，鎖緊滑板的磨損，造成與牌坊鎖緊板的間隙超出標(biāo)準(zhǔn)，失去對軋輥軸向鎖緊的作用。

剖分軸承使用的是圓柱滾子軸承，對角度偏差極為敏感,工作輥軸線與支承輥軸線稍有傾斜,就會使軸承受力不均，發(fā)生徑向力偏聚，產(chǎn)生較大附加軸向力。角度偏差越大,軋制軸向分力越大,而加載在剖分軸承上的軸向力分只能靠剖軸承內(nèi)外圈上的止口承受，在軸向力長期往復(fù)的作用下，剖分軸承相關(guān)部件容易發(fā)生疲勞斷裂。軋制時電機(jī)轉(zhuǎn)速50～80r/min，每軋一塊鋼接軸轉(zhuǎn)動75～120圈，每轉(zhuǎn)動一圈接軸受軋制軸向力影響就會往復(fù)移動一次，每天約軋制400塊鋼，每年約軋制10萬塊鋼，最終造成剖分軸承損壞。

2.2.3 上下接軸軸承座結(jié)構(gòu)差異分析

上托架剖分軸承支撐臂設(shè)計成兩端對稱耳軸結(jié)構(gòu)，只承受少量軸向力（圖4），沒有傾翻力矩，上接軸軸承座平衡力受力點在軸承座兩側(cè)鉸接軸處，當(dāng)接軸有軸向竄動時，軸承座可隨著托板沿竄動方向擺動，抵消軸向力。下接軸平衡力受力點在軸承座正下方，油缸托塊在軸承座底部與接軸軸線傾斜上托，造成附加傾翻力矩，軋輥軸向竄動時，軸承座傾翻力矩附加沖擊載荷，易造成剖分軸承損壞。熱軋2018年6月16日粗軋機(jī)下工作輥發(fā)生一次軸竄，竄動較大導(dǎo)致下工作輥鎖緊板四顆連接螺栓全部沖斷，第二天隨即發(fā)生下剖分軸承損壞事故，而上剖分軸承托板變形，剖分軸承沒有損壞。

圖4 接軸剖分軸承受力簡圖

3 粗軋機(jī)主傳動接軸輥端萬向節(jié)的問題

3.1 粗軋平輥軋機(jī)接軸輥更換情況

粗軋平輥軋機(jī)傳動裝置上下兩根接軸各有1套輥端萬向節(jié)，在2012年前基本每年更換1套，更換下來的萬向節(jié)需返修，主要是更換磨損件，對裂紋部分補(bǔ)焊加工。2014年連續(xù)更換3套萬向節(jié)，全部是因為返修件套筒斷裂。2014年起更換下的返修件的十字包組件全部換新品，扁頭套探傷再修復(fù)或換新，基本能使用12個月，過鋼量約在300萬t，同類鋼廠過鋼量基本在500萬～600萬t，差距較大。

3.2 原因分析

3.2.1 扁頭套頂角裂紋分析

如圖5所示，扁頭套孔內(nèi)安裝一對可拆卸更換的方型襯板，為方便安裝方形襯板需將扁頭套孔內(nèi)開出較深的槽。分析其結(jié)構(gòu)，一般溝槽的頂角是應(yīng)力集中點和斷裂薄弱點，降低了扁頭套整體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。實際使用過程中在溝槽頂角出現(xiàn)裂紋后，裂紋數(shù)會逐漸增多并不斷延伸，徑向延伸至20mm后裂紋延伸速度根據(jù)觀察會變緩，溝槽的側(cè)邊與襯板接觸部位發(fā)生塑性變形。

分析產(chǎn)生裂紋原因:（1）軋鋼曾遇到斷輥、堆鋼等事故產(chǎn)生瞬間過扭矩，原襯板安裝側(cè)隙較大，使扁頭套扁槽頂角受力薄弱處撞擊發(fā)生塑性變形，引起頂角裂紋發(fā)散;（2）當(dāng)裂紋發(fā)生后襯板側(cè)間隙增大，引起襯板側(cè)邊磨損加劇;（3）當(dāng)裂紋在徑向延伸20mm后，頂角周圍發(fā)散許多裂紋，裂口變寬尖角變鈍，原因是大型零件局部過載內(nèi)部易發(fā)生塑性變形，尖角應(yīng)力集中點不斷變化，致使裂紋變多、延伸速度變緩。

圖5 扁頭套襯板安裝簡圖

3.2.2 扁頭套磨損分析

為了換工作輥時工作輥扁頭能順利與扁頭套結(jié)合或分離，接軸扁頭套與軋輥扁頭間設(shè)計有一定的間隙（圖6），但由于磨損和頻繁換輥的緣故，此間隙會不斷增大，引起軋鋼時咬鋼沖擊。

圖6 軋輥扁頭與扁頭套裝配時的間隙

軋輥在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，接軸扁頭套與軋輥扁頭的裝配間隙在空轉(zhuǎn)時是閉合不變的，當(dāng)軋件咬入后，由于軋件頭部對軋輥的沖擊，軋輥輥縫必然產(chǎn)生變化，而這一變化瞬間，原不變的間隙脫開后又立即重新閉合，因而產(chǎn)生沖擊。主傳動接軸中間隙越大，咬入沖擊程度越大，則襯板的磨損也就越大。隨著使用時間的增加扁頭套的耐磨襯板、圓弧面、軋輥扁頭的扁平面、圓弧段均存在較大磨損，按照使用經(jīng)驗扁頭與扁頭套間隙超過2mm，接軸擺動就愈發(fā)明顯，隨之主傳動就會產(chǎn)生較大異響。

4 改進(jìn)措施

4.1 制定精度控制措施

制定粗軋輥系設(shè)備精度控制表（表2），定期對設(shè)備精度檢測，通過控制設(shè)備精度減少軸向軋制力對剖分軸承的沖擊載荷。（1）對粗軋機(jī)牌坊對中度進(jìn)行定期檢測，對粗軋工作輥軸承座尺寸進(jìn)行檢測復(fù)核，出現(xiàn)超標(biāo)及時處理恢復(fù)。（2）對粗軋工作輥鎖緊板間隙、工作輥軸承座尺寸進(jìn)行檢測，恢復(fù)尺寸精度，滿足標(biāo)準(zhǔn)間隙值（≤2mm）。（3）對下電機(jī)推力軸瓦竄動量進(jìn)行檢測，確定是否超差及是否更換。

表2 粗軋輥系設(shè)備精度控制表

4.2 技術(shù)改進(jìn)措施

4.2.1 改進(jìn)扁頭套修復(fù)措施

輥端萬向節(jié)扁頭套頂角裂紋采用挖除裂紋焊補(bǔ)的方式修復(fù)，修復(fù)改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖7。扁頭套7階梯孔內(nèi)通過螺栓10和螺母11分別連接一對內(nèi)十字襯板9和外襯板8，其特征是:內(nèi)十字襯板9和外襯板8組合成階梯襯板，使大拐角改為兩臺階小拐角，承載斷面尺寸變大;外襯板8受力后可通過內(nèi)十字襯板9分散為互為抵消的力，使扁頭孔受力分散，減少應(yīng)力集中。

圖7 扁頭套襯板修復(fù)改進(jìn)圖

4.2.2 增加扁頭套定心環(huán)

針對襯板及扁頭套體磨損過快的問題，對扁頭套配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在扁頭套端部增加定心環(huán)（圖8），提高軋輥扁頭與扁頭套的定位精度，減少扁頭與扁頭套襯板間的相對滑動。

圖8 扁頭套增加定心環(huán)簡圖

4.2.3 對扁頭套進(jìn)行激光熔覆修復(fù)

結(jié)合精軋接軸扁頭套修復(fù)經(jīng)驗，采用激光熔覆的方式對粗軋扁頭套圓弧面進(jìn)行修復(fù)。與普通堆焊方式相比激光熔覆修復(fù)具有與基體結(jié)合強(qiáng)度更高、熔覆質(zhì)量致密、熔覆層組織的稀釋率低、熱影響區(qū)小、具有更高的硬度和耐磨性等特點?？梢詼p少扁頭套圓弧面的磨損。

4.2.4 其它措施

改變下接軸剖分軸承結(jié)構(gòu)形式，采用稀油潤滑的軸瓦結(jié)構(gòu)，以承受較大軸向力。參考上接軸剖分軸承座結(jié)構(gòu)形式并進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，改變下接軸軸承座受力情況，以減少剖分軸承的軸向受力。

5 改進(jìn)后效果

5.1 提高使用壽命

粗軋機(jī)主軸修復(fù)周期及下軸主軸剖分軸承壽命，均在原有基礎(chǔ)上提高一倍（表3），過鋼量由原來的300萬t提高到500萬t-600萬t。扁頭套2018年開始采用激光熔覆修復(fù)，使用上線6個月，圓弧面磨損不到0.2mm。

表3 粗軋機(jī)關(guān)鍵備件使用周期前后對照表

5.2 故障率降低

從2017年4月至2019年4月，因粗軋機(jī)主傳動接軸故障造成的生產(chǎn)線停機(jī)只在2018年6月發(fā)生1次，因軋輥軸承座超標(biāo)造成軸向竄動導(dǎo)致剖分軸承損壞故障，其余月份沒有發(fā)生此類故障。

5.3 降低維修費(fèi)用

粗軋機(jī)主軸修復(fù)由1次/年提升為1次/3年，大幅減少了每年備件修復(fù)費(fèi)用。

6 結(jié)論

通過對影響粗軋機(jī)主傳動接軸在線使用周期的因素分析，粗軋機(jī)上接軸扁頭套采取加裝定心環(huán)后，扁頭套磨損明顯低于未加定心環(huán)的接軸扁頭套。激光熔覆修復(fù)的扁頭套圓弧面，雖然初步上線使用，但在半年使用周期內(nèi)磨損明顯低于常規(guī)修復(fù)方法的扁頭套。后續(xù)兩者結(jié)合的使用效果很值得期待。同時由于設(shè)備精度工作的持續(xù)改善，對剖分軸承的在線使用周期也產(chǎn)生長遠(yuǎn)影響。