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棒材軋機(jī)減速器滾動(dòng)軸承的失效原因分析及對(duì)策

2021-07-01 02:30王珍寧平華潘小波張慶豐
關(guān)鍵詞:滾子軋機(jī)減速器

王珍,寧平華,潘小波,張慶豐

棒材軋機(jī)減速器滾動(dòng)軸承的失效原因分析及對(duì)策

王珍1,2,寧平華1,潘小波1,張慶豐1

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031;2.安徽馬鞍山技師學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

該文針對(duì)某鋼鐵公司棒材生產(chǎn)線中軋機(jī)減速器的軸承失效問(wèn)題,從應(yīng)力數(shù)據(jù)和工作環(huán)境進(jìn)行分析,得出其失效的原因。重點(diǎn)從軸承的選型、游隙的調(diào)整、潤(rùn)滑、減速器傘箱的軸承壓蓋改進(jìn)、運(yùn)行與監(jiān)測(cè)等方面,提出預(yù)防軋機(jī)減速器中滾動(dòng)軸承過(guò)早失效的改進(jìn)措施,進(jìn)而消除了減速器滾動(dòng)軸承失效的隱患。改造后的生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明,改進(jìn)后的軸承使用壽命明顯增加,使減速器的正常工作時(shí)間大大提高,達(dá)到降本增效的目的。

滾動(dòng)軸承;軸承失效;受力分析;監(jiān)測(cè)

某公司引進(jìn)的棒材軋機(jī)生產(chǎn)線最為重要的設(shè)備是軋機(jī),而減速器是軋機(jī)的關(guān)鍵零部件。由于棒材生產(chǎn)線產(chǎn)能大、載荷重和速度高,設(shè)備長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高溫高濕環(huán)境惡劣,且棒材軋機(jī)減速器在設(shè)計(jì)上安全系數(shù)較低,軸承選型也存在一定的問(wèn)題,從而導(dǎo)致滾動(dòng)軸承破壞和失效,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)和噪音都增大數(shù)倍。若軸承的故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)并繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),則會(huì)損壞其他零部件,甚至造成更大的設(shè)備事故。隨著生產(chǎn)量的逐年增加,設(shè)備的開啟頻率增加,棒材軋機(jī)齒輪減速箱的高速軸上的軸承、部分二級(jí)傳動(dòng)軸上的軸承、傘箱中的軸承嚴(yán)重?fù)p壞,故障的頻次較高。為避免安全事故的發(fā)生和臨時(shí)停機(jī)搶修造成的經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)軸承破壞和失效的原因進(jìn)行分析并且有針對(duì)性地提出解決措施。

1 滾動(dòng)軸承在本設(shè)備通常工況下的常見失效形式

滾動(dòng)軸承常見失效形式有以下幾種:接觸疲勞失效、塑性變形失效、磨損失效、游隙變化失效[1]。滾動(dòng)軸承對(duì)游隙有嚴(yán)格的技術(shù)要求,只有控制在規(guī)定范圍內(nèi)才能保證運(yùn)轉(zhuǎn)精度和壽命。在實(shí)際應(yīng)用中,如果軸承上的溫度有變化,存在軸承金屬膨脹不均,或者金屬組織不穩(wěn)定致使軸承零件的實(shí)際尺寸發(fā)生變化,都會(huì)引起軸承的游隙發(fā)生變化,從而導(dǎo)致軸承失效。

滾動(dòng)軸承的失效往往是某幾種失效形式的復(fù)合或轉(zhuǎn)化。例如:軸承表面點(diǎn)蝕和腐蝕都可能引發(fā)剝落失效,軸承的磨損可能引起游隙變大失效等。因此,在對(duì)軸承失效分析時(shí),就要對(duì)失效的滾動(dòng)軸承作全面的分析,才能找到誘發(fā)失效的直接原因,進(jìn)行正確處理。

2 理論分析

原設(shè)備由于采用的深溝球軸承,承載能力在滿負(fù)荷及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易損壞。經(jīng)過(guò)理論分析和改型前后實(shí)際使用效果對(duì)比確定將其改為圓錐滾子軸承效果更好,現(xiàn)將分析過(guò)程闡述如下。

2.1 滾動(dòng)軸承的靜力學(xué)分析

2.1.1 深溝球滾子軸承靜力學(xué)分析

按軸承的接觸理論分析,首先假設(shè)滾子軸承的游隙為0,深溝球滾子軸承在受外載荷作用時(shí),載荷的分布如圖1所示,根據(jù)公式計(jì)算和推導(dǎo)出r是作用在該軸承上最大載荷,其與滾子受力i(i=1,2,3,…)之間的關(guān)系為

式中,γ為鋼球之間的夾角。

2.1.2 圓錐滾子軸承靜力學(xué)分析[2]

圓錐滾子軸承的接觸理論分析:首先設(shè)圓錐滾子軸承的游隙為0,設(shè)定圓錐滾子與內(nèi)、外圈滾道和內(nèi)圈擋邊的受力分別為i,e,f,其接觸角分別為ief,滾子在i,e,f和離心力c的作用下處于平衡狀態(tài),其受力示意圖如圖2所示。

圖2 圓錐滾子軸承受力分布情況

由于圓錐滾子處于平衡狀態(tài),可列出受力平衡方程式:

由圖2可知,滾子與軸承外圈之間只有一個(gè)接觸載荷e,其與軸承內(nèi)圈有兩個(gè)接觸載荷,則在作受力分析時(shí)就需要把滾子與內(nèi)圈作為力學(xué)分析的隔離體,并求得e后推導(dǎo)出式(3)和式(4)得出滾子與內(nèi)圈滾道和擋邊的載荷。

2.2 軸承在不同游隙下的載荷分布[4]

軸承所承受載荷的大小不僅與軸承的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),還與軸承的游隙存在密切的關(guān)系。

正確選擇軸承的游隙直接影響到滾動(dòng)軸承的使用壽命。滾動(dòng)軸承游隙分為徑向游隙和軸向游隙。由于滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的工作游隙大小與滾動(dòng)軸承的使用壽命有著密切關(guān)系,了解軸承在不同游隙狀態(tài)下的載荷分布情況顯得尤為重要。

本文假設(shè)滾子為彈性變形體,軸承的內(nèi)、外圈為剛性體;當(dāng)游隙為零時(shí),此時(shí)滾子與內(nèi)、外圈剛好接觸;當(dāng)游隙大于零時(shí),軸承滾子與內(nèi)、外圈間存在一定的間隙;當(dāng)游隙小于零時(shí),軸承滾子在未承受到初始載荷之前,存在一定的預(yù)緊力,從而使其產(chǎn)生初始變形?,F(xiàn)根據(jù)靜力學(xué)原理對(duì)3種不同游隙情況下的軸承載荷分布情況進(jìn)行分析。

2.2.1 軸向游隙等于零[5]

圖4表示軸承軸向游隙為零時(shí)的狀態(tài),軸承在承受徑向載荷r時(shí)的軸承的位移和變形情況。

由公式推導(dǎo)出,軸承滾子受力平衡方程:

2.2.2 軸向游隙大于零

圖5表示的是軸向間隙>0時(shí),軸承在承受徑向載荷r時(shí)的軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體整體位移變形情況。根據(jù)滾道法向變形量,與徑向載荷取得平衡,通過(guò)公式推導(dǎo)得到軸承游隙>0時(shí)的受力平衡方程為

式中,0為作用在滾子上徑向力方向與法向力方向間夾角;為軸承接觸方式為線接觸系數(shù),一般取0.9;K為滾滾道接觸剛度系數(shù);δ為A處滾子變形量;u為徑向游隙。

徑向載荷r取6000N,軸向游隙a從0mm增大到+0.05mm時(shí),對(duì)軸承的載荷分布進(jìn)行計(jì)算,得出圖6。

圖5 軸向間隙大于零時(shí)軸承變形示意圖

圖6 軸向游隙大于零時(shí)的軸承載荷分布

2.2.3 軸向游隙小于零

圖7表示的軸向游隙<0時(shí),圓錐滾子軸承在承受徑向載荷r時(shí)的整體位移變形情況。

根據(jù)滾道法向變形量,與徑向載荷取得平衡,通過(guò)公式推導(dǎo)得到軸承游隙<0時(shí)的受力平衡方程為

式中,0作用在滾子上徑向力方向與法向力方向間夾角;軸承接觸方式為線接觸系數(shù),一般取0.9;K滾滾道接觸剛度系數(shù);AA處滾子變形量。

圖7 軸向游隙小于零時(shí)的軸承變形示意圖

徑向載荷r取6000N,軸向游隙從0mm減小到-0.05mm時(shí),對(duì)軸承的載荷分布進(jìn)行計(jì)算,得出圖8。

圖8 軸向游隙小于零時(shí)的軸承載荷分布

2.2.4 游隙與軸承載荷分布之間的關(guān)系[6]

通過(guò)對(duì)軸承游隙的三種情況下外滾道接觸載荷分析與計(jì)算,得出了軸承游隙與載荷分布之間的關(guān)系。

(1)滾動(dòng)軸承游隙等于零的情況下,滾子的位置角為零的位置,該處的滾子始終承受最大的載荷,在徑向載荷的不斷增加,但是承受載荷的滾子個(gè)數(shù)并未變化,軸承所有滾子的接觸載荷也在均勻地不斷增大。

(2)滾動(dòng)軸承游隙大于零的情況下,在施加的外界徑向載荷不發(fā)生變化下,其載荷分布極限角會(huì)隨軸向游隙的增大而減小,從而導(dǎo)致承受載荷的滾子個(gè)數(shù)也在減少,軸承在這種情況下都是不利于正常工作的,所以在軸承的安裝過(guò)程中要盡量避免此類情況。

(3)滾動(dòng)軸承游隙小于零的情況下,即在軸承上施加預(yù)載荷。在外界施加的徑向載荷不變,當(dāng)軸承游隙不斷減小時(shí),滾動(dòng)軸承所承受的接觸載荷在一定范圍不斷減小。當(dāng)游隙減小到一定值時(shí),接觸載荷反而增大;因此,可以通過(guò)施加一定的初始預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)滾動(dòng)軸承的游隙,以提高滾動(dòng)軸承的承載能力。

3 減速器軸承損壞的主要原因和改進(jìn)措施

3.1 減速器軸承損壞的主要原因

根據(jù)以上理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知,造成減速器軸承損壞的原因主要有:軸承質(zhì)量問(wèn)題和選型不配套,潤(rùn)滑油污染和異物進(jìn)入軸承,軸承制造間隙過(guò)大,軸承的安裝不當(dāng)和潤(rùn)滑不良等。

3.2 改進(jìn)措施

3.2.1 軸承選型與產(chǎn)品替代

由于TIMKEN軸承與同型號(hào)SKF軸承相比承受的軸向力相對(duì)較小,而且軸承外圈的幾何設(shè)計(jì)形狀承受載荷時(shí),因中位進(jìn)油孔和分油槽是薄弱環(huán)節(jié),使外圈滾道上產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。在軋制力和咬鋼沖擊力等交變外力的作用下,外圈易形成宏觀裂紋而斷裂,也出現(xiàn)保持架斷裂、疲勞損壞和磨損等。根據(jù)前面的理論分析與論證以及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況。由此決定采用SKF雙列圓柱滾子軸承作為替代TIMKEN軸承的雙列深溝球產(chǎn)品。

3.2.2 減速器雙列圓錐滾子軸承游隙的調(diào)整

根據(jù)理論分析,軸承游隙過(guò)大容易造成軸承內(nèi)外圈不均勻的局部磨損,導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承滾子與保持架框面的劇烈碰擊,從而磨損和斷裂。減速器斜齒輪產(chǎn)生的單向軸向力會(huì)使軸承擁向一側(cè),此時(shí)軸承游隙較大時(shí),會(huì)使雙列軸承背向軸向力的一列產(chǎn)生近雙倍的間隙。由于減速器頻繁啟動(dòng)、變速,軋制中咬鋼時(shí)的沖擊力和高速旋轉(zhuǎn)的齒輪嚙合過(guò)程中會(huì)使軸承產(chǎn)生較大的沖擊力和振動(dòng)。正常情況下,保持架屬于非工作部件,僅起分隔滾子的作用?,F(xiàn)在間隙較大的一側(cè)保持架將受到較大沖擊和振動(dòng),造成雙列軸承的單列保持架磨損和斷裂。

避免保持架斷裂通過(guò)調(diào)整軸承游隙實(shí)現(xiàn),把軸承出廠游隙調(diào)整為0.015mm,磨削雙列軸承隔圈來(lái)調(diào)整保證游隙。將軸承內(nèi)調(diào)整隔圈厚度磨去0.006mm來(lái)保證游隙,提高了軸承運(yùn)動(dòng)精度。

3.2.3 改進(jìn)裝配和潤(rùn)滑狀況

軸承在設(shè)備中裝配位置不對(duì)和潤(rùn)滑狀況不符要求時(shí),會(huì)對(duì)軸承使用壽命產(chǎn)生很重要的影響。以前安裝時(shí)由于沒有正確認(rèn)識(shí)軸承外圈中間進(jìn)油孔和分油槽的作用,可能造成軸承供油不足。

在減速器箱體封箱打膠時(shí),操作不規(guī)范容易導(dǎo)致密封膠進(jìn)入分油槽,如果進(jìn)油孔又沒有對(duì)正,就會(huì)使軸承潤(rùn)滑造成供油不足。潤(rùn)滑不好易使軸承產(chǎn)生發(fā)熱,從而破壞油膜,金屬與金屬的直接接觸而引起擦傷,造成“粘結(jié)”和過(guò)熱損傷、燒壞軸承。故此,每次裝配時(shí)都認(rèn)真對(duì)正軸承進(jìn)油孔位置,封箱時(shí)清除軸承分油槽內(nèi)的密封膠,并由點(diǎn)檢員檢查確認(rèn),徹底避免了軸承安裝錯(cuò)誤的發(fā)生[7]。

良好的潤(rùn)滑也是軸承正常運(yùn)行的關(guān)鍵,據(jù)統(tǒng)計(jì)滾動(dòng)軸承損壞的因素中有35%左右都是因?yàn)檩S承的潤(rùn)滑不良造成的。所以滾動(dòng)軸承保持良好潤(rùn)滑,是減少軸承磨損失效的最有效的措施。具體措施如下:

(1)選擇正確的潤(rùn)滑油種類,按照減速器的轉(zhuǎn)速、工作環(huán)境溫度以及載荷大小進(jìn)行選用。主要是對(duì)于油液粘度選擇。(2)定期檢查減速器的潤(rùn)滑油的油面高度與潤(rùn)滑油的品質(zhì)。從觀察窗查看,若油液是清亮潔凈的這是正常情況,如果發(fā)現(xiàn)油液已經(jīng)發(fā)黑變臟含有磨損的微粒和污染物或者散發(fā)異味,說(shuō)明油液已經(jīng)變質(zhì)。潤(rùn)滑油的更換周期隨減速器的工作條件和油量而定,要保證在運(yùn)行過(guò)程中要保持油液的正常,保證軸承具有良好的潤(rùn)滑條件,根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境制定出合理的潤(rùn)滑油更換周期,并且嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行。(3)減速器維修裝配過(guò)程中提高滾動(dòng)軸承安裝質(zhì)量將直接影響到軸承的工作精度、性能和使用壽命。首先在拆裝時(shí)應(yīng)使用套筒扳手、開口扳手和扭力扳手等專用工具。在安裝軸承內(nèi)圈和外圈在軸與座孔上時(shí)需要過(guò)盈量較大時(shí),可以用溫差法裝配或液壓機(jī)壓入,以免裝配的結(jié)合面受到損傷。絕對(duì)不允許用手錘直接敲擊滾動(dòng)軸承或強(qiáng)力沖壓配合面,也不允許利用軸承的滾動(dòng)體來(lái)傳遞壓力。軸承安裝結(jié)束后,應(yīng)先檢查軸上零件運(yùn)轉(zhuǎn)是否靈活,其次要檢查潤(rùn)滑油能否到達(dá)軸承的滾動(dòng)體內(nèi)。再次利用百分表或千分表檢查軸承的徑向和軸向游隙是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,若不在合格范圍內(nèi),需要調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[8]。

3.2.4 工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)

設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)是預(yù)防滾動(dòng)軸承早期失效的有效手段之一,通過(guò)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)能發(fā)現(xiàn)早期滾動(dòng)軸承和減速器工作時(shí)的潛在問(wèn)題,從而避免因滾動(dòng)軸承失效損壞而所造成的非計(jì)劃性保養(yǎng)期間的設(shè)備停機(jī)。工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)軸承異常振動(dòng)和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常用的監(jiān)測(cè)方法除人耳朵傾聽、手觸摸和視覺觀察外,還可以利用測(cè)聲器、振動(dòng)檢測(cè)儀等精密儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(1)軸承噪聲監(jiān)測(cè)。除了利用人耳聽還可用測(cè)聲器對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)產(chǎn)生的噪聲大小進(jìn)行檢查,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承工作的異常情況。(2)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)。振動(dòng)是對(duì)滾動(dòng)軸承的損傷最劇烈的形式,主要表現(xiàn)為軸承滾道及滾動(dòng)體的剝落、壓痕、裂紋、磨損。利用振動(dòng)測(cè)量?jī)x可以直接測(cè)出軸承振動(dòng)的大小與頻率,可以準(zhǔn)確地判斷出振源與失效位置。(3)軸承溫度監(jiān)測(cè)。溫度對(duì)金屬的力學(xué)性能和物理性能影響非常大,高溫會(huì)直接降低軸承的硬度和耐磨性,直接影響使用壽命。滾動(dòng)軸承的溫度監(jiān)測(cè)及嚴(yán)格控制軸承溫升是非常必要的。可以使用非接觸式的紅外溫度探測(cè)器,定時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。保證良好的潤(rùn)滑是降低軸承工作溫升的直接和有效的方法。

3.2.5 減速器傘箱密封裝置的改造

軋鋼過(guò)程中水和雜質(zhì)是無(wú)法避免的,由于減速器傘箱的輸入端密封原設(shè)計(jì)存在不足之處,所以實(shí)際的密封效果不理想。由于生產(chǎn)環(huán)境中大量的污水和氧化物等雜質(zhì)進(jìn)入到潤(rùn)滑系統(tǒng)中污染潤(rùn)滑油,會(huì)造成軸承的潤(rùn)滑效果不良。大量雜質(zhì)隨油進(jìn)入軸承中,極易造成軸承擦傷和磨損,從而使軸承失效。通過(guò)對(duì)減速器傘箱結(jié)構(gòu)分析,找出了零部件設(shè)計(jì)存在的缺陷:主要是傘箱的中空軸密封和窺視孔設(shè)計(jì)不合理。

首先,改造密封透蓋;增加一組密封,以提高防水和雜質(zhì)能力,如圖9所示。把原透蓋密封裝配處的寬度由原來(lái)的18mm改造成36mm,并安裝兩組密封件,并在密封件上增加防塵壓蓋,既提高了防水與防臟性能又延長(zhǎng)密封圈的使用壽命。

其次,改造減速器傘箱窺視孔蓋。原有設(shè)計(jì)為平面密封,此結(jié)構(gòu)容易使密封墊損壞,造成油箱進(jìn)水導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化。把傘箱視孔蓋改為帶定位臺(tái)結(jié)構(gòu),并增加O型環(huán)密封,杜絕了傘箱視孔蓋進(jìn)水的問(wèn)題,其改造結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 傘箱透蓋

圖10 傘箱窺視孔蓋

4 改進(jìn)后的效果

通過(guò)對(duì)棒材軋機(jī)生產(chǎn)線減速器上軸承的失效形式進(jìn)行分析,徹底找到了軸承失效的根源并提出對(duì)策,通過(guò)軸承改型和減速器密封結(jié)構(gòu)技術(shù)改造、優(yōu)化減速器內(nèi)外部工作環(huán)境以及進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)軸承的潤(rùn)滑情況等措施,能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并消除,確保設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)技術(shù)改造,減速器軸承損壞故障由以前每年十余次下降為兩起左右,大大減少減速器軸承的故障率,減少了設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)間和備件費(fèi)用消耗,為公司的安全生產(chǎn)和降本增效做出了貢獻(xiàn)。

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Failure analysis and countermeasure of rolling bearing in reducer of bar mill

WANG Zhen1,2,NING Ping-hua1,PAN Xiao-bo1,ZHANG Qing-feng1

(1.Maanshan Technical College, Anhui Maanshan 243031, China;2.Maanshan Technician Institute, Anhui Maanshan 243031, China)

Based on the analysis of stress data and working environment, the reason of bearing failure of rolling mill reducer in bar production line of an iron and Steel Company is obtained. From the aspects of bearing type selection, clearance adjustment, lubrication, improvement of bearing gland of gearbox, operation and monitoring, the improvement measures to prevent premature failure of rolling bearing in rolling mill reducer are put forward, thereby the hidden trouble of the failure of the rolling bearing of the reducer is eliminated. The operation results show that the service life of the improved bearing is obviously increased, and the normal working time of the reducer is greatly increased.

rolling bearing;bearing failure;stress analysis;monitoring

2021-03-23

安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2018jyxm0791,2020mooc497);2017年度安徽省高校學(xué)科(專業(yè))拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目(gxbjZD59);安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2019A1244);安徽省高校學(xué)科(專業(yè))拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目(gxbjZD2020045)

王珍(1984-),男,安徽馬鞍山人,高級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師,碩士,主要從事機(jī)電技術(shù)應(yīng)用研究,602965168@qq.com。

TH133.33

A

1007-984X(2021)05-0038-06

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