楊建波，鄭賢坤

（云南浩鑫鋁箔有限公司 云南 昆明 650502）

1 冷軋機簡介

冷軋機以鋁鑄軋或熱軋卷材為生產(chǎn)坯料，經(jīng)過多道次軋制，軋出成品卷材，為精整和鋁箔生產(chǎn)線提供坯料，速度可以達到（1 500～2 000）m/min。來料為：厚度（5～10） mm，寬度（800～2 150）mm，成品厚度最薄約0.15 mm的鋁及鋁合金卷材。冷軋機具有先進的厚度自動控制系統(tǒng)AGC及板形控制系統(tǒng)AFC，確保良好的厚度和板形控制精度。采用PLC（可編程控制器） 進行數(shù)字邏輯運算、參數(shù)設(shè)定、自動化過程控制等，整機自動化程度高。設(shè)備主要組成為：活動支撐、開卷機、攆頭輥、入口夾送偏導(dǎo)輥、液壓剪、張緊裝置、軋輥輥系、主機、出口轉(zhuǎn)向輥、熨平輥裝置、卷取機、運卷小車、液壓裝置，潤滑系統(tǒng)、煙霧可收裝置、軋制油控制系統(tǒng)、減速箱及電機等，配備安全可靠的CO2自動滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

圖1 冷軋機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of cold rolling mill

2 張緊輥功能及存在問題

軋機張緊裝置位于帶材入口端，通常配置數(shù)量為3根或5根，材質(zhì)42CrMo4，表面硬度要求（50～60） HRC，粗糙度Ra（0.3～0.5） μm。其主要功能為：將帶材引入軋機并在帶材入口產(chǎn)生所需要的反向張力，同時具有平整帶材的作用。

目前，先進的高速冷軋機，入口均配置有5支輥或3支輥張緊裝置，其主要作用是在軋機高速運行時穩(wěn)定帶材，保證帶材不抖動、偏移，為高速穩(wěn)定軋制創(chuàng)造條件。高速軋制及軋制高品質(zhì)的帶材時對張緊輥要求嚴苛。因張緊輥屬于被動輥，軋制運行中張緊輥面與帶材易出現(xiàn)同步偏差，板面極易產(chǎn)生劃傷、張力波動、跑偏等情況，嚴重時造成產(chǎn)品報廢、軋制斷帶、軋機起火等。為此張緊輥的穩(wěn)定運行是軋機高速、高質(zhì)的重要條件[1]。冷軋機張緊輥異常抱死，長期困擾著設(shè)備維修人員和工藝技術(shù)人員，給生產(chǎn)組織帶來重大影響。

2.1 張緊輥結(jié)構(gòu)

張緊輥主要結(jié)構(gòu)由張緊輥裝置和升降裝置組成，見圖2所示，裝置中應(yīng)用了諸多軸承，冷軋機張緊輥異常抱死故障和軸承有直接關(guān)系。

圖2 張緊輥裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Device diagram of tension roll

2.2 張緊輥軸承

軸承是當代機械設(shè)備中的重要零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體，降低其運動過程中的摩擦系數(shù)，保證其回轉(zhuǎn)精度。按運動元件摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。認真了解各種軸承的特性，有助于正確應(yīng)用各類軸承，減少因軸承問題導(dǎo)致的設(shè)備事故，提高維護人員工作效率，節(jié)約維護成本。滾動軸承是由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等元件組成。工作時滾動體在內(nèi)、外圈的滾道上滾動，形成滾動摩擦。它與滑動軸承相比具有摩擦小、效率高、軸向尺寸小、調(diào)整迅速及拆裝方便等優(yōu)點。冷軋機張緊輥軸承屬于滾動軸承，具體參數(shù)見表1。

表1 軸承參數(shù)Tab.1 Parameters of bearings

3 張緊輥軸承失效原因分析

冷軋機相關(guān)參數(shù)：軋機最高速度1 500 m/min、五輥外徑270 mm、五輥長度2 400 mm、最大張力100 kN、五輥壓下力4.396 kN（油缸活塞桿約100 mm，壓力14 MPa）。根據(jù)原有結(jié)構(gòu)，對裝配情況進行以下排查：

1）核對所有尺寸，確認軸承旋轉(zhuǎn)部位是否和固定部位有接觸：維修人員拆卸張緊輥對軸承位置尺寸進行核對，沒有發(fā)現(xiàn)有接觸點；

2）核對軸承內(nèi)圈與軸定位是否存在問題：核對后未發(fā)現(xiàn)問題；

3）確認一側(cè)內(nèi)圈和外圈完全壓緊，另一側(cè)外圈能浮動，沒有發(fā)現(xiàn)問題。

再按照軋機參數(shù)計算軸承選型是否存在問題：①計算軸承轉(zhuǎn)速：實際軸承轉(zhuǎn)速=機列速度÷輥周長=1 500÷0.873=1 718 r/min；②軸承當量動載荷計算：通常指施加于機械或結(jié)構(gòu)上的外力；動力機械中通常指完成工作所需的功率；電機工程中則指電氣裝置或元件從電源所接受的功率。另外，有時也把某種能引起機械結(jié)構(gòu)內(nèi)力的非力學因素稱為載荷[2]。計算公式如下[3]：

（1） 式中：Pi為軸承當量動載荷，kN；Xi為徑向動載荷系數(shù)；Yi為軸向動載荷系數(shù)；當i為零時，P0為軸承當量靜載荷，kN，X0為徑向動載荷系數(shù)，Y0為軸向動載荷系數(shù)；Fr為軸承實際徑向動載荷，kN；Fa為軸承實際軸向動載荷，kN。

實際動載荷=XFr+Y1Fa=100×2.8+0.67×4.396=282.9 kN（X、Y值來自軸承手冊），實際靜載荷=Fr+Y0Fa=100×2.8+4.396=284.96 kN。按照計算結(jié)果對比軸承原設(shè)計參數(shù)（表1中參數(shù)），此軸承載荷未超設(shè)計范圍；

4）對軸承壽命進行計算。軸承壽命受工作溫度的影響很大，在運行過程中，軸承的尺寸會因為材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化，為了避免因結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致尺寸的變化，需要對軸承做特殊熱處理，即對尺寸穩(wěn)定性提出特殊要求。

根據(jù)ISO 281標準，軸承的基本額定壽命為[3]：

如果轉(zhuǎn)速是固定的，軸承的壽命通常以工作小時來表示，公式即為[3]：

（2）～（3）式中：

L10為基本額定壽命（90%可靠性），百萬轉(zhuǎn)；

L10h為基本額定壽命（90%可靠性），工作小時；

C為基本額定動載荷，kN；

P為軸承當量動載荷（實際載荷），kN；

n為轉(zhuǎn)速，r/min；

p為壽命公式中的指數(shù)，對于球軸承，p=3，對于滾子軸承，p=10/3。

軸承額定壽命L10=（C/P）p=（325÷24）3=2482.3百萬轉(zhuǎn)，張緊輥最大當量載荷按照最大帶材張力24 N/mm2進行計算，輥最大受力為輥面50%面積接觸板面時，即：P=24 kN。

軸承額定壽命L10h=（106/60n）L10=24081工作小時 （n=1718 r/min）

冷軋機張緊輥每個月出現(xiàn)問題，軸承未達到額定壽命時間；

5）潤滑情況檢查。為了優(yōu)化軸承配置的使用壽命，必須在適當?shù)臅r間提供正確數(shù)量的適合潤滑劑。正如潤滑劑數(shù)量不足將對軸承性能造成負面影響，潤滑劑過量同樣如此。潤滑不足約占所有軸承失效情況的36%，原因包括：潤滑劑選擇不當、潤滑不足、潤滑過量、補充潤滑間隔時間不當、軸承配置設(shè)計較差、裝配不正確。此外潤滑劑被污染造成軸承失效概率可高達50%。

潤滑脂補給量的計算：

從軸承側(cè)面補給的潤滑脂量可根據(jù)以下公式估算[3]：

從軸承外圈或內(nèi)圈補給的潤滑脂量可根據(jù)以下公式估算

（4）～（5） 式中：GP為補給量，g；B為軸承寬度（圓錐滾子軸承用T，推力軸承用H），mm；D為軸承外徑，mm。

補給量GP=0.002DB=12.8 g，根據(jù)每天油氣潤滑油的消耗量每支輥約15 g判斷，潤滑沒有問題。

同時對油氣壓縮風量進行排查，從原設(shè)計的0.25 MPa調(diào)整至0.6 MPa，主要考慮冷卻問題。在風壓調(diào)整過程中，對出風口進行測溫，保持在（37～39） ℃范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常；

6）游隙情況檢查。游隙按方向分為徑向游隙和軸向游隙[4]，徑向游隙：即軸承一個套圈固定不動，另一個套圈在垂直于軸承軸線方向，由一個極限位置到另一個極限位置的移動量；軸向游隙：即軸承一個套圈固定不動，另一個套圈在軸線方向，由一個極限位置到另一個極限位置的移動量。兩類游隙有密切的關(guān)系，一般徑向游隙愈大，則軸向游隙也愈大，反之亦同[5]。查證后可知，現(xiàn)用軸承游隙為常規(guī)游隙，移動量正常；

7）張緊輥熱膨脹量檢查。對現(xiàn)場跟蹤研究分析發(fā)現(xiàn)，張緊輥在生產(chǎn)過程中最高溫度達到100℃以上，考慮輥變形等因素，對熱變形量進行研究：普通碳鋼、馬氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為1.01，奧氏體不銹鋼為1，普通碳鋼1米1度1絲，即1 m的鋼溫度升高1℃放大0.01 mm，而不銹鋼為0.016 mm。室溫為28℃，當輥身溫度達到100℃時，輥身熱膨脹量達到0.72 mm，遠遠超過軸承游隙及浮動量。

根據(jù)以上研究分析，判定軸承抱死的根本原因為：熱膨脹導(dǎo)致輥變形膨脹量過大及輥動平衡變差。產(chǎn)生的過程為：隨著輥自身溫度的升高，輥芯和輥套的熱膨脹量不一致，膨脹量遠遠大于軸承游隙，軸承在軸向方向受到輥膨脹帶來的推力導(dǎo)致完全抱死。這樣的結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實際中應(yīng)用很多，特別是被動過渡輥，因自身重量輕，受正壓力作用后輥變形嚴重，軸向力容易損壞軸承，加之自身熱膨脹更容易損壞軸承。雖然使用調(diào)心軸承，已經(jīng)考慮輥熱變形或裝配時軸承與輥的同芯問題，但沒有考慮軸向游隙變化或者軸向竄動的問題。所以軸承選型時應(yīng)采用一端調(diào)心定位一端浮動調(diào)心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性。

4 新用軸承選型

目前張緊輥兩端使用的軸承為球面滾子軸承，屬于自調(diào)心軸承，可以承受較大的對中誤差。球面滾子軸承的內(nèi)外圈之間浮動量較小，考慮輥身發(fā)熱量較大，需要一定量的浮動尺寸彌補，在圓柱滾子軸承和CARB圓環(huán)滾子軸承兩種軸承中選擇其中一種。圓柱滾子軸承內(nèi)外圈可以確保大的浮動量，但調(diào)心功能差。在對鋼輥熱變形量計算時發(fā)現(xiàn)，雖然熱變形量可以被計算，但自身的剛度變形隨產(chǎn)品的變化各不相同，很難準確把握。如果采用圓柱滾子軸承，將無法克服輥剛性變形導(dǎo)致的同心度變化，軸承依然容易損壞。CARB圓環(huán)滾子軸承，它的特性在于左右都可以浮動，而且浮動范圍比較大，可以更好地彌補熱變形量，同時具有較好的調(diào)心功能。

根據(jù)軸承裝配及應(yīng)用選型原則，考慮更改軸承結(jié)構(gòu)滿足工況需求，具體分析如下：①尺寸及參數(shù)滿足表2要求：內(nèi)、外圈尺寸和原有軸承尺寸一致，載荷和額定轉(zhuǎn)速大于等于實際計算值，就能滿足使用要求；②軸承結(jié)構(gòu)選擇：考慮軸承內(nèi)、外圈可以浮動避免熱變形將軸承卡死，同時具有調(diào)心功能，彌補動平衡變化帶來的甩動。通過查閱軸承手冊確定結(jié)構(gòu)為圖3所示，最終確認軸承型號為：C2218[6]。

表2 滿足使用要求的軸承參數(shù)Tab.2 Bearing parameters in accordance with operating requirements

圖3 軸承選型對比Fig.3 Comparison of bearing selection

軸承C2218具體參數(shù)如表3所示，經(jīng)對比滿足使用要求。

表3 軸承C2218具體參數(shù)Tab.3 The specific parameters of C2218 bearing

5 改進措施及效果

5.1 改進措施

各種軸承系統(tǒng)必須滿足：固定端/浮動端軸承系統(tǒng)、預(yù)調(diào)整軸承系統(tǒng)及浮動式軸承系統(tǒng)的要求[7]。尤其是高速軸承系統(tǒng)，內(nèi)外圈一定要確保與端蓋和輥臺完全配合無間隙，否則軸承在端面形成滑動，導(dǎo)致軸承和接觸面磨損報廢。同時軸承裝配嚴格執(zhí)行熱裝要求，避免蠻力敲打或直接作用力于保持架和滾動體上，防止裝配時就損失軸承。具體實施步驟如下：

1）任意選擇一支張緊輥進行軸承改造，將其中一端軸承取出，認真清理；

2）核對裝配尺寸，在軸上涂抹干凈潤滑油；

3） 將型號為22218軸承替換為C2218軸承，新軸承加熱至95℃，裝配到軸上，壓緊端蓋；

4） 把改進軸承后的張緊輥裝配到冷軋機上，通油氣潤滑30 min，然后開始正常使用；

5）正常使用過程中，冷軋每道次結(jié)束后對張緊輥轉(zhuǎn)動情況進行檢查；

6）運行24 h后，手動旋轉(zhuǎn)張緊輥對比改造和未改造之間的旋轉(zhuǎn)靈活度差異，發(fā)現(xiàn)改造過的張緊輥旋轉(zhuǎn)速度未發(fā)生改變，而未改造的明顯有卡阻現(xiàn)象。

5.2 應(yīng)用效果

1）滾動軸承：一個完整的軸承系統(tǒng)不僅僅包括軸承，還有其它相關(guān)部件，如軸和軸承座等。必須供應(yīng)正確劑量的適用潤滑劑，以減少軸承中的摩擦并防止腐蝕。在不同的工況環(huán)境下，軸承的選型非常重要，軸承結(jié)構(gòu)和使用方式的不同，導(dǎo)致其失效的原因多樣化。潤滑不良和發(fā)熱導(dǎo)致軸承疲勞破損是事故發(fā)生的主要原因，認真了解各類軸承的特性尤為重要，特別是裝配同心度的達標，使用過程中軸承的潤滑和冷卻是日常軸承保養(yǎng)維護的重點工作。通過本次分析研究及改造，冷軋機張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計劃性檢查，確保生產(chǎn)組織有序開展，降低風險減少維護量；

2）熱膨脹變形：溫度的變化而引起物體的變形稱之為熱變形[8]。在高溫旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)中，一定做好日常溫度監(jiān)控，充分考慮金屬的熱膨脹量，通過計算合理調(diào)整間隙，同時定期對輥、軸及相關(guān)部件進行動平衡測試，及時進行補償校準。張緊輥熱變形是隨著溫度的逐漸升高，輥套和輥芯溫差導(dǎo)致膨脹量不一致，使軸承受到過大的軸向力抱死。研究和分析熱膨脹變形，能幫助維修人員快速有效分析查找問題。

6 結(jié)語

1）冷軋機張緊輥每個月出現(xiàn)問題，所用軸承未達到額定壽命時間；

2）軸承抱死的根本原因為熱膨脹導(dǎo)致輥變形膨脹量過大及輥動平衡變差；

3）軸承選型時應(yīng)采用一端調(diào)心定位一端浮動調(diào)心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性；

4）通過新用軸承的選型改造，冷軋機張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計劃性檢查，確保生產(chǎn)組織有序開展，降低風險減少維護量。