高速线材轧机轴承及其应用

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我国冶金行业为满足建筑用钢材不断增加的需求，近年来分别从国外引进了几十条高速线材生产线，出料口速度从63～100m/s不等，年产量大都在60×104～100×104t之间。由于高线轧机工作的特殊性，对配用的轴承提出了更为严格的要求。本文就高速线材轧机轴承（以下简称高线轧机轴承）的工作特性、结构形式、设计要点及制造关键等作简单介绍。
1 性能要求
1.1 高的可靠性
高速线材生产线最显著的特点就是轧机连续工作的高可靠性。由于高速线材生产线的单位产量高，要求在规定的点检周期内，作为轧机上关键元件的轴承比一般轧机轴承有更高的可靠性。如果因轴承出现故障将导致整条生产线停产，这是厂家不能容忍的。因此在设计、制造高线轧机轴承时，应保证其在高速运转条件下连续工作的可靠性。
1.2 耐磨损
高线轧机轴承耐磨损度要强，能适应高速旋转的工作场合。例：某高速线材生产线，出口线速度63m/s，出口轧机轧辊的工作直径为330mm，则轴承的工作转速为3650r/min，在高转速、重载荷下长期运行，对轴承的耐磨损将是一个严峻的考验。这就要求所供轴承必须具备耐磨损的要求。
1.3 长的疲劳寿命
高线轧机轴承疲劳寿命要长。在正常情况下，国外提供的高线轧机轴承使用三年（因有一半时间轧辊组件要卸机保养、整修，实际工作时间为一年半），故用户要求国产轴承至少能使用二年。
1.4 冲击韧性要好
高线轧机轴承的冲击韧性要好，尤其是粗轧机使用的轴承，将连铸方坯轧制成棒料的过程中，冲击载荷很大。因此，高线轧机轴承在高转速、高冲击状态下工作不应发生破裂现象。
综上所述，高线轧机轴承的工作特性就是能在高转速、高冲击状态下连续稳定可靠的工作，并具备较长的疲劳寿命。
2 轴承结构形式
高线轧机轴承有四列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承两种。一般情况下，粗、中轧机使用四列圆锥滚子轴承，精轧机使用双列圆柱滚子轴承，水平轧机和铅锤轧机使用同一型号的轴承。
无论四列圆锥滚子轴承，还是双列圆柱滚子轴承，其基本本结构与传统的轧机轴承类似，但各个零件的设计充分考虑了润滑与散热的问题，即在内圈、外圈、隔圈(对四列圆锥滚子轴承而言)、保持架、滚子(对双列圆柱滚子轴承而言)开有许多槽、孔等。这样，槽、孔形成的润滑、散热通道与轴承座、轧辊上的通道就组成了一个可靠的润滑与散热系统，再加上良好的密封装置，使得轴承能在高速高压状态中稳定的运行。
虽然各厂商所提供的高线轧机轴承的设计风格不同，但都有一个共同点，即内圈壁厚相对同等规格的普通轴承要厚一点，外圈则相对薄一些。
3 轴承设计方法
首先根据各条线上轴承的运转情况、使用寿命、失效状态及用户的要求，适当调整主参数，使设计达到比较满意的效果。
其次，合理地确定技术条件，根据同类产品的实测结果，并考虑轴承的具体工作状态，提出合理的技术要求。
4 高线轧机轴承的制造
鉴于高线轧机工作的特殊性，在制造过程中主要做了两个方面的工作。第一是材料和热处理工艺的选择，第二是滚动表面的粗糙度控制。由于内圈壁较厚，外圈壁较薄，所以有的制造商在技术文件中规定，内圈用渗碳钢，外圈用高碳铬钢制造。相应地，内圈采用渗碳工艺，外圈尽可能地采取等温淬回火工艺，使获得的金相组织为下贝氏体，这样处理后兼顾到了轴承的强度、耐磨性、冲击韧性及疲劳寿命等性能指标，使轴承满足前述的工作要求。另外，热处理硬度也根据粗、中、精轧机的不同情况有一些差别，即对粗轧机来说，速度相对低，而冲击载荷相对大，故轴承零件硬度偏低；对精轧机来说，速度相对高，而冲击载荷相对较小，故轴承零件的硬度高；中轧机用轴承的硬度则居中。
经观察和测试分析，高线轧机轴承内外圈的滚道表面、挡边表面、滚子的滚动表面基准端面等表面粗糙度值都比普通轧机轴承要小一些。为此，在工艺上采取措施，使上述表面粗糙度达到或接近国外产品的水平。
5 轴承试用情况
从1997年5月开始，已为我国3条高速线材生产线试制或批量制造9个型号的高线轧机轴承，绝大部分使用情况良好，未发生运转故障而导致整条线停机的事件。其中，1997年5月为西南某高线首批试制的安装在铅锤轧机上的(铅锤轧机比水平面轧机工作情况更为恶劣)中轧机轴承(四列圆锥滚子轴承)，除一套轴承在运行一段时间，正常卸机点检时发现外圈有破裂现象外，其余三套至2000年6月未发现磨损、疲劳、破裂等失效情况。
6 建议
进一步开发应用高线轧机轴承，使其性能稳定在一较高的水平，应从以下几个方面开展工作。
(1)根据文献资料介绍，在试验、研究的基础上冶炼出性能优良的新型轧机轴承用钢，包括渗碳轴承钢和高碳铬轴承钢。
(2)在分析、研究、比较同类产品的基础上，根据轴承使用情况确定主参数，做好产品设计。此外，对零件的结构变化，如槽孔的布置、隔圈的形状等也不可忽视。
(3)开展工艺攻关，以弥补材料性能相对欠佳和装备能力相对落后的现实。重点在热处理与磨削，保证有效渗碳层深度和硬度均匀性，高碳铬钢制零件的冲击韧性及零件的形位公差和表面粗糙度在一定精度范围内。
(4)制定规范详细的安装、调试、保养及点检说明书；派技术人员到用户中去，为现场技术人员和工人讲解轴承使用的注意事项，解答现场人员提出的问题，搞好售后服务工作。用户需与轴承厂家搞好协作。