冷軋酸軋軋機(jī)減速機(jī)軸承故障分析及優(yōu)化策略
2023-11-21
蘇健
來(lái)源：裝備制造技術(shù)
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摘 要：針對(duì)冷軋酸軋機(jī)組軋機(jī)減速機(jī)輸入軸軸承點(diǎn)蝕的問(wèn)題進(jìn)行分析與優(yōu)化處理，解決其在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的軸承損壞問(wèn)題，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。
1、 引言
唐山瑞豐冷軋線為名義寬度950mm、酸洗、連 軋生產(chǎn)線，于2015年由中冶某公司和中國(guó)某重型機(jī)械研究院共同設(shè)計(jì)制造。年設(shè)計(jì)產(chǎn)能55萬(wàn)噸。軋機(jī)出口設(shè)計(jì)速度為800m/min，軋制寬度620~860mm，軋制鋼種Q195、Q235、Q345、08Al，來(lái)料帶材厚度2~4mm，成品厚度0.25~2.0mm，目前已達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。其中連軋機(jī)為5組軋機(jī)，自2016年6月投產(chǎn)，使用不到一年，F(xiàn)2、F3減速機(jī)輸入軸固定端軸承多次出現(xiàn)高溫、點(diǎn)蝕損壞現(xiàn)象，并多次在正常生產(chǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)故障，被迫更換軸承，嚴(yán)重制約正常生產(chǎn)。本文通過(guò)對(duì) F1、F2、F3 架軋機(jī)減速器輸入軸固定端軸承的受力分析及壽命校核來(lái)分析故障原因， 并提出一個(gè)可行而又低成本的優(yōu)化方案。
2、 目前的情況及問(wèn)題
軋鋼用減速機(jī)使用壽命一般在10年以上，減速機(jī)用軸承壽命一般不低于4×104h。自2015年6月份投產(chǎn)至今，軋機(jī)主傳動(dòng)減速機(jī)軸承滾動(dòng)體出現(xiàn) 不同程度磨損及點(diǎn)蝕。故障出現(xiàn)后，技術(shù)人員先后排查了潤(rùn)滑油路是否通暢、油量為否合適、軸承間隙是否合理，有無(wú)頂死現(xiàn)象，鼓形齒連軸器軸向是否游動(dòng)、箱體軸承位公差是否在要求范圍內(nèi)，均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。到目前 F1、F2、F3高速軸共更換7盤軸承（詳見表1，軸承更換及使用數(shù)據(jù)），高速軸固定端軸承平均使用壽命約7600h。
我廠酸連軋機(jī)使用的軋機(jī)減速機(jī)，形式如圖1所示，其輸入軸位置上固定端和游動(dòng)端各使用一個(gè)23952C3游隙雙列調(diào)心滾子軸承的方案（見圖2：原方案結(jié)構(gòu)圖），一般情況下，一級(jí)傳動(dòng)齒輪螺旋角在6° ~ 9°之間，軸向力與徑向力之比在15% ～ 20%之間，經(jīng)分析，本減速機(jī)一級(jí)傳動(dòng)齒輪螺旋角為15°，軸向力與徑向力之比高達(dá)71%。采用兩端雙列調(diào)心滾子軸承的設(shè)計(jì)方案所能承載的軸向力較差，作用在該軸上的軸向力較大，這也正是輸入軸固定端軸承頻繁損壞的原因。
2017年11月大修期間，拆解減速機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)F1、F2、F3架減速機(jī)出現(xiàn)輸入軸軸固定端軸承點(diǎn)蝕的現(xiàn)象，且損壞的都是固定端軸承承載軸向力的一列產(chǎn)生點(diǎn)蝕（見圖3：軸承點(diǎn)蝕的情況）
因此必須要考慮其他的固定端的軸承方案來(lái)提高性能和可靠性。
基于以上原因，考慮在F1、F2、F3架軋機(jī)減速機(jī)輸入軸固定位置一端增加一對(duì)29244E的推力調(diào)心滾子軸承，另一端仍采用雙列調(diào)心滾子軸承的方案，以提高該處在承受高速重載情況下承受軸向力的能力。
3、優(yōu)化策略
徹底的方案是改變一級(jí)傳動(dòng)螺旋角至6°~7°，可改變軸向力與徑向力之比到20%，這樣將對(duì)齒輪系、傳動(dòng)比、箱體等重要部件都要重新制作，主電機(jī)位置重新定位，其冷卻水管重新布局，以及電控系統(tǒng)也要重新調(diào)試，大大增加改造周期及成本。因此， 將固定端軸承增加一對(duì)29244E推力調(diào)心滾子軸承（見圖4：改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖），以改善固定端軸承點(diǎn)蝕問(wèn)題。同時(shí)為在現(xiàn)有基礎(chǔ)上以的改動(dòng)幅度對(duì)該 輸入軸進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)所選用的固定端軸承型號(hào)為NSK29244E，將高速軸加長(zhǎng)160mm，同進(jìn)將箱體和潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這樣對(duì)二軸、三軸可以不作改變，箱體、電機(jī)以及電控系統(tǒng)均無(wú)需改動(dòng)，大大縮短了調(diào)試周期及程度上降低了成本。
3.1、 受力分析
F1、F2、F3架軋機(jī)減速機(jī)主要性能參數(shù)以F3為例：主電機(jī)額定功率P= 2500kW，輸入軸轉(zhuǎn)速n=636r/min，齒輪壓力角α=20°、螺旋角β= 15°、輸出轉(zhuǎn)矩M0=9550P/n=26294N·m，分度圓直徑d=0.501m。
平均分度圓上的圓周力：F ′t =2T÷d=104950N
徑向力 Fr= Ft′ × tanα÷cosβ=39546N
軸向力 Fa= Ft′ × tanβ= 28122N
軸承支反力計(jì)算：
軸承徑向力 FrA=Fr÷2=19773N
軸承軸向力 FaA=Fa÷2=14061N
3.2 、原設(shè)計(jì)軸承壽命校核
3.2.1、 固定端的計(jì)算
根據(jù)NSK軸承選型手冊(cè)，固定端選用23952雙列調(diào)心滾子軸承。
（1）動(dòng)負(fù)荷，代入數(shù)據(jù)得：P=X×Fr+Y×Fa= 89175N
（2）速度系數(shù)，代入數(shù)據(jù)得：Fn=（0.03n）-10/3=0.41
（3）疲勞壽命系數(shù)計(jì)算：針對(duì)使用工況，選取力矩載荷系數(shù) fm=1.5選取沖擊載荷數(shù)fd=1.5選取溫度系數(shù)fT=1.0fh=fn×ft×C÷（fm×fd×P）= 1.91
（4）計(jì)算軸承的壽命
P=X×Fr+Y×Fa=89.81kNC=930kN（查NSK軸承選型手冊(cè)得該數(shù)據(jù)）Lh= 1000000 ÷ （60n × fh10/3）=4351h（約合0.5年）其設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)不能滿足使?需求。
3.3、 改進(jìn)后的軸承壽命校核
（1）動(dòng)負(fù)荷的計(jì)算：P=X×Fr+Y×Fa=13248N
（2）疲勞壽命系數(shù)計(jì)算：fh = fn×ft×C÷（fm×fd×P）=12.88
（3）計(jì)算軸承的壽命Lh= 1000000 ÷（60n）×fh10/3= 2505519h（約合290年）能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。
4、 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)理論分析及實(shí)踐，推力調(diào)心滾子軸承加雙列調(diào)心滾子軸承的方案是可行的，且改進(jìn)方案相比一端固定一端游動(dòng)兩個(gè)調(diào)心滾子軸承的方案有著很大的優(yōu)勢(shì)，推力調(diào)心滾子軸承提供了非常好軸向承載能力，從而更好地分配了載荷，提高調(diào)心滾子軸承的壽命。此方案還有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)控制固定端推力調(diào)心滾子軸承的軸向游隙可以比較精確的控制減小主軸的軸向竄動(dòng)量；同時(shí)由于未改變?cè)瓉?lái)一軸的結(jié)構(gòu)形式，齒輪系及游動(dòng)端的軸承型號(hào)也未改變，可以利用原來(lái)遺留的軸承、齒輪備件，減少了技改的資金投入，同時(shí)大大縮短了改造周期。
