袁海永，李明，周軍

（寧波寶新不鏽鋼有（yǒu）限公司）

摘　要：結合二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承的結構特點和工作條件，論文分析了（le）軸承在使用過程中出現外圈爆裂的機理及（jí）原因，提出了相應的改進措施，並進行了實（shí）際使用驗證。

1、引言

支承輥（gǔn）軸（zhóu）承作為二十輥軋機關鍵（jiàn）輥係組成部分，直接影（yǐng）響軋（zhá）機的可靠性、安全（quán）性、壽命及軋製帶鋼的質量。支承輥軸承本（běn）身要求（qiú）精度非常高，旋轉精度需達到P4級以上。軸承需要定期維護，以保證使用質量。

寶（bǎo）新公司有兩台二十輥SUNDWIG四立柱單機（jī）架可逆式（shì）軋機，Z大軋製力800t，Z高速（sù）度800m/min。該（gāi）型軋機支承輥軸承共有8根，位置呈六邊形分布，位於6根二中間輥外側，每根為9段式（shì）軸承結構為（wéi）雙列圓柱滾子軸承，無止推墊片，有分離式擋邊圈。在前期生產過程（chéng）中，支撐輥易（yì）出現（xiàn）外圈爆裂剝落現象，給現場（chǎng）正常生產及（jí）質量控製造成較大影響。其主要失效表現形式為：外圈軸向出現嚴（yán）重開裂剝落（luò），外圈擋邊開裂剝落等，如圖1、圖2。

2、支承輥軸承外圈爆裂原因分析

2.1、軸承材質（zhì）、硬度檢測分析

通（tōng）過對外圈爆裂軸承和正常（cháng）軸承硬度進行檢測對比，未發現明顯異常，如表（biǎo）1、表2；對材質進行檢測對比，在（zài）微觀組織下，外徑側、滾道側的馬氏體組織都呈現良好的組織情況，另外，內（nèi）部因為是肉厚品，確（què）認有托氏體，如圖（tú）3、圖（tú）4。因此後續（xù）重點對軸承的受（shòu）力情況和軸承結構進行調查分析（xī）。測（cè）定位置從各零件的側麵測定（滾子為端麵），表麵硬度測定（dìng）結果如下。從上兩（liǎng）表（biǎo）數據分（fèn）析，爆裂軸承和正常軸承的區別在於，內圈的表麵硬（yìng）度不同，其（qí）它部分，爆（bào）裂軸承和正常軸承都（dōu）具有相同的（de）表麵硬度。外圈、內圈、擋圈（quān）為60HRC左右的（de）表麵硬（yìng）度，滾子為64HRC程度的高（gāo）硬度。

2.2、受力分析

2.2.1、整根支承輥軸承受（shòu）力分析

圖5為整根支承輥軸承承受載（zǎi）荷、單個軸承（chéng）兩列滾動體和內外滾道接觸受力大（dà）小情況。軋製過程中整根支承輥軸承受撓曲變形影（yǐng）響，中間軸承5受力（lì）Z大，考慮到（dào）中心位置（zhì）附件撓度曲率變化較小，可近似的認（rèn）為軸承5受均勻的壓力。但出於兩側的軸承（特（tè）別是3、4、6、7）由於撓度曲率變化較（jiào）大，受力情況將有所變化。

以軸（zhóu）承6為例，如圖6所示，由於軸承麵以及滾動體等塑性變形的影響，芯軸的撓度將遠小於二中間輥，因此，軸承所受壓力F將於芯軸成（chéng）一定角度。故分解後，軸承將受到一個平行於芯軸方向的軸向力F1，軸向分力（lì）F1依靠軸承滾道側壁及（jí）擋邊抵消。若（ruò）軋製力過大或（huò）者凸度設計不合理，將使支承輥軸承撓度增大，從而增大軸向分力（lì）F1。一旦（dàn）分力F1超過軸（zhóu）承設計（jì）承受能力，將使滾動體端麵、軸承側壁及擋圈磨損，如圖2，以至Z後剝（bāo）落及開裂。同時，由於撓度的存在，將使兩側滾動體（tǐ）受力不均勻，形成偏載，靠近中心位（wèi）置側受力較大，遠離中心位置側受（shòu）力較小，若偏載過大，將導致偏載側（cè）滾道磨損嚴重，甚至剝落開裂。Z終撕裂（liè）外圈，如圖7。

2.2.2、輥係受力分析

如圖8，若軋製（zhì）線前後高度不一致，將使整個輥（gǔn）係受力不均（jun1），軋製（zhì）時將產生軸向分力，作用（yòng）於支承輥軸承上將導致滾動體端麵、軸承（chéng）側壁（bì）及擋圈磨損。軋製過程中一中間輥橫向（xiàng）竄動，竄動（dòng）力將通過摩擦力反作用於二中間輥，Z後傳遞到支承輥軸（zhóu）承上。若一中間輥竄動力過（guò）大，也可（kě）能導致軸（zhóu）向（xiàng）力過大。因（yīn）此，應該減小（xiǎo）竄動過程中的摩擦（cā）力。考慮到壓力的不（bú）可控，因此，應盡量減小一中間（jiān）輥和二中間輥的摩擦因子。

2.2.3、軋製力情況分析

表3為軋機正常軋製階段、異常軋（zhá）製階段及各支承輥爆裂階段軋製鋼種占比平均數據。由表中數據可以看出：（1）正常階段與異常（cháng）階段軋製各鋼種比例未發生較大變化；（2）支承輥軸承爆裂多發生於（yú）軋製200/300係（xì）鋼種（zhǒng）階段，即軋製力較大階段。

2.3、軸承（chéng）結構（gòu）分析

目前國內不鏽鋼冷軋廠同類型二十輥SUNDWIG軋機使用NSK等（děng）進口軸承軋製過程中也存在軸承外圈爆裂問題，而且軋製工況比（bǐ）寶新（xīn）好，如軋製力比（bǐ）寶新小。結合現場（chǎng）工況，該軸承實際已經無法承受寶新公司SUNDWIG軋機軋製負荷的能力，故對軸承結構進一步進行分析。

2.3.1、外圈輥型分析

如圖9所示，二十輥SUNDWIG軋機（jī）支承輥軸承分（fèn）布有兩（liǎng）列滾動體，由於軸承外圈輥麵采用中（zhōng）部水平，兩端倒角的設計，理論上（shàng）單個支承（chéng）輥軸承設計的受力區域為兩端倒角處偏向於軸承中心5~10mm處（如（rú）圖9、圖（tú）10中①、③位置），該受力（lì）位置對應滾動體倒角區域（yù），兩處疊加不利於軸承的使用壽（shòu）命。

2.3.2、外圈結構分析（xī）

（1）圖11為外圈結構示意圖，外圈設計有擋邊（biān），軋（zhá）製過程中承受一定軸向力（lì），長時間（jiān）的使用會導致滾動體端麵和擋（dǎng）邊端麵出（chū）現磨損拉毛，嚴重時會發生擋邊擠爆開裂。

（2）外圈擋（dǎng）邊（biān）的存在使檢查存在盲點，滾動體無法取出對外圈滾道進行全麵仔細的檢查，小剝落、小（xiǎo）裂紋（wén）等（děng）缺陷的檢（jiǎn）查會（huì）出現遺漏，造（zào）成嚴重的爆裂、卡阻（zǔ）等生產（chǎn）事故。

（3）外圈肉厚為40mm，其強度本身無法滿（mǎn）足寶新公司現有軋製工況。綜合以上分（fèn）析，導致SUNDWIG軋機支承輥軸承（chéng）爆裂可（kě）能原因為：

（1）受力異常導致支承輥軸承爆裂。軋製力過大、凸度（dù）設計不合理，軋製線傾斜以及一中間輥竄動力過大均有可能產生較大軸（zhóu）向力，若超過軸承承受極（jí）限，則（zé）造成軸承橫向撕裂。

（2）軸承外圈結構、輥型設（shè）計不合理造成支承輥軸承爆裂。單個軸承（chéng）外圈倒角應力集中位置與滾動體倒角位置重疊，造成軸承倒角位置承載能力薄弱。外圈設計有擋邊，承受（shòu）軸向力時會（huì）導致滾動體端麵和擋邊端麵出現磨損擠爆開裂，而且在維護時（shí）也不便檢查外圈內滾道使用狀態，存在維護盲點。

3、解（jiě）決措施

3.1、改善軸承受力（lì）狀態

（1）軸承下機調壓力區時，標注軸承的操作側、傳動側（cè）位置，檢查軸承內、外圈和滾動體無異常後（hòu），單個軸承軸向旋轉180°後在原位置重新組裝。避（bì）免出現（xiàn）單側滾動體和內外圈滾道（dào）長期出現偏載的情況，使兩列滾動體和內外圈在多次使用過（guò）程中能夠得到相對均勻的承載。

（2）調整大（dà）軋製力鋼種（300係及200係鋼種）的軋製規格，規定其Z大壓下率、Z小可軋（zhá）製厚（hòu）度和可軋寬度並調整特定規格的壓下率和道次分配（pèi）數。

（3）調整SUNDWIG軋機一中間輥（gǔn）竄動速度，提高竄動（dòng）速度（dù）以及起始竄動速度，減小整個輥係竄（cuàn）動過程中的軸向力。

（4）增大二中間（jiān）惰輥凸度，補償（cháng）支承輥撓度。

3.2、改（gǎi）進軸承結構

調整軸承外圈輥型。保證軸承外徑誤差在10mm範圍（wéi）之內的同時，加大單個軸（zhóu）承的倒角寬度，由（yóu）原來的15mm調整至20mm，斜率不變。雖然軸承承載麵減少，降低（dī）了軸承承受載荷的能力，但理（lǐ）論上可以減少滾動體產生塑性變形後外側倒（dǎo）角區域和外圈滾道麵的應力集中（zhōng），使兩列（liè）滾（gǔn）動體和內（nèi）外圈滾道受力更加均勻，從而降低軸承外圈開裂（liè）的概率。

改進軸承結構及熱處理方式。由於軸承的外形尺寸無法改變，其主要失效形式為外圈爆裂，隻能從軸承的內（nèi）部（bù）結構上設法提高軸承外圈的承載能力和使用壽命。主要變動（dòng）為外圈壁厚（hòu）增加，內圈、滾（gǔn）動體直徑減小。采用（yòng）中擋邊形式，便於維護檢查（chá）和軸承內部的剝落顆粒排出。在此基礎上對外圈熱處理工藝進行了提升，提高軸承的抗衝擊韌度和斷裂韌度，外圈內（nèi）滾道麵進行滲碳處理，以提高其表麵抗疲勞性。改進型軸承示意圖如圖12。

3.3、保證裝配質量

組裝維護時，做好對（duì）軸承本身滾道、滾（gǔn）動體、擋邊、保持架的檢查，並使用壓縮空氣對（duì）芯軸及潤滑孔進行吹掃，清除異物（wù）。

4、實際使用情況驗證

SUNDWIG軋機支承輥（gǔn）軸承改善受力狀態和潤滑條件後，經過半年（nián）跟蹤，由改進前的月均（jun1）2.2次（cì），降低為改進後的0.51次；改進（jìn）軸承結（jié）構後，經過半年的（de）跟蹤（zōng），完（wán）全避免了SUNDWIG軋機支（zhī）承（chéng）輥軸承爆裂的發生，效果十分顯著。

5、結語（yǔ）

二十輥（gǔn）SUNDWIG軋機支承輥軸承（chéng）在使（shǐ）用中（zhōng）出現外圈爆裂的原因主要有：一是由於軋製力提高後，軸承的軸向力也大幅提（tí）高，導致軸承滾動體和軸承外擋邊磨損加劇直至爆裂；二是軸承結構設計（jì）不合（hé）理，外（wài）圈外擋邊的存在和壁厚不足在承受大軸向力工況時出現引導式磨損、開裂。對此，根據生產現場（chǎng）實際環境，提出了相應的改進措施（shī），通過（guò）實際使用驗證，徹底解決了二十輥SUNDWIG軋機支承輥滾軸（zhóu）承爆裂問題。

（來源（yuán）：第十二屆中國鋼鐵年會；2019-10-15）