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軋機軸承使用壽命的影響因素分析

軋機軸承是軋機機座中的重要部件,其主要作用是支承轉動的軋輥,承受由軋輥傳來的軋制力,并保持軋輥在機架中的正確位置。軋機軸承的工況非常惡劣,受高溫、重載、水和灰塵等因素的影響。雖然生產消耗中,軸承的消耗只占總消耗的5%左右,但對軋鋼產量的影響卻高達20%,因此,必須特別關注軋機軸承的各項使用和性能指標。


軋機軸承的典型應用

軋機輔助裝置用軸承


影響軋機軸承失效的因素分析

軋機軸承屬于精密件,其承載大,工作環境差。常見的軋機軸承失效形式有:工作面疲勞剝落、磨損、腐蝕等,其失效原因錯綜復雜,經常以一種或多種形式交叉表現,有很多因素難以用定量的表示方法來顯示與軸承失效存在的直接聯系。由影響軋機軸承使用壽命的因素分析魚骨圖(圖1)可知,主要分為內在因素和外在因素兩個方面,內在因素包括軸承的材料、結構設計、加工制造等,外在因素包括軸承的轉速情況、受載情況、潤滑、冷卻等。

圖1 影響軋機軸承使用壽命的因素分析魚骨圖


1)原材料

材料冶金質量從根本上影響軋機軸承的使用壽命,需要嚴格控制材料缺陷如氣孔、疏松、碳化物積聚、夾雜物等,特別是存在夾雜物時,裂紋首先在夾雜物與基體交界處形成并擴展,導致早期疲勞剝落(圖2、圖3)。

圖2 疏松、孔洞引起的滾道面剝離掉塊

圖3 沿夾雜物邊界形成的疲勞微裂紋

材料的潔凈度差,會破壞金屬基體的連續性,降低材料的塑性、韌性以及疲勞性能,在交變應力作用下,夾雜物附近發生應力集中,造成點蝕,點蝕擴展后將形成疲勞剝落,疲勞剝落的后期階段損壞就是疲勞碎裂。


2)熱處理

軸承鋼熱處理至關重要,合理的熱處理工藝是保證實現材料性能的關鍵。熱處理金相組織不合格,組織不致密不均勻,脫碳層過深,殘留奧氏體量過多,應力過大等,造成材料的強度不合格。硬度偏低容易造成磨損或壓痕,硬度偏高容易造成碎裂。


高碳軸承鋼經過淬火和低溫回火處理后組織會變為未溶碳化物、針狀馬氏體以及殘余奧氏體,未溶碳化物含量和碳化物形態分布、針狀馬氏體大小和殘余奧氏體會影響軸承的表觀性能,軸承鋼未溶碳化物含量越低,則軸承鋼的硬度越高,其原因就在于未溶碳化物含量越少,馬氏體基體的碳濃度就會提高,硬度也就越高。


經過淬火處理的軸承鋼中存在的少量未溶碳化物有助于提高軸承的耐磨度,也有助于細晶粒隱晶馬氏體的獲得,從而改善軸承的韌度和抗疲勞強度;碳化物的顆粒大小對軸承壽命影響也非常大,軸承鋼碳化物顆粒小于0.6 μm,其使用壽命會顯著提升,高質量的軸承鋼其碳化物顆粒的大小要遠遠低于一般軸承鋼,并且碳化物顆粒的分布也更加均勻,不會以帶狀分布呈現;網狀碳化物分布會對基體晶粒之間的聯系產生影響,從而會降低軸承的抗疲勞極限,當滾動體與滾道之間的應力超過了疲勞極限,就出逐漸產生裂紋從而縮短軸承壽命。


貝氏體組織的特性會提高碳鉻軸承鋼的比例極限、抗彎強度、屈服強度和斷面收縮率,提高軸承鋼的耐韌性,增強軸承承受沖擊力、斷裂力、摩擦力的能力,同時也有助于軸承尺寸的良好保持性。


3)載荷條件

軋機軸承承載大,如軋輥的徑向軸承都選用多列軸承,多列軸承的設計思路是依靠多列滾動體來均勻的承載進而增強軸承的承載能力,但是,在軋機使用的實際過程中,多列滾動體的承載不可能完全均勻甚至會出現較大偏差,造成偏差的主要因素包括來自軸承本身設計、制造的偏差,軸承座安裝精度以及軋機部件的磨損等,同時,軸承承載分布還要受到軋制軸向力、傾覆力矩的影響。這就造成在軸承總體承受的當量載荷不變條件下,每列滾動體所承受的載荷出現變形,最終導致偏載,偏載一旦形成就會隨著繼續使用而不斷加劇,直到某一列滾動體所承受的載荷超過該滾動體極限承載能力,從而導致局部過載。除了會導致各列滾子載荷分配不平衡之外,還會導致單列滾子傾斜,造成應力向局部集中,導致滾動體滑動現象發生,滾動條件一旦改變,滾動體和內外圈之間發生接觸打滑,會導致軸承發熱進而失效。


4)加工

倒角、油槽、砂輪越程槽有尖角或者位置不對,此種情況會形成應力集中區;零件加工精度差,幾何精度、形位公差及表面粗糙度差,存在變形、機械傷、粗糙凸峰等高點,使接觸表面應力增大,軸承載荷分布不均勻,影響軸承潤滑油膜的形成與保護,形成表面疲勞剝落。


5)安裝

制定明確的安裝規程,使用合適的工具,避免不當受力,提高安裝精度;軸承安裝游隙調整合適;提高軸承座孔的同軸度,減少中心線的傾斜和交叉。


6)潤滑

軸承能夠長時間可靠使用離不開潤滑質量的保證,軋機軸承在正常運轉時候要受到多方面摩擦,其中外圈滾道載荷區是承受摩擦最嚴重的部位,軸承運行過程中肯定會存在徑向游隙,就會存在承載區和非承載區問題,在非受載區滾子處在半滾動半滑動狀態,當滾子進入承載區的過程中,滾子轉速會突然增加,在轉速突增的過程中,滾子與滾道會劇烈摩擦,同時還會承受和來自軋鋼過程中的沖擊載荷。這種情況下如果軸承的潤滑不良,零件表面的粗糙程度就會不斷增加,由此會導致磨損逐漸加大,滾子單位表面所承受的壓力也會不斷增加,同時軸承運轉過程中,滾子與滾道、滾子與保持架、保持架和內外圈之間均有滑動摩擦發生,并且這種滑動摩擦會隨著載荷的增加而增大,滑動摩擦的存在會造成軸承各部件之間相對爬行(蠕動)的發生,導致磨損。因此,必須保持軸承各部件之間良好的潤滑,潤滑油膜能夠良好的隔離各部件之間的接觸面,避免出現金屬與金屬之間的直接摩擦接觸。同時,良好的潤滑還會起到很好的散熱作用,能夠對運轉中的摩擦熱起到傳遞降低作用。另外,要選用合適的潤滑脂和正確的再潤滑方式和周期。


7)密封

密封性能是軋機軸承性能的關鍵,軸承運行的成功取決于其密封能力,即將油脂留置在軸承中,將污物擋在外面的能力。通常軋鋼設備使用的軸承主要會遭到生產冷卻水和氧化鐵皮的污染。軸承的密封情況不佳,潤滑脂被水污染之后,會降低軸承材料的抗疲勞程度從而產生裂紋。軋鋼時,氧化鐵皮會破壞軸承內部的潤滑條件,軸承表面會出現摩粒磨損,導致軸承產生磨損的情況。因此,理想的軸承密封能夠有效地提高軸承的使用壽命,同時也降低了軸承突然損壞影響生產事件的發生概率。


如:可以在立輥箱上部設置防水膠墊,在軸承壓蓋之處設置防水密封圈;可以選用氟橡膠骨架對軸承進行密封,從而預防冷卻水或氧化鐵皮進入軸承內部,進而延長軸承的使用壽命;常用的密封方法有聯合密封設計和窄密封設計等。


小結

軋機軸承的使用壽命受到軸承內、外因兩方面的影響,除了選擇質量可靠的軸承之外,還必須提高軸承安裝精度,并且,在日常檢修維護中要嚴格控制潤滑油質量并確保潤滑方式合理,同時還要提高軸承的密封程度。軋機軸承壽命的提高是檢修人員的重點工作之一,只有熟悉軸承的性能,了解運行的工況,掌握維護的知識才能在日常軸承維護工作中切實地抓住工作重點,提高軋機設備的運行質量,從而保障生產的順利開展。

(來源:軸承雜志社)



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