四辊轧机支承辊止推轴承烧损原因测试

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.05.009 第17卷第5期 北京科技大学学报 Vol.17 No.5 199510 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct1995 四辊轧机支承辊止推轴承烧损原因测试 周纪华)叶煦琳)史小路)李流敏2) 杨建军) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)武汉钢铁公司，武汉43080 摘要通过对武汉钢铁公司热轧带钢厂粗轧机(R,~R,)设备、工艺参数的综合测试研究，论 述了四辊轧机辊系运动状态与辊系轴向力的关系，分析了辊系轴向力生成的原因和轴向力的大 小，以实测数据为依据，讨论了支承辊止椎轴承的实际负荷状况、破坏机理及工作寿命，提出了 诚少R,~R,轧机支承辊止推轴承烧损的可行措施， 关键词四辊轧机，轴向力，轧辊交叉，轴承 中图分类号TG334.17,0343 Experimental Research of Cause for Burst of Thrust Bearing of 4-H Strip Mill Zhou Jihua)Ye Xulin Shi Xiaolu Li Liumin Yang Jianjun 1)College of Mechanical Engineering,USTB.Beijing 100083.PRC 2)Wuhan Steel Iron Corporation,Wuhan 430080 ABSTRACT A complex test about the parameters of technique and equipment has per- formed on roughing roll stands R:R of hot strip mill in WISCO.The rearch of it consists of the relationship between actual motion of rolls and axial forces of rolls on 4H-mills,the forming origins and values of axial forces.Depending on the test data, the actual loading,the mechanism of fracture and the working life of thrust bearing using for back up roll are explored.at the same time,some available steps are suggested to reduce the break of thrust bearings using for back up rolls on stands R,R. KEY WORDS 4-H rolling strip mill,axial force,crossing rolling,bearing 近10多年来，国内外相继报导了板带生产中因辊系轴向力过大而发生轴承破坏和辊颈 粘结事故，并对轴向力较大的PC、CVC、HC等新型轧机进行了辊系轴向力大小和控制的 研究1~别，认为辊系轴向力约为轧制力的5%. 武钢热轧带钢厂投产七八年后，频繁发生粗轧机工作辊轴向锁门板螺栓拉断和锁门板 严重变形.当锁门板螺栓和锁门板加固后，支承辊止推轴承烧损剧增. 为探明R2~R,轧机支承辊止推轴承烧损原因，进行了现场调查和轧机、辊系轴向力 1994-10-10收稿 第一作者男59岁教授

第 17 卷 第 5 期 北 京 科 技 大 学 学 报 l姚 年 1 0 月 OJ um a l o f U n ive sr ity o f S d en ce a n d eT ch n o l o g y B e ij i n g V砚 . 1 7 N 0 . 5 O CL I匹越巧 四 辊轧机支承辊 止推轴承 烧损原 因测 试 周纪 华 ` ) 叶 煦 琳 ` ) 史小 路 ` ) 李流敏 2 ) 杨建 军 2 l) 北京 科技大学机械工 程 学院 , 北京 l(“ X] 8 3 2) 武汉 钢 铁公 司 , 武 汉 43 0 80 摘要 通过对武汉钢铁公 司热 轧带钢厂粗轧机 (R : 一 R ; ) 设备 、 工 艺参数的综合 测 试研 究 , 论 述了 四辊轧机辊系运动状态 与辊系轴 向力 的关 系 , 分析 了 辊系 轴 向力生 成 的原 因 和 轴 向力 的大 小 . 以实测数据 为依据 , 讨论 了 支承辊止推轴承的 实际 负荷状况 、 破 坏机理及 工 作 寿命 , 提 出 了 减少 R : 一 R 4 轧机支承辊 止推轴承烧损的可 行措施 . 关键词 四 辊轧机 , 轴 向力 , 轧辊交叉 , 轴承 中图 分类号 T G 334 . 1 7 , 0 34 3 E x pe r i rne n at l R es e a cr h o f C a us e of r B urs t o f T h rus t B e a r ign o f 4 一 H S t r iP M ill Z h洲 iJ h u a ’ ) eY Xu li n ’ ) hS i iX a o l u ’ ) L i L i u m i n ’ ) aY 陀9 iJ a nj u n l ) C o ll e g e o f M e e h a n i e a l E n g 一n e e r i n g , U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 , P R C 2) W u h a n S t e e l & l r o n C o r P o r a t i o n , W u h a n 4 3 0 0 8 0 A B S T R A C T A c o m P l e x t e s t a b o u t t h e P a r a me t e rs o f t e e h n iq u e a n d e q u iP me n t h a s P e r - fo rm e d o n r o u g h i n g r o ll s t a n d s R Z & R ; o f h o t s t r i p m ill i n W I S C O . T h e r e a r c h o f i t co n s i s t s o f t h e r e l a t i o n s h iP b e t w e e n a e t u a l m o t i o n o f r o ll s a n d a x i a l fo r c e s o f r o ll s o n 4 H 一 而11 5 , t h e fo r m i n g o r i g i n s a n d v a l u e s o f a x i a l fo r e s . D e P e n d i n g o n t h e t e s t d a t a , t h e a e t u a l l o a d i n g , t h e m e e h a n i s m o f fr a e t u r e a n d t h e w o r k i n g life o f t h r u s t b e a r i n g u s i n g fo r b a e k u P r o ll a r e e x P l o r e d , a t t h e s a m e t i me , s o m e a v a il a b l e s t e P s a r e s u g g e s t e d t o r e d u e t h e b r e a k o f t h r u s t b e a r i n g s u s i n g fo r b a c k u P r o ll s o n s t a n d s R Z & R 4 . K E Y W O R D S 4 一 H r o lli n g s t r i P m ill , a x i a l fo r c e , c r o s s i n g r o ll i n g , b e a r i n g 近 10 多 年 来 , 国 内外 相 继 报 导 了 板 带 生 产 中 因 辊 系轴 向力过大 而 发生轴承破坏和辊颈 粘结事故 , 并 对轴 向力 较大 的 P C 、 C V C 、 H C 等 新 型 轧 机进 行 了 辊 系 轴 向力 大 小 和 控 制 的 研究【’ 一 ’ } , 认 为辊 系轴向力约为轧 制力 的 5 % . 武钢热轧 带钢 厂投 产七 八年 后 , 频繁 发 生粗 轧机 工 作 辊 轴 向锁 门 板 螺 栓 拉 断 和锁 门 板 严重 变形 . 当锁 门板螺 栓和 锁 门板加 固后 , 支承辊 止推 轴承 烧损剧 增 . 为探 明 R : 一 R 4 轧机 支承 辊止 推轴 承烧 损 原 因 , 进 行 了 现 场 调 查 和 轧 机 、 辊 系 轴 向力 1望润一 10 一 10 收 稿 第一 作者 男 59 岁 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 05. 009

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第 17 卷 第 5 期 北 京 科 技 大 学 学 报 l姚 年 1 0 月 JO um a l o f U n iev rs ity o f S d en ec a n d eT hc n o l o gy B e ij i n g V砚 . 1 7 N 0 . 5 O LC I匹越巧 四 辊轧机支承辊 止推轴承 烧损原 因测 试 周纪 华 ` ) 叶 煦 琳 ` ) 史小 路 ` ) 李流敏 2 ) 杨建 军 2 )l 北京 科技大学机械工 程 学院 , 北京 l(“ X] 8 3 2) 武汉 钢 铁公 司 , 武 汉 43 0 80 摘要 通过对武汉钢铁公 司热 轧带钢厂粗轧机 (R : 一 R ; ) 设备 、 工 艺参数的综合 测 试研 究 , 论 述了 四辊轧机辊系运动状态 与辊系轴 向力 的关 系 , 分析 了 辊系 轴 向力生 成 的原 因 和 轴 向力 的大 小 . 以实测数据 为依据 , 讨论 了 支承辊止推轴承的 实际 负荷状况 、 破 坏机理及 工 作 寿命 , 提 出 了 减少 R : 一 R 4 轧机支承辊 止推轴承烧损的可 行措施 . 关键词 四 辊轧机 , 轴 向力 , 轧辊交叉 , 轴承 中图 分类号 T G 334 . 1 7 , 0 34 3 E x pe r i rne n at l R es e a cr h o f C a us e of r B urs t o f T h rus t B e a r ign o f 4 一 H S t r iP M ill Z h洲 iJ h u a ’ ) eY Xu li n ’ ) hS i iX a o l u ’ ) L i L i u m i n ’ ) aY 陀9 iJ a nj u n l ) C o ll e g e o f M e e h a n i e a l E n g 一n e e r i n g , U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 , P R C 2) W u h a n S t e e l & l r o n C o r P o r a t i o n , W u h a n 4 3 0 0 8 0 A B S T R A C T A c o m P l e x t e s t a b o u t t h e P a r a me t e rs o f t e e h n iq u e a n d e q u iP me n t h a s P e r - fo rm e d o n r o u g h i n g r o ll s t a n d s R Z & R ; o f h o t s t r i p m ill i n W I S C O . T h e r e a r c h o f i t co n s i s t s o f t h e r e l a t i o n s h iP b e t w e e n a e t u a l m o t i o n o f r o ll s a n d a x i a l fo r c e s o f r o ll s o n 4 H 一 而11 5 , t h e fo r m i n g o r i g i n s a n d v a l u e s o f a x i a l fo r e s . D e P e n d i n g o n t h e t e s t d a t a , t h e a e t u a l l o a d i n g , t h e m e e h a n i s m o f fr a e t u r e a n d t h e w o r k i n g life o f t h r u s t b e a r i n g u s i n g fo r b a e k u P r o ll a r e e x P l o r e d , a t t h e s a m e t i me , s o m e a v a il a b l e s t e P s a r e s u g g e s t e d t o r e d u e t h e b r e a k o f t h r u s t b e a r i n g s u s i n g fo r b a c k u P r o ll s o n s t a n d s R Z & R 4 . K E Y W O R D S 4 一 H r o lli n g s t r i P m ill , a x i a l fo r c e , c r o s s i n g r o ll i n g , b e a r i n g 近 10 多 年 来 , 国 内外 相 继 报 导 了 板 带 生 产 中 因 辊 系轴 向力过大 而 发生轴承破坏和辊颈 粘结事故 , 并 对轴 向力 较大 的 P C 、 C V C 、 H C 等 新 型 轧 机进 行 了 辊 系 轴 向力 大 小 和 控 制 的 研究【’ 一 ’ } , 认 为辊 系轴向力约为轧 制力 的 5 % . 武钢热轧 带钢 厂投 产七 八年 后 , 频繁 发 生粗 轧机 工 作 辊 轴 向锁 门 板 螺 栓 拉 断 和锁 门 板 严重 变形 . 当锁 门板螺 栓和 锁 门板加 固后 , 支承辊 止推 轴承 烧损剧 增 . 为探 明 R : 一 R 4 轧机 支承 辊止 推轴 承烧 损 原 因 , 进 行 了 现 场 调 查 和 轧 机 、 辊 系 轴 向力 1望润一 10 一 10 收 稿 第一 作者 男 59 岁 教 授

·446· 北京科技大学学报 1995年No.5 (4)轴承座振动在操作侧支承辊和工作辊轴承座的左上角设置加速度传感器，测量垂 直方向、水平方向及轧辊轴向的振动· (5)其他参数辊型、粗糙度、工艺参数等用相应仪器测量， 13测试范围 除轧机装配状况外，均在轧机正常生产时抽样测试，共测试了541卷钢，整理分析了487 卷钢的有关参数，包括：钢种9个；单倍尺和双倍尺坯料；成品厚22~9.55m,宽 1025~1520mm. 2测试结果及分析 2.1Rz轧机可逆轧制时辊系轴向位移和轴向力 R,轧机上多为3、5道次轧制，也有7道次轧制，各个参数测试的典型波形图如图2所示， (a1 第一道 第二道 第三道 Is 1533-21 w.s. 九批卷号 图2R,轧机测试波形图(a3道次；b5道次) 从图2a可以看出，轧件咬入时支承辊转速大于20rmin,轧件抛出时的为25rmin,上、下 支承辊轴向力(Tu、TL)和上工作辊轴向力(Twu)为类似于三角形波形.这是由于 辊系存在轴向间隙所致·轴向力使轧辊产生轴向位移，并随之增大，直至轴向间隙完全消

· 4 46 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 995 年 N o . 5 (4) 轴承 座 振动 在操作侧 支承 辊和工 作 辊轴承 座 的左上 角设 置加 速度 传感 器 , 测 量 垂 直方 向 、 水平方 向及 轧 辊轴向的 振动 . ( 5) 其他参数 辊 型 、 粗糙 度 、 工艺 参数等用 相应 仪器 测量 . 1 3 测 试范 围 除轧 机 装配 状况 外 , 均在 轧机 正常生 产 时抽 样测 试 , 共测试 了 5 41 卷钢 , 整理分析了 4 87 卷 钢 的 有 关 参数 , 包 括 : 钢 种 9 个 ; 单 倍尺 和 双 倍 尺 坯 料 ; 成 品 厚 .2 2 一 9 . 5 5 n U n , 宽 1 0 2 5 一 1 52 0 In l l l . 2 测试结 果及分析 .2 I R : 轧机可逆轧制时辊 系轴向位移和轴 向力 R : 轧机 上 多 为 3 、 5 道 次轧制 , 也有 7 道次轧制 . 各个参数测试 的典型波形图如图 2 所示 . 一 J, 、 ~ / 尸一 一~ S w ` 一一二~ ( b ) F 第 四 道 元 ~ 己 一 弄 写 : . ` l S * , 图 2 R Z 轧机测试波形图 a( 3 道 次; b s 道次 ) 从图 a2 可以看 出 , 轧件咬人时支承辊转速大于 20 r /而 n , 轧件抛出时的为 25 r娜 n , 上 、 下 支承 辊 轴 向力 (几 u 、 几 ) 和 上 工 作 辊 轴 向 力 归偏 u ) 为 类 似 于 三 角 形 波 形 . 这 是 由 于 辊系存在轴 向间 隙所致 . 轴 向力 使轧 辊 产 生 轴 向位 移 , 并 随之 增 大 , 直 至 轴 向 间 隙完 全 消

Vol.17 No.5 周纪华等：四辊轧机支承辊止推轴承烧损原因测试 447. 除，轴向力增大到某一稳定值·当轧件较短时，辊系轴向间隙尚未完全消除，即轴向力没能 达到稳定值轧件便抛出，轴向力随之突降，从图2b可以看出：R,在单道次时T指向传动 侧，双道次时T指向操作侧，而且，单道次时的TB大于双道次，从第4道次后，T。能达 到稳定值， 2.2工作辊与支承辊交叉时的轴向力 在测试当年的大修前、后，对R、R,轧机的辊系及机架窗口尺寸进行了测量，换算出 轧辊间的交叉角6，如附表所示， 附表轧辊间交叉角 交叉角 R,轧机大修前 R,轧机大修后 R,轧机大修前、后 e() 0.0970 0.0559 0.0800 62() 0.0543 0.1135 0.0425 8/() 0.0376 0.0144 0.0982 附表中，0，为上支承辊与上工作辊的交叉角，0，为上、下工作辊的交叉角，0，为下支 承辊与下工作辊之间的交叉角· R,轧机的交叉角0与Tu的关系如图3所示.从图3可以看出：T随着0角的增加 而增大；R,轧机单道次时TU大于双道次时的T,这也是支承辊止推轴承中靠驱动侧的那 列总是烧损的原因之一， 90 70 ● 50L 单通大数据区 双道次数据区 30 0 0 6 8 0 0.×10-/°) 图3R,轧机Tm与0的关系 23轧辊轴承的振动 从3个方向对R,轧机支承辊辊箱和工作辊辊箱振动测试的频谱分析可知：咬钢、抛钢 时，支承辊辊箱的轴向冲击比其余两个方向要大；止推轴承锥柱与座圈的接触频率为22HZ

V o l . 17 N o . 5 周纪华等: 四辊轧机支承辊止推轴承烧损 原因测试 · 4 .7 除 , 轴 向力增 大 到某 一稳定 值 . 当轧 件较 短 时 , 辊 系轴 向间 隙尚未完全 消除 , 即轴向力 没能 达 到稳 定值轧件便 抛 出 , 轴 向力 随之 突降 . 从 图 Zb 可 以 看 出: R Z在 单道 次时 BT 指 向 传动 侧 , 双 道次 时 几 指 向操 作 侧 , 而 且 , 单道 次 时 的 几 大 于 双 道 次 , 从 第 4 道 次后 , 几 能 达 到稳 定值 . .2 2 工 作辊与支 承辊交叉 时的轴向 力 在测试 当年 的大 修前 、 后 , 对 R Z 、 R 4 轧机 的辊 系及 机 架 窗 口 尺寸 进 行 了 测量 , 换 算 出 轧 辊 间的交 叉角 0 , 如附表 所示 . 附表 轧辊 间交叉角 交叉 角 R Z 轧机大修前 R Z 轧机大修后 R 4 轧机大修前 、 后 8 1 /( 。 ) 0 . 的7 0 0 . 055 9 OD 8() 0 仇/( “ ) 0 . 0抖 3 0 . 1 13 5 0 · 伙2 5 氏/( 。 ) 0 . 0 37 6 0 . 0 14 4 0 . 的8 2 附表 中 , O ; 为上 支承 辊与上 工作 辊 的交叉 角 , 0 : 为 上 、 下 工 作 辊 的交 叉 角 , 0 : 为下 支 承 辊 与下 工作 辊 之 间的交 叉角 . R Z 轧机 的交 叉角 e 与 T B 。 的关 系如 图 3 所示 . 从 图 3 可 以 看 出 : 几 U 随 着 e 角 的 增 加 而增 大 ; R Z 轧机单道 次时 瑞 大 于双道 次 时 的 瑞 , 这也是 支 承 辊 止推 轴承 中靠驱动 侧的那 列总是烧 损 的原 因之 一 . 叼戈 1 ù 二 g 2 4 6 8 10 0 , x 10 一 ’ /( 。 ) 图 3 R Z 车L机 瑞与 a 的关系 2 3 轧辊轴承 的振动 从 3 个方 向对 R : 轧机 支承 辊辊箱 和工 作辊 辊箱振 动 测 试 的 频 谱分 析可 知: 咬钢 、 抛 钢 时 , 支承辊 辊箱 的轴 向冲 击 比其 余两 个方 向要大 ; 止 推轴承 锥柱 与座 圈 的接 触频 率 为 2 H z

·448· 北京科技大学学报 1995年No.5 且锥柱与座圈接触时压力方向是倾斜的，介于支承辊轴向与轧制方向之间，而在频谱分析 中，具有频率为22Hz的振动振幅不大.因此它不会出现谐振而导致止推轴承烧损. 2.4支承辊轴承轴向力分布 实测止推轴承的4个位置，在轧制过程中，每个道次的轴向力并不相等，即止推轴承在轴 向存在着严重偏载，将每个道次中受力最大和受力最小传感器上的作用力的比值视为偏载系 数，统计得到的偏载系数值，对R,及R,轧机分别为1.41~1.63,1.32~1.45. 2.5支承辊轴向力和轴向位移 测试结果分析表明，R,轧机上、下支承辊的最大轴向力分别为103t,151t,相当于轧 制力的7%~11%；上、下支承辊的当量轴向力为43.4t、79.7t.上、下支承辊最大位移分 别为2.91mm、4.5mm. R,轧机上、下支承辊的轴向力稍小于R4轧机，其最大值分别为134t,96t,这无疑与 当时轧机的工况有关· 32TR510C止推轴承破坏机理及工作寿命分析 31止推轴承的额定寿命 R,~R,轧机支承辊止推轴承是日本光洋株式会社产品，为双列圆锥滚子轴承2TR510C, 外圈浮动只能承受轴向载荷，制造厂设计规定轴向力为轧制力的2%~3%，按S0公式 计算，在当量载荷分别为43.4t、66.23t,75t时，其相应的额定寿命为25a、6.12a、4.05a(按 每个轴承年工作500h).由此可知，在目前的生产条件下止推轴承具有较长的工作寿命， 在已破坏的轴承中，有10%的轴承寿命不足60d.现以该值计，可推算出轴承的当量 载荷应为195t其最大载荷可能达到300~400t,约为轧制力的12%~16%，此值大大 超过了现场实测与文献记载，然而从锁门板变形及其固定螺栓拉断事故来看，达到200的 轴向力是可能的，但不会因疲劳破坏导致如此短的使用寿命· 3.2上推轴承滚道断裂 国外研究表明：存在圆周应力作用的轴承寿命大大低于额定寿命；当滚道有微小裂 纹时，即使接触应力不变，在圆周应力作用下，会大大加快轴承的破坏，出现有或无剥落情 况下的滚道断裂；在圆周应力为211MPa,接触应力为1025MPa时，轴承只运行了42.8h,滚 道便断裂.文献[6] (1)轴承外圈介绍，圆周应力200MPa为滚道发生断裂的临界值. 2TR510C轴承有两列锥柱，每列43个，取外圈的1/43为研究对象，其受力情况如图4 所示， 将外圈看做曲梁，得：

北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 5年 N o . 5 且 锥柱与座圈接触 时压 力 方向是倾斜 的 , 介于 支承 辊轴向与轧 制方 向之 间 , 而 在 频 谱分 析 中 , 具有频率为 2 zH 的振动振幅不大 . 因此 它不 会出现 谐振 而 导致 止 推轴承烧 损 . .2 4 支承 辊轴承轴向 力分布 实测 止推 轴承的 4 个 位置 , 在轧制 过程 中 , 每个道次的轴向力 并不相等 , 即止推轴承在 轴 向存 在着 严重 偏载 . 将每个 道 次 中受力最 大 和受 力最小 传感 器上 的作 用力 的 比值 视为偏载 系 数 , 统计得到 的偏 载 系数值 , 对 R : 及 R 4 轧 机分 别 为 1 . 41 一 1 . 63 , 1 . 32 一 1 . 45 · 2 5 支承辊轴 向力和轴 向位移 测试结果分析表 明 , R 4 轧机 上 、 下 支承辊 的最 大轴 向力 分别 为 103 t 、 巧 lt , 相 当于 轧 制力 的 7 % 一 fl % ; 上 、 下支 承辊 的 当量轴 向力 为 43 4 t 、 79 . 7t . 上 、 下 支承辊最大 位移分 别 为 2 . 9 1 n u n 、 4 . 5 r o ln . R : 轧机上 、 下 支承辊 的轴 向力 稍小 于 R 4 轧 机 , 其 最 大 值 分 别 为 134 t 、 % t , 这 无疑 与 当时轧机的工 况有 关 . 3 2T R 51 笑 止推轴承破坏机理 及工作 寿命分 析 1 1 止推轴承的额定 寿命 R : 一 R 4 轧机支承辊止推轴承是 日本光洋株 式 会社 产 品 , 为双列 圆 锥滚 子 轴 承 ZT R 51 0C , 外 圈浮动 只 能承 受轴 向载 荷 , 制 造厂 设计规定 轴 向力 为轧 制 力 的 2 % 一 3 % . 按 15 0 公 式 计算 , 在 当量 载 荷分 别为 4 3 . 4 t 、 6 6 . 2 3 t 、 7 5 t 时 , 其相应的额定寿命为 2 5 a 、 6 . 12 a 、 4 D 5 a ( 按 每个轴承 年工 作 5 0 h) . 由此可 知 , 在 目前 的 生产条 件下 止推 轴承具 有较 长 的工作 寿命 . 在 已 破坏 的轴承 中 , 有 10 % 的轴 承寿命不 足 60 d . 现 以 该 值 计 , 可推 算 出轴 承 的 当量 载荷 应为 19 5t , 其最大 载荷 可能 达到 30 一 4X() t , 约为轧 制力 的 12 % 一 16 % , 此值大 大 超过 了现 场实测 与文 献记载 , 然而从锁 门板 变形及 其固定 螺 栓 拉 断事 故 来看 , 达 到 20 t 的 轴 向力是 可 能 的 , 但 不 会 因疲 劳破 坏 导致如此 短 的使用寿命 . 1 2 止推轴承滚道断 裂 国外研 究 〔’ , 6】表 明: 存在 圆周 应力 作 用的轴承寿命大大 低于 额定 寿命 ; 当滚 道 有 微 小 裂 纹 时 , 即使接 触应 力不 变 , 在 圆周 应 力作 用下 , 会大大 加快 轴承的破坏 , 出现有或 无剥 落情 况 下 的滚道断裂 ; 在 圆周应力为 21 1 M P a , 接触应力 为 1 0 25 M P a 时 , 轴承 只运行 了 42 . 8 h , 滚 道便断裂 . 文 献 【6] ( l) 轴承外 圈 介绍 , 圆周应力 2 0 M Pa 为滚道 发生 断裂 的临界值 . ZT R 51 笑 轴承有两 列锥 柱 , 每 列 43 个 , 取 外 圈的 1 4/ 3 为研 究 对象 , 其 受 力 情 况 如 图 4 所示 . 将外 圈看 做 曲梁 , 得 :

Vol.17 No.5 周纪华等：四辊轧机支承辊止推轴承烧损原因测试 .449. Mo=NoR[1-(1/)sino] (1) F,=F·sin(65°10')，N。=F,/2·sinp) 式中，R-外圈中性层半径，R=350.4mm; p-圆心角，p=360°/(2×43)=4.186°. 任一截面C-C上的拉力、剪力和弯矩分 别为： C-C N=No·sina (2) Q=No·sina (3) M=N。·R(I-cosa)-M, (4) 由于p角较小，x又小于p,故剪力影 响可忽略不计·因此，外圈任意截面上的应力 为： G=G,+2=N/A+Mr/S·p)(5) 图42TR510C止推轴承1/43外圈受力图 式中，6，一拉应力；σ2-弯曲应力；A-截 图中：F-锥柱给外圈的压力；F,一F 面积；？一欲求应力点至中性层在曲率半径方 在外圈径向的分力；W。一截面上拉力； 向上的距离；p一欲求应力点至曲率中心的距 M。一裁面上静不定弯矩；p-圆心角 离；S-静截面矩. 轴向力TB与压力F的关系为： TB=43·F·cos(65°10) (6) 内表面上的两锥柱之间中点位置（α=O)的最大应力为： 0内mx=166.1T+11Tg=177.1TBPa (7) 外表面上锥柱接触位置(x=4.186)的最大应力为： 0外m=154.8T。+11.8TB=166.6TBPa (⑧) 式(7)~(8)中的前一项为拉应力，后一项为弯曲应力，从式中可以看出拉应力是 主要的，弯曲应力只占8%.如取T,=100t,则有：内mx=177.1MP;外m=166.6MPa. 对外圈应力还采用三维有限元法进行计算.设20个节点，求得在T。=100t时的最大应 力：内max=195MPa;G外m=193MPa;滚道中部的应力G内中=191MPa. 根据文献计算轴承辊子与外圈滚道的最大接触应力S: S=190730.89·(9·k/1012 (9) 式中：Q=F,即单个辊对滚道的压力；Σk=2d-l/R；d-轴承辊平均半径；R= R/c0s(90°-65°10)；1-实际测取轴承辊有效接触长度， 取T.=100t时，代人式(9)，得S=1159.3MPa. (2)对计算结果的分析 当T。=100t时，2TR510C止推轴承外圈的应力与文献的数据相接近，有可能导致外圈 滚道的断裂.在R,和R,轧机的实测轴向力为134~151t,都超过了100t的水平.因此有 理由认为2T℉510C轴承的外圈是在高圆周应力和接触应力的共同作用下发生无剥落疲劳断 裂，这与对2TR510C轴承破坏后的金相检验相一致，由于裂纹的产生和扩大需要有一 定的时间，所以2TR510C轴承并不一定在轴向力最大时立即发生破坏

V61 . 17 N o . 5 周纪华等 : 四 辊轧机支承辊止推轴承烧损 原因测 试 M o = N o R 【l 一 ( l /中) s i n 甲1 ( l ) rF = F · s in ( 6 5 0 10 ’ ) , N 。 = rF / (2 · s i n 沪 ) 式 中 , R 一 外 圈 中 性 层 半 径 , R 二 3 5 .0 4 I n r n ; 毋 一 圆心角 , 沪 = 36 0 0 / ( 2 X 4 3) = 4 . 18 6 0 . 任一 截 面 C 一 C 上 的拉 力 、 剪 力和 弯矩分 别为 : N = N 。 · s i n : (2 ) Q = N 。 · s i n : ( 3 ) 材 = N o · R ( l 一 co s: ) 一 M 。 (4 ) 由于 价 角 较 小 , 仪 又 小 于 毋 , 故剪 力 影 响可 忽 略不计 . 因此 , 外 圈任 意 截面上 的应力 为 : a = ` 1+ “ 2 = N /A + M r/ (S · p ) ( 5 ) 式 中 , 。 一 拉 应 力 ; 6 2 一 弯 曲 应 力 ; A 一 截 民口 卿C 一 C 图 4 面积 ; ; 一 欲 求应 力 点至 中性 层 在 曲 率半 径 方 向上 的距离; P 一 欲求应 力点 至 曲率 中心 的距 离 ; S 一 静 截面矩 . 轴 向力 T B 与压力 F 的关系 为 : 几= 4 3 · F · co s ( 6 5 。 Z r R 51 优 止推轴承 1 143 外圈受力图 图中: F 一 锥柱给外圈的压力 ; F, 一 F 在外圈径向的分力 ; N 。 一 截面上拉力 ; 0M 一 截面上静不定弯矩 ; 价一 回心角 10 ` ) ( 6 ) 内表 面上 的两锥 柱之 间 中点位置 ( : = 0) 的最大 应力为: a 内 ~ = 16 6 · l几+ l l aT = 17 7 · l几 aP ( 7 ) 外 表 面上锥 柱 接触位 置 ( : = 4 . 1 86 。 ) 的最 大应力 为 : 。 外 ~ = 15 4 . 8几+ 1 1 . S aT = 16 6 . 6几 aP ( 8 ) 式 ( 7) 一 (8) 中的前一 项为 拉应 力 , 后 一 项 为 弯 曲 应 力 . 从 式 中 可 以 看 出拉 应 力 是 主要 的 , 弯 曲应 力 只 占 8 % . 如 取 aT = l o t , 则有 : o 内 ~ = 17 7 . 1 M aP ; 6 外 ~ = 16 .6 6 M aP . 对外 圈 应力 还采 用三 维有 限元 法进 行计算 . 设 20 个节点 , 求得 在 sT 二 l o t 时 的 最 大 应 力 : a 内 ~ = 19 5 M P;a 丙卜 ~ = 19 3 M P ;a 滚道 中部 的应力 6 内中 = 19 1 M aP . 根据 文献计 算轴承辊 子 与外 圈滚道 的最 大接触应力 :S S = 19 0 7 30 . 8 9 · (Q · 艺 k / l) ’ / , (9 ) 式 中: Q 二 F , 即 单 个 辊 对 滚 道 的 压 力 ; 艺 k = 2 d/ 一 1/R ` d 一 轴 承 辊 平 均 半 径 ; R d = R /co s( 90 “ 一 65 0 10 ;,) 卜 实际测 取轴 承辊 有效 接 触长度 . 取 sT = l X() t 时 , 代入 式 (9 ) , 得 S = 1 15 9 . 3 M P a . ( 2) 对计算结果 的分 析 当 几= 10 t 时 , ZT R 51 0C 止 推轴承外圈的应力与文献的数据相接近 , 有可 能导致外圈 滚 道 的断裂 . 在 R Z 和 R 4 轧 机的实测 轴 向力 为 13 4 一 15 1 t , 都 超过 了 l o t 的水平 . 因此 有 理 由认为 ZT R 51 0C 轴承 的外 圈是 在高 圆周 应力 和接 触应 力的共 同作 用 下 发 生无 剥 落 疲 劳 断 裂 , 这 与 对 ZT R 51 0C 轴 承破 坏 后 的 金相 检 验 相 一 致 . 由 于 裂 纹 的 产 生 和 扩 大 需 要 有 一 定 的时 间 , 所 以 ZT R 51 0C 轴 承并 不一 定在 轴 向力最大 时立 即发生破 坏

·450* 北京科技大学学报 1995年No.5 3.32TR510C轴承工作寿命分析 在前面已分析了轴承的额定寿命约为4(T。=75t).考虑到轴承受偏载严重，当取偏载 系数为1.45~1.5时，轴承寿命仅为600h.按S0规定，轴承寿命计算皆含10%的失效概 率（指单个新轴承投人使用），而实际现场使用时新旧混合，因此，在每个轴承服役年限不 同的情况下，总体失效概率必然不同.考虑到R,~R,3架轧机总有6个轴承投人运行，且 总共有10个轴承交替上机，设轧机年产量为350万t,取：当量载荷为60t,偏载系数为1.5， 这时计算得轴承寿命为591h,约为无偏载时3908h的1/6.所以年轴承消耗量可达3~4 个，这3~4个轴承寿命已尽，但不一定有宏观缺陷产生. 4 改进措施 (1)改变2TR510C轴承外圈浮动的装配结构，在原轴承外圈上加一个能承受较大圆周应 力的套箍，仍保持轴承外圈浮动· (2)严格控制轧机装配系统的间隙，按期更换机架衬板，以减小轧辊之间的交叉角， (3)工作辊锁门板螺栓均匀压紧，改进下支承辊锁门板合力作用位置，使其与轴承中心 线相重合，以诚小轴承的偏载， (4)将原下支承辊轴承座小平面自位结构改为弧面自位结构方式，以减小偏载. (⑤)采用轧辊轴向力柔性控制系统，限制最大轴向力的生成· (6)调整2TR510C轴承的清洗周期，由1a改为0.25~0.5a,且清洗后进行超声探伤， 杜绝不合要求的轴承再上机使用，以最大限度避免轴承在线生产时烧损， 上述措施部分实施后，轴承烧损已明显减少，已获得了很大的经济效益， 致谢参加本工作的还有邹家样、陆勤、张少军和沈玖珩等，对武钢机电部及热轧厂对本实验的领导和 支持深表感谢！ 参考文献 1 Rogex L Ebaugh.Chock and Roll Maintenance an Its Effect on Work Roll Bearings.Iron and Steel Eng. 197811):64~68 2河野辉雄.左右非对称压延)口一儿大粉办式·见：第26回塑性加工连合讲演会·日本·京都：日本 塑性加工学会印，1975.49~52 3刘冠军.四辊冷轧机工作辊轴向力试验研究.重型机械，1980(9)：27~30 4埃斯曼等著，刘家文译，滚动轴承设计与应用手册，武汉：华中工学院出版社，1985 5钱丽敏译.滚子轴承的破坏形式.国外轴承，198)：56~60 6林基恕译.适用于高应力的抗断裂轴承，国外轴承，198⑤：1~6

4 50 北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 5年 N o . 5 3 3 2T R 51 C0 轴承工作寿命分析 在前面 已 分析 了轴承 的额定 寿命约为 4 (a 几= 75 )t . 考虑 到轴 承受 偏 载 严 重 , 当取 偏 载 系数为 1 . 45 一 1 . 5 时 , 轴承 寿命仅 为 6 0 h . 按 E O 规定 , 轴 承寿命计算皆含 10 % 的失 效概 率 ( 指单个新轴承投 人使用 ) , 而 实际现 场使用 时新 旧 混合 , 因此 , 在 每个 轴承 服 役 年 限不 同 的情 况下 , 总体失 效概 率必 然不 同 . 考 虑到 R : 一 R ; 3 架轧机 总有 6 个 轴承 投 人 运 行 , 且 总共有 10 个轴承交替上 机 , 设轧机 年产 量为 3 50 万 t , 取 : 当量载荷为 60 t , 偏载 系数为 1 . 5, 这时计算得轴承寿命 为 5 9l h , 约 为 无偏 载 时 3 9 08 h 的 16/ . 所 以 年轴 承 消 耗量 可 达 3 一 4 个 , 这 3 一 4 个 轴承寿命已 尽 , 但 不一 定有宏 观缺 陷产 生 . 4 改进措施 ( l) 改变 ZT R 51 0C 轴承外 圈浮 动的装 配结 构 , 在 原轴 承外 圈上加一 个能承受较大 圆周应 力 的套箍 , 仍保持轴承外 圈浮动 . ( 2) 严格 控制 轧机 装配 系统 的间 隙 , 按期更 换机架衬 板 , 以 减小 轧辊 之间的交 叉角 . ( 3) 工 作辊锁 门板螺 栓 均匀压 紧 , 改 进下 支承 辊锁 门板合 力作 用位置 , 使其与轴承 中心 线相 重 合 , 以减小 轴承 的偏 载 . ( 4) 将原下 支承辊 轴承 座小平 面 自位 结构 改 为弧面 自位结构方式 , 以 减小偏载 . ( 5) 采用 轧 辊轴向力柔 性控制 系 统 , 限制 最大 轴 向力 的生成 . ( 6) 调 整 ZT R 51 0C 轴承 的清洗周期 , 由 l a 改 为 .0 25 一 .0 5 a , 且 清 洗后 进 行 超 声 探伤 , 杜 绝不 合要求的轴承再 上机使用 , 以最 大限度 避免 轴承 在线 生产 时烧损 . 上 述措施部分实施 后 . 轴承 烧损 已 明显减 少 , 已获 得 了 很大 的经济 效益 . 致 谢 参加本工 作的还有邹家祥 、 陆勤 、 张少军和 沈玖琦等 , 对武钢机电部及热 轧厂 对本 实验 的领 导和 支持 深表感谢! 参 考 文 献 R O罗 x L E恤t嗯1 1 . Cih 又k an d R o l M ia n te an 几沈 an tsI E蛋众 o n WOrk R ol B 劝劝n 邵 . 】m n a n d s吹I E gn , l 97 8( l l ) : 64 一 68 河野辉雄 . 左右非对称压延刃 口 一八 众 打 办 式 . 见 : 第 26 回 塑性加工连合讲演会 . 日本 · 京都: 日本 塑性加工学 会印 , 19 75 . 49 一 52 刘冠军 . 四 辊冷轧机工作 辊轴 向力试验研究 . 重型机械 , 19 绷9) 二 27 一 30 埃斯曼等著 , 刘 家文译 . 滚动轴承设计与应用手册 . 武汉 ; 华中工 学院出版社 , 1985 钱丽敏译 . 滚子 轴承的 破坏形式 . 国 外轴承 , 198 峨分 56 一 印 林基 恕译 . 适用 于高应力 的抗 断裂轴承 . 国外轴承 , 1 989( 6) : 1 一 .6