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轧机轴承使用寿命的影响因素分析

轧机轴承是轧机机座中的重要部件,其主要作用是支承转动的轧辊,承受由轧辊传来的轧制力,并保持轧辊在机架中的正确位置。轧机轴承的工况非常恶劣,受高温、重载、水和灰尘等因素的影响。虽然生产消耗中,轴承的消耗只占总消耗的5%左右,但对轧钢产量的影响却高达20%,因此,必须特别关注轧机轴承的各项使用和性能指标。


轧机轴承的典型应用

轧机辅助装置用轴承


影响轧机轴承失效的因素分析

轧机轴承属于精密件,其承载大,工作环境差。常见的轧机轴承失效形式有:工作面疲劳剥落、磨损、腐蚀等,其失效原因错综复杂,经常以一种或多种形式交叉表现,有很多因素难以用定量的表示方法来显示与轴承失效存在的直接联系。由影响轧机轴承使用寿命的因素分析鱼骨图(图1)可知,主要分为内在因素和外在因素两个方面,内在因素包括轴承的材料、结构设计、加工制造等,外在因素包括轴承的转速情况、受载情况、润滑、冷却等。

图1 影响轧机轴承使用寿命的因素分析鱼骨图


1)原材料

材料冶金质量从根本上影响轧机轴承的使用寿命,需要严格控制材料缺陷如气孔、疏松、碳化物积聚、夹杂物等,特别是存在夹杂物时,裂纹首先在夹杂物与基体交界处形成并扩展,导致早期疲劳剥落(图2、图3)。

图2 疏松、孔洞引起的滚道面剥离掉块

图3 沿夹杂物边界形成的疲劳微裂纹

材料的洁净度差,会破坏金属基体的连续性,降低材料的塑性、韧性以及疲劳性能,在交变应力作用下,夹杂物附近发生应力集中,造成点蚀,点蚀扩展后将形成疲劳剥落,疲劳剥落的后期阶段损坏就是疲劳碎裂。


2)热处理

轴承钢热处理至关重要,合理的热处理工艺是保证实现材料性能的关键。热处理金相组织不合格,组织不致密不均匀,脱碳层过深,残留奥氏体量过多,应力过大等,造成材料的强度不合格。硬度偏低容易造成磨损或压痕,硬度偏高容易造成碎裂。


高碳轴承钢经过淬火和低温回火处理后组织会变为未溶碳化物、针状马氏体以及残余奥氏体,未溶碳化物含量和碳化物形态分布、针状马氏体大小和残余奥氏体会影响轴承的表观性能,轴承钢未溶碳化物含量越低,则轴承钢的硬度越高,其原因就在于未溶碳化物含量越少,马氏体基体的碳浓度就会提高,硬度也就越高。


经过淬火处理的轴承钢中存在的少量未溶碳化物有助于提高轴承的耐磨度,也有助于细晶粒隐晶马氏体的获得,从而改善轴承的韧度和抗疲劳强度;碳化物的颗粒大小对轴承寿命影响也非常大,轴承钢碳化物颗粒小于0.6 μm,其使用寿命会显著提升,高质量的轴承钢其碳化物颗粒的大小要远远低于一般轴承钢,并且碳化物颗粒的分布也更加均匀,不会以带状分布呈现;网状碳化物分布会对基体晶粒之间的联系产生影响,从而会降低轴承的抗疲劳极限,当滚动体与滚道之间的应力超过了疲劳极限,就出逐渐产生裂纹从而缩短轴承寿命。


贝氏体组织的特性会提高碳铬轴承钢的比例极限、抗弯强度、屈服强度和断面收缩率,提高轴承钢的耐韧性,增强轴承承受冲击力、断裂力、摩擦力的能力,同时也有助于轴承尺寸的良好保持性。


3)载荷条件

轧机轴承承载大,如轧辊的径向轴承都选用多列轴承,多列轴承的设计思路是依靠多列滚动体来均匀的承载进而增强轴承的承载能力,但是,在轧机使用的实际过程中,多列滚动体的承载不可能完全均匀甚至会出现较大偏差,造成偏差的主要因素包括来自轴承本身设计、制造的偏差,轴承座安装精度以及轧机部件的磨损等,同时,轴承承载分布还要受到轧制轴向力、倾覆力矩的影响。这就造成在轴承总体承受的当量载荷不变条件下,每列滚动体所承受的载荷出现变形,最终导致偏载,偏载一旦形成就会随着继续使用而不断加剧,直到某一列滚动体所承受的载荷超过该滚动体极限承载能力,从而导致局部过载。除了会导致各列滚子载荷分配不平衡之外,还会导致单列滚子倾斜,造成应力向局部集中,导致滚动体滑动现象发生,滚动条件一旦改变,滚动体和内外圈之间发生接触打滑,会导致轴承发热进而失效。


4)加工

倒角、油槽、砂轮越程槽有尖角或者位置不对,此种情况会形成应力集中区;零件加工精度差,几何精度、形位公差及表面粗糙度差,存在变形、机械伤、粗糙凸峰等高点,使接触表面应力增大,轴承载荷分布不均匀,影响轴承润滑油膜的形成与保护,形成表面疲劳剥落。


5)安装

制定明确的安装规程,使用合适的工具,避免不当受力,提高安装精度;轴承安装游隙调整合适;提高轴承座孔的同轴度,减少中心线的倾斜和交叉。


6)润滑

轴承能够长时间可靠使用离不开润滑质量的保证,轧机轴承在正常运转时候要受到多方面摩擦,其中外圈滚道载荷区是承受摩擦最严重的部位,轴承运行过程中肯定会存在径向游隙,就会存在承载区和非承载区问题,在非受载区滚子处在半滚动半滑动状态,当滚子进入承载区的过程中,滚子转速会突然增加,在转速突增的过程中,滚子与滚道会剧烈摩擦,同时还会承受和来自轧钢过程中的冲击载荷。这种情况下如果轴承的润滑不良,零件表面的粗糙程度就会不断增加,由此会导致磨损逐渐加大,滚子单位表面所承受的压力也会不断增加,同时轴承运转过程中,滚子与滚道、滚子与保持架、保持架和内外圈之间均有滑动摩擦发生,并且这种滑动摩擦会随着载荷的增加而增大,滑动摩擦的存在会造成轴承各部件之间相对爬行(蠕动)的发生,导致磨损。因此,必须保持轴承各部件之间良好的润滑,润滑油膜能够良好的隔离各部件之间的接触面,避免出现金属与金属之间的直接摩擦接触。同时,良好的润滑还会起到很好的散热作用,能够对运转中的摩擦热起到传递降低作用。另外,要选用合适的润滑脂和正确的再润滑方式和周期。


7)密封

密封性能是轧机轴承性能的关键,轴承运行的成功取决于其密封能力,即将油脂留置在轴承中,将污物挡在外面的能力。通常轧钢设备使用的轴承主要会遭到生产冷却水和氧化铁皮的污染。轴承的密封情况不佳,润滑脂被水污染之后,会降低轴承材料的抗疲劳程度从而产生裂纹。轧钢时,氧化铁皮会破坏轴承内部的润滑条件,轴承表面会出现摩粒磨损,导致轴承产生磨损的情况。因此,理想的轴承密封能够有效地提高轴承的使用寿命,同时也降低了轴承突然损坏影响生产事件的发生概率。


如:可以在立辊箱上部设置防水胶垫在轴承压盖之处设置防水密封圈;可以选用氟橡胶骨架对轴承进行密封,从而预防冷却水或氧化铁皮进入轴承内部,进而延长轴承的使用寿命;常用的密封方法有联合密封设计和窄密封设计等。


小结

轧机轴承的使用寿命受到轴承内、外因两方面的影响,除了选择质量可靠的轴承之外,还必须提高轴承安装精度,并且,在日常检修维护中要严格控制润滑油质量并确保润滑方式合理,同时还要提高轴承的密封程度。轧机轴承寿命的提高是检修人员的重点工作之一,只有熟悉轴承的性能,了解运行的工况,掌握维护的知识才能在日常轴承维护工作中切实地抓住工作重点,提高轧机设备的运行质量,从而保障生产的顺利开展。

(来源:轴承杂志社)



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