轧辊轴承失效现象分析和改进策略

宁国燕

（河钢集团邯钢公司邯宝热轧厂，河北 邯郸 056000）

1 本文简介

轧机是钢材成型的重要生产设备，包括主要设备、辅助设备、起重运输设备和附属设备等部分。一般所说的轧机往往仅指主要设备，轧机的主要设备有工作机座和传动装置，工作机座由轧辊、轧辊轴承、机架、轨座、轧辊调整装置以及上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。其中，轧辊轴承用来支撑轧辊并使轧辊保持在机架的固定位置，轧辊轴承工作负荷重且变化大，因此要求轴承摩擦系数小，具有足够的强度和刚度，要方便更换轧辊。不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承，滚动轴承的刚性大，摩擦系数较小，承压能力较小，且外形尺寸较大，多用于板带轧机工作辊。滑动轴承有半干摩擦与液体摩擦两种，半干摩擦轧辊轴承主要有胶木、铜瓦、尼龙瓦等材质的轴承，价格便宜，多用于型材轧机和开坯机；液体摩擦轴承有动压、静压和静动压三种，优点是摩擦系数比较小，承压能力较大，工作速度高，刚性好，缺点是油膜厚度随速度而变化，液体摩擦轴承多用于板带轧机支承辊和其它高速轧机。轧辊轴承是轧机的核心部件之一，文章首先阐述了轧辊轴承的工作原理，对其疲劳寿命的计算给出了依据，分析了影响轧辊寿命的内外因素，最后针对轧辊轴承的失效原因提出相应的解决策略。

2 轧辊轴承的工作原理

轧辊轴承在轧钢机运转中至关重要，有着无可替代的作用。轴承在轧制过程中起支撑作用，实际上是用来固定轴的，使轴只能实现转动，控制轧辊的轴向和径向的移动，同时承担轧制过程中产生的轴向载荷和径向载荷。

轴承作为通用型强、标准化程度高、系列化强的机械基础件，随着各种机械不同的工作条件，不同的承载能力、不同的结构、不同的使用性能等因素决定了滚动轴承结构的多样化。但是最基本的结构是由内圈、外圈、滚动体、保持架组成—通称为轴承四大件。

轴承的发展经历从滑动轴承到滚动轴承的过程，其工作原理以滚动摩擦替代滑动摩擦。将轴承内圈套在轧辊辊颈上，实现过盈配合，内圈随着轧辊转动，轴承外组件装在轴承箱内固定，在轧制过程中，内圈转动将载荷通过滚动体传到外圈，实现轧制过程的运转。

3 轧辊轴承的疲劳寿命计算和影响因素

国际GB/T6391－2010中规定的向心滚子轴承的基本额定寿命公式是：L10=（Cr/Qr）10/3×106，其中，L10是指可靠度为90%时，轴承的基本额定寿命（转）；Qr是当量动载荷（N），Cr是指在基本额定动载荷下轴承的基本额定寿命为1×106转（N）[1]。

影响轧辊轴承使用寿命的原因有内在和外在两方面因素，外在因素包括轴承的润滑情况、载荷分布、冷却、污染及运转速度等工况条件，内在因素主要是指轴承的加工制造工艺流程、材料质量和种类以及内外圈和滚动体的结构设计等。

4 轧辊用轴承主要有下列几种类型

（1）圆锥滚子轴承主要有四列圆锥滚子轴承和双列圆锥滚子轴承。四列圆锥滚子轴承有圆柱孔和圆锥孔两种。它可同时承受径向和轴向负荷，常用于四辊轧机的工作辊和支承辊。

（2）四列圆柱滚子轴承主要有圆柱孑L和圆锥孑L两种，只能承受径向负荷，必须同时配以其他轴向轴承来使用。适用于要求高速和高精度的轧辊。

（3）调心滚子轴承可同时承受径向和轴向负荷，分圆柱孔和圆锥孔两种。因其具有自动调心的特性，因而适用于转轴会出现挠曲或偏斜的场合，也可在有一定永久性偏斜的情况下使用。这种轴承的结构特性能承受较大径向负荷。

（4）角接触球轴承主要采用四点接触球轴承和双列角接触球轴承。适用于轧制速度高，轧制力较小的场合，它能从双向承受轴向力。轧辊轴承使用最多的要数四列圆锥和四列圆柱两种型式。

5 轧辊轴承的失效原因及应对策略

5.1 润滑不当

失效原因：轴承润滑情况恶化会增大轴承摩擦和磨损，导致轴承烧毁，引发的主要因素有润滑管路布设不当而导致油路不畅；润滑方式选取不当；没有足够的润滑油量，达不到润滑需求等。

优化策略：润滑是通过使用润滑剂来降低摩擦阻力，从而改善轴承的摩擦状态，减缓磨损，良好的润滑会大幅增加轧辊轴承的使用寿命。在运转过程中，滚动轴承既有滑动摩擦又有流动摩擦，轴承的滚动体在受力作用时，需要在轴承外圈与内圈之间保持一定的油膜来发挥润滑作用，润滑油或润滑脂的选择和使用要以具备很高的油吸能力作为选择依据，使用时确保在轴承的内圈涂满一定强度的油膜。此外，可通过外加润滑油箱的方式定期给轴承加油，从而科学的控制测量，确保轴承达到最佳的润滑效果。

5.2 装配不当

失效原因：轧辊轴承一端采用的是向心球轴承和四列圆锥滚子轴承。当轴承端盖未能压紧时，轴承在轴承窝内会发生窜动，无法满足轧制过程中对产品质量的要求；当轴承端盖压紧过度时，轴承的预紧力过大而轴向间隙过小，向心球轴承外圈会产生一定的轴向移动，消除一定的间隙；当预紧力超出一定范围后，向心球轴承的滚珠会从滚道中移位，轴承本身的间隙也会消除，从而加速轴承磨损；在高速转动过程中，轴承会因发热量过大而膨胀变形，导致轴承烧坏或卡死。

优化策略：在进行轴承装配时一定要科学的控制好轴承端盖的压紧量，留有一定的发热量。在钢材轧制过程中，所产生的轴向力将由单列向心轴承承担，而径向力将会由两个轴承共同承担，这种轴承分布方式相对于其它的方式，轴承尺寸较小，具有较高的承载能力，且制造精度高，轴定位较为精确。

5.3 载荷分布不当

失效原因：轧辊轴承具有一定的承载力，如果只通过多列均载来提高轴承的承载能力，则会因大轧制力下轧辊弹性变形，安装时的精度控制不当、瞬时过载、轴承制造误差、循环过载和轧机各部件的磨损等导致各列滚动体的载荷分布不均匀，发生偏载，此时作用在某一列的滚动体的载荷将会急剧增加，超出其承载能力，产生局部过载、瞬时过载的现象，从而大大降低轴承的使用寿命。

优化策略：轴承的载荷分布是影响轴承使用寿命的最为重要和关键性的因素。当前市场上对钢材的需求和制作趋向于大型化，故轧机的轧制力也要相对不断增大。在实际生产制造过程中，要注重提高轴承的承载能力，在充分考虑多列滚动体均匀受载的基础上，更要注重各列滚动体的后期载荷，不但要提高轴承总体载荷，更要注重各列载荷的承载能力的提高。另外，在安装时在控制好精度和准确性，并降低轴承制造时的误差，定时检测轴承的承载极限，避免轴承在长期过载情况下运作，以提高使用寿命。

5.4 磨损失效

失效原因：轧辊轴承密封不当会导致外界杂质进入到轴承中，损坏轴承的滚动体和滚道，从而破坏油膜的润滑效果，并加速轧辊轴承的磨损速度，使轴承发生疲劳剥落，工作表面温度升高，造成轴承在干摩擦状态下工作而损坏轴承零部件，导致轴承工作面之间相对滑动摩擦不断磨损从而失效。

优化策略：选择合理的润滑模式，在金属表面和滚动表面形成弹性流体动力的流油油膜，有效减缓和降低金属表面磨损。同时，要选择质量可靠的密封件和合理的密封方式，当前，密封轴承的应用虽然占了一定的设计空间，但它能在轴承的内隔离环和两端，使用密封件再一次对轴承密封。良好的密封效果使轴承始终处于清洁的工作环境和充分的润滑状态，使轴承的使用性命显著提高。

5.5 轴承整体结构的优化

在轴承设计过程中，要充分考虑轴承整体结构强度的优化。通过优化各零部件的强度，改进轴承的润滑方式，提高了轴承的整体使用寿命，具体体现在下面几方面。

（1）在保证轴承套圈、保持架强度的前提下，尽可能地增大轴承承载部位即滚动体的空间，增大滚子的直径、长度，增加滚子数量，有效提高轴承的承载能力，进而提高轴承的寿命，如成都重型机械研究所采用极限设计法制造完成的47T986236轴承，轧钢量达到180万t，超过国外同类轴承使用寿命。

（2）在滚子的设计上，采用滚子母线两端带弧坡的先进结构，代替原来的直线母线滚子，使滚子有效长度得到合理利用，应力分布均匀，避免了重负荷下的边缘应力，提高轴承使用寿命[2,3]。

（3）通过改进保持架的结构，提高保持架工艺制造水平，加强整套轴承的可靠性。改进后保持架的强度得到了显著提高，此外在保持架部分孔上加工用于润滑的圆弧槽，增加润滑脂的存储量，改善了轴承润滑状况，避免了保持架早期损坏的现象。解决了柱销保持架中柱销焊接处脱焊的问题。减少滚子内孔与柱销的间隙，降低了滚子对柱销的冲击。采用与保持架相匹配的材料，改善了焊接性能，提高了焊接质量。

6 结语

综上所述，轧辊轴承是关系轧机生产的关键性部件，在恶劣的工况环境下同时也是易于损坏的部件。对此，应对轧辊轴承使用中出现的异常情况做好防范措施，加强对轴承的日常维护，才能减少轴承失效问题的发生，延长轴承使用寿命，从而保证生产，降低成本消耗。