1580轧机39″×28″、42″X30″油膜轴承国产化设计改进

　　摘　要：介绍了上海宝钢热轧厂的1580轧机39″×28″、42″X30″油膜轴承的国产化设计与改进，分析了进口油膜轴承的结构特点以及存在的问题，并针对这两种轴承现存不足提出更好的改进方案。
　　关键词：1580轧机；油膜轴承；国产化
　　1　概述
　　宝钢二热轧1580轧机39″×28″、42″×30″油膜轴承是从日本三菱引进的产品，安装在F1-F7机架，装机数量为28套，轧钢作业中衬套曾被烧损，并在我公司进行修复后投入使用。
　　因油膜轴承及其备件进口价格昂贵，宝山钢铁公司与我公司合作对油膜轴承进行国产化，并提出解决进口轴承存在的问题。这种油膜轴承是梅斯塔轴承的改进新型结构，有一定的创新和技术含量，给国产化的设计与改进带来了相应的难度，在对进口油膜轴承结构进行测绘与分析的基础上，通过进行材料性能改进、提高轧辊表面硬度、改进结构和工艺措施等方法解决了轧轴拉伤问题，并对轴承的轴颈密封进行改进，得到很好的效果。
　　2　进口油膜轴承的结构特点
　　1580轧机39″×28″、42″X30″油膜轴承是从日本三菱引进的，它是梅斯塔轴承改进的新型结构，见图1，与老式的梅斯塔轴承相比，做了一下改进。 　　2.1 锁紧螺母
　　从图1中可以看到，新型的油膜轴承的锁紧采用液压锁紧装置（也称液压螺母）代替老式的机械锁紧。即利用两侧油缸装拆轴承，使用方便，拆装容易。
　　2.2 轴颈密封
　　改进后的轴承密封结构与摩根轴承的DF密封很相近，但密封挡板未设置挡油板，且油封为两体式结构，较为繁琐。
　　2.3 锥套、衬套
　　衬套的一端设计成便于安装的轴肩，并改进了进油结构形式，其余与摩根轴承相同。
　　锥套与轧辊的锁紧配合取消了安装导向键槽，采用1：30的锥度进行锁紧，在装拆过程中只在其间打入高压油，使锥套直径涨出1.7mm即可安装到位。这种锥套无键联接的形式，彻底地消除了键槽效应的影响，使轧制力波动大大减小，有利于轧制出高质量的薄板。
　　3　进口油膜轴承存在的问题
　　虽然这种轴承在原有的梅斯塔轴承的基础上做了重大改进，但缺乏实用性与可靠性，致使在现场的操作中出现了一些很棘手的问题。
　　3.1 装拆操作
　　一套设计成熟的轴承，在现场的装拆实用的过程中，应当是安全、快速、可靠。用这一标准衡量这种轴承，显然还存在不能令人满意的地方。
　　现场装拆过程中，我们可以看到这种轴承的安装过程：吊装箱体套，吊装液压螺母套锁紧。与摩根系列轴承相比多了一次吊装液压螺母的操作。
　　3.2 轧辊锥面小端部拉伤
　　使用一段时间后，油膜轴承在轧辊锥面小端部出现了拉伤现象。这是由于轴承结构设计存在缺陷造成的，这点可从整个装拆过程看出。按操作规程如下：
　　首先液压螺母泵供油液压螺母推进锥套向前30～40mm后不动。
　　此时打开锥套膨胀泵供油，使锥套与轧辊间充入液压油，摩擦阻力减小，锥套在液压螺母泵的作用下又继续向前移动约65mm。
　　锥套到位后，将液压螺母后端的放松圈盘紧，把好档块。
　　拆卸程序与上诉次序相反。
　　经过若干次的装拆后，轧辊锥面小端部就会出现拉伤现象，严重时会因此无法拆卸锥套。
　　3.3 轴颈密封分为两体
　　在轧辊轴颈这个部位上的密封，因为有摩根轴承的DF密封作参照，所以把它设计成两体是完全没有必要的。这不但会使密封备件的成本增加，同时在使用时，密封的可靠程度也没有因此提高。另外，备件管理量增加，库存量增大。
　　4　油膜轴承的轧辊锥面小端部拉伤分析
　　分析锥套安装程序，我们发现虽然轧辊与锥套的配合面之间充入高压油，但并没有使配合面完全形成均匀间隙。高压油的充入使锥套整体受压变形，由于锥套的小端壁厚而大端壁薄，这样在高压油的作用下大端变形大而小端变形小，即此时轧辊与锥套配合面之间的间隙是大端间隙大而小端间隙小。锥套在液压螺母的推力下，不断地向大端方向位移，这样，轧辊与锥套接触摩擦的部位总会在间隙小的部位发生，即轧辊锥面小端部位，由此而产生拉伤。这种接触摩擦造成的“拉伤”现象也称为粘附磨损。
　　两个互相接触的金属表面在载荷的作用下会产生塑性变形，如果接触表面没有表面油膜时，接触面会产生局部再结晶、扩散或融化等变形；当其受到法向载荷且又有切向运动时，表面油膜就会被压碎破裂，造成金属表面直接接触产生粘附（冷焊）现象。若载荷或速度足够大时，随磨损表面温度升高，会加速表面油膜破坏，加快形成粘附、撕脱、再粘附的循环过程。当轧辊与锥套使用一段时间经装拆后，会在其接触表面上形成一些微小的凸起点，锥套装拆时在这些凸起的接触点上接触应力非常大，致使接触点处产生塑性变形，形成粘附结点，粘附结点的粘附区因加工硬化而被强化，在切向力的作用下，粘附结点被从表层下剪切开，由于轧辊与锥套之间没有间隙，不断地粘附，结果使逐渐增大的粘附点只能向轧辊或锥套的大端处增大，挫成“小球″，当小球足够大时，如果继续挫下去，就需要足够大的切向力，而此时，液压螺母达不到这个值，就会装不上也拆不下来，见图2。 　　5　油膜轴承国产化设计与改进的方法
　　通过测绘和对轴承结构的分析，不仅要实现此轴承的国产化设计，还要解决轧辊锥面小端部位拉伤问题，对此在原有的轴承基础上做了如下改进。
　　5.1 材料国产化
　　为了降低轴承的制造成本，对其材料进行国产化转化。尤其是锥套的材料日方提供的材质为SCM445，我们选用与之对应的国产材料牌号50CrMoA，并采用合理的工艺措施，使实体硬度达到不低于原轴承的硬度HB320-340。
　　5.2 提高轧辊表面耐磨性
　　在轧辊表面发生磨损之处可通过提高其表面硬度来提高耐磨损性，但随着其硬度提高度，其实现其工艺手段难度加大，且磨损处在轧辊锥部的小端，局部的硬度提高更不易实现。后分析其磨损区处于非承载区，利用球墨铸铁具有更好的耐磨性，且球墨铸铁与钢的结合性能比较好，在轧辊锥面小端部镶焊球墨铸铁圈，可得到了较为理想的效果。见图3。 　　5.3 结构改进
　　适当减小锥套的膨胀量，减小装配长度从而减小摩擦距离，这样相应地减小磨损区的载荷，降低轧辊锥面小端的磨损。
　　6　油膜轴承国产化设计改进的技术工艺措施
　　为节约成本，此次国产化是在原有备件基础上进行改进的。介于原有备件的优越性和局限性，采取如下的工艺措施保证了设计要求。
　　6.1 离心浇铸代替电阻焊
　　在测绘中，发现轴承工作区中心与轴承边缘的尺寸有微小的差异，这种表明整个轴承衬套体呈中间部位大两端小的鼓形。当熔化去掉表面合金层后发现，基体的表面有与合金表面对应的接触印记，其宽约2mm形似强电流击溃，间隔为25mm；没有痕迹的区域我们可以看出其表面做过喷砂处理。从这些可以确定这种轴承的合金层是采用局部自动钎焊（即电阻焊）的方法。其工艺流程如下：
　　对基体的结合面做喷涂或喷砂处理。若喷涂则喷一层与钢和乌金都有较好亲和力的金属，如金属镍或替代品；喷砂处理也利于乌金与基体的结合。
　　钎焊乌金。采用电阻加热钎焊乌金瓦，即：将与衬套连接的滚轮和衬套基体分别与异性电极相连，滚轮和衬套基体的接触点周围区域在电流的作用下升温，通过控制电流强度来控制钎焊区的温度、控制熔化乌金的流量和滚轮的行走速度来控制钎焊乌金层厚度，使乌金层达到要求。
　　由于在衬套的基体内表面点接触加热冷却前后会产生应变，就造成了轴承衬套体呈鼓形的结果。在轴承的物理模型中，把润滑间隙的纵向看成是等间隙平行计算的，这种纵向变形会使轴承的临界油膜厚度变得复杂，对轴承不利。因此，这种钎焊方法能够保证乌金与基体的粘接强度但很难保证轴承衬套的形位公差。
　　离心浇铸工艺的前期准备工作与上述工艺相似，也可以有所区别。在衬套基体表面处理上可以选择喷漆、喷焊或挂锡工艺，进行浇铸前将衬套基体整体加热到320℃，比溶化的乌金温度略低一些，然后旋转衬套基体，使之达到一定速度后浇注乌金，乌金在一定的离心力作用下与基体紧密结合。这种离心浇铸工艺形成的乌金与衬套基体结合面的粘接强度大于60MPa，满足在轴承的设计压强（一般不高于60MPa），更远大于轴承实际使用为25MPa的压强，离心浇铸工艺应用在轴承乌金与衬套基体的粘接上安全可行的，工艺控制容易，不仅保证了乌金与基体的粘接强度又保证了轴承衬套的形位公差。
　　6.2 衬套工艺流程
　　这种轴承衬套结构与我们现有成熟的工艺相似。其加工工艺路线以下：
　　毛坯→预备热处理→粗加工→稳定化处理→半精车→浇铸前内孔精车→浇铸前处理→熔炼合金取样化验合金成分→浇铸合金→粗车合金面→超声波检查合金浇铸质量→精车→磨精镗清洗、打厂标、防腐处理包装、发货。
　　6.3 锥套工艺流程
　　由于这种锥套材质特殊和薄壁的特点，通过改进工艺措施，在精加工过程中添加专用可靠的冶具和工艺装备，用以保证其尺寸、形位公差和表面粗糙度的要求。采用了如下的加工工艺路线：
　　毛坯→粗车→超声波检查锻件质量→调质→半精车→超声波检查锻件质量→稳定化处理→精车内孔及外圆→精磨内孔→铣内孔油污→精磨外圆→清洗、打厂标、防腐处理一包装、发货。
　　此次国产化设计制造通过上述工艺措施保证，使之加工后成品一次试用成功，后因轧辊本身未做修复，只能通过减小锥套的膨胀量和提高接触面的硬度来减轻轧辊锥面小端拉伤现象，并收到一定的效果。
　　7　结论
　　综上所述，这种轴承尽管应用当今世界上多项新技术，但在使用过程中仍不可避免的存在一些问题，本次国产化设计通过减小锥套的膨胀量和提高接触面的硬度，初步解决了轧辊锥面小端部因拉伤而造成装配合拆卸困难的问题，如果能在轧辊锥面小端镶一圈耐磨的球墨铸铁，即可完全解决轧辊拉伤的问题；但两体结构的轴颈密封致使装拆繁琐问题还有待于向整体设计改进才能实现。
　　由此可知，对进口设备国产化中，在理论与结构特点分析的基础上，结合进口产品使用中的不足，不仅使进口设备进行国产化，提高国有产品的技术水平，同时可对其不足进行改进，提高产品的使用性能，增加产品的技术含量。
　　参考文献：
　　[1]滑动轴承[M].机械工业出版社.
　　[2]轧机油膜轴承[M].机械工业出版社.
　　[3]轧钢机械[M].冶金工业出版社.