热轧机四列圆柱滚子轴承的设计改进

叶新功，张萍，卢金燕
（西北轴承股份有限公司，宁夏银川　750021）

　　摘　要：分析了热带中精轧机用四列圆柱滚子轴承使用中存在的问题，对其结构进行了改进：取消两列滚子之间的中挡边，外圈外侧为活挡边（平挡圈），挡边与滚子端面的接触面为斜坡形；内圈分成可互换的两个；保持架采用封闭式结构，并在其兜孔梁上设计有储存润滑脂的圆弧槽等。改进后的设计简化了轴承制造及装配工艺，加强了轴承的互换性，使其可靠性明显提高。
　　关键词：轧机轴承；四列圆柱滚子轴承；结构；设计
　　某钢厂四辊轧机热轧生产线上，轧制钢板成品板厚为1.3～1.5mm，轧制钢坯温度达800℃，终轧轧制速度为8.5～10.5m/s。我公司为其轧辊上配套四列圆柱滚子轴承，轴承工作温度大约80℃，采用油脂润滑。轴承外圈同保持架组件以间隙配合形式安装在轴承座内，内圈与辊颈采用过盈配合，以热装方式装入辊颈。
　　1　存在的问题
　　FC型四列圆柱滚子轴承（图1）主要由一个内圈、两个外圈、四列滚子和两个梳状保持架组成。这种结构的轴承在使用中存在的主要问题有： 　　（1）轴承的承载能力不足，表现为轴承内、外圈及滚子的早期断裂；外圈挡边在根部与油沟交接处发生断裂。
　　（2）内圈在轴向平面上整个截面断裂，即通常所说的纵裂。产生的主要原因是由于材料本身的缺陷及加工过程中产生的微小裂纹，在轴承工作过程中的预拉应力、循环交变的工作应力和一定冲击载荷作用下，产生脆性疲劳断裂。
　　（3）滚子与滚道、挡边之间不能形成良好的润滑油膜，造成轴承温度升高，轴承发热和烧伤；外圈直挡边与滚子端面为面接触，不能形成楔形润滑油膜，造成滚子端部与挡边直接形成干摩擦接触状态，发生端部烧伤现象。
　　（4）保持架梁扭曲、甚至破裂。使用中经常发生保持架断裂，保持架的碎片随着轴承的运转进入滚道中，又造成滚道和滚子的早期剥落。
　　（5）不合理的装配方式，也会造成轴承的早期失效。
　　2　设计改进
　　通过对上述问题的分析，结合加工工艺的情况对原结构轴承进行了改进，改进后的轴承结构见图2。 　　（1）取消了两列滚子之间的中挡边，加长滚子的有效长度，整个轴承的额定动载荷可以提高20%，大大提高了轴承的承载能力。同时，轴承外圈由原来的双滚道结构变为单滚道结构，加工工艺性得到了改善，有利于产品质量的控制。
　　（2）两外圈相邻端面设计为死挡边，外侧的挡边为活挡边即平挡圈。原结构轴承由于外圈外侧挡边与滚道间有油沟，而油沟的加工难度较大，不可避免地产生加工尖点，在油沟处总会存在残余应力，大大降低了轴承挡边的强度，而采用平挡圈就不需要加工油沟，避免了上述问题。另外，两平挡圈外径尺寸与单滚道外圈外径尺寸相比要略小0.5～1mm，这样加大了轴承外径与轴承座孔的间隙，有利于对轴承进行装配和维护。
　　（3）轴承由一个内圈设计为两个可互换的内圈。原结构的轴承内圈为一个整体，滚道较宽，加工时难以保证对滚道的各项几可精度要求，如直线度、锥度等。改为由两个内圈组成后，从套圈的加工角度来讲，提高了工艺性；同时在使用中可以根据内圈损坏的程度进行单个套圈的更换，降低了使用成本。
　　（4）平挡圈和外圈死挡边与滚子端面接触面设计为斜度，斜坡角度为20′±2′。这样设计的优点是使轴承在工作时，容易在滚子端面与挡边之间形成一定的楔形，在一定的运转速度下在该处可以形成楔形润滑油膜，既避免了滚子端部发热，又提高了轴承的轴向承载能力。
　　（5）设计时适当降低内、外圈的热处理硬度，以提高轴承的韧性。高碳铬轴承钢滚动轴承零件一般采用840～860℃淬火、150～160℃回火，套圈的硬度通常为58～62HRC。轧机轴承套圈断裂主要表现为韧性不足、裂纹沿晶界扩展的脆断裂。试验表明，稍提高回火温度，可适当降低硬度（58～60HRC），裂纹扩展速率da/dN明显减缓^[1]；如果采用分级和等温淬火，硬度仍可达到60HRC，da/dN也进一步减缓，接触疲劳寿命也比较高^[2]。在改进后的轴承设计中，按照220℃对轴承零件进行高温回火，使轴承零件的硬度值控制在56～60HRC，进一步提高轴承的抗冲击韧性。
　　（6）保持架采用封闭式的结构。保持架座与保持架盖，通过螺栓及专用粘接剂固定联结，提高保持架的可靠性。原梳状结构保持架由于加工造成滚子与保持架兜孔间隙不均匀，在工况条件恶劣的情况下，保持架在运转中不能正确引导滚子，滚子歪斜加剧，造成轴承磨损、运转异常，轴承Z终早期破坏^[3]。采用改进后的结构，可以提高其强度，使保持架在运转中合理地引导滚子运转，避免了滚子的歪斜导致保持架早期破坏的现象。
　　（7）在保持架梁上设计了一定数量的储存润滑脂的圆弧槽。在轴承运转过程中，圆弧槽中的润滑脂会通过离心力和摩擦力的综合作用，均匀地补充到外圈滚道的接触区中，促进滚道与滚子间润滑油膜的形成。
　　3　改进后效果
　　（1）简化了轴承制造及装配工艺。
　　（2）轴承的互换性得到了进一步的加强。
　　（3）轴承整体结构的可靠性得到了明显提高。
　　（4）轴承的维护工作得了简化，提高了维护质量。轴承外圈的活外挡圈可以轴向灵活拆卸，同时保持架及其组件与套圈可以相互分离，有利于拆除损坏的滚子及更换保持架；方便了轴承维护时润滑脂的更换，提高轴承的润滑水平，延长了轴承整体的寿命，达到了降低轴承使用成本的目的。
　　改进后，在工作载荷相同的情况下，轴承的实际轧钢量由原来的每套轴承平均21000t，提高到了40000t，轴承的实际使用寿命得到了显著的提高；同时，在轴承的定期维护中，每套轴承的拆卸时间由2h减少到1h，提高了轧机的生产效率，降低了工人的劳动强度，得到了用户的认可。
　　参考文献：
　　[1]景国荣.GGr15热处理工艺与K_IC和d_a/dN关系的研究[M].洛阳：洛阳轴承研究所，1989.
　　[2]梅亚莉.GGr15轴承钢B_下/M复合组织的研究[M].洛阳：洛阳轴承研究所，1989.
　　[3]陈彦仲.四列圆柱滚子轴承结构改进[J].轴承，2001（2）：19.