Φ460PQF连轧管机组穿孔机十字轴失效分析与再制造

2010-07-31刘仟民贺东峰

轴承 2010年3期

刘仟民，贺东峰

(1.天津钢管集团股份有限公司，天津 300301；2.河南三维重工有限公司，河南洛阳 471003)

Φ460PQF连轧管机组主要设备包括:环形加热炉、锥形辊穿孔机、5架限动芯棒PQF连轧机、3辊式14机架定径机和6辊立式斜辊矫直机。圆管坯经环形加热炉加热出炉后，经压力穿孔机穿孔，穿孔后，圆管坯就先后被3辊斜轧挤压后脱管定径。Φ460PQF连轧管机组采用的锥形辊穿孔机生产效率高，产品质量好，穿孔扩径量大，可穿多种钢种。

联轴器是联结原动机与工作机的重要部件，它的损坏将导致机器的停顿，甚至波及到整条作业线，因此对其可靠性的要求相当高。锥形辊穿孔机中采用重型十字轴式万向联轴器，其径向外形小，结构紧凑，维修方便，传动转矩大，传动效率高，使用寿命长，噪声低；另外一个显著优点在于能使不在同一轴线或轴线折角较大或轴向移动较大的两轴等角速连续回转，并可靠地传递转矩和运动[1-2]。十字轴式万向联轴器主要由十字轴总成、凸缘插头等组成。凸缘插头上的孔分别套在十字轴总成的4个轴颈上。其中十字轴总成包含的主要零件有十字轴、轴承、波形圈、推力片、O形圈、油塞、油杯、迷宫密封等，十字轴总成的4套轴承利用弹性卡环进行定位。

在穿孔机传动中，由于所联结的轧辊直径有一定限制，因而十字轴式万向联轴器的回转直径也相应受到限制，轧制过程中实际转矩往往接近联轴器的疲劳转矩，稍有不当还会超出，这种过载现象如频繁出现，就会大大降低疲劳寿命，从而导致过早失效或损坏。另外，十字轴式万向联轴器空间几何位置的要求也较高，如有不当，就会出现附加转矩，进而会降低其寿命并影响其传输效率。

对于大型联轴器，由于维修技术不到位和平衡系统调整不当，也会带来相当于转矩级别或者更大的附加载荷，有的甚至使十字轴折断。为了解决这些问题，研究了Φ460PQF连轧管机组锥形辊穿孔机的十字轴总成应用条件，分析了十字轴轴承主要零件的失效形式以及失效的原因，并针对具体的零件提出其再制造方案。

1 应用条件

锥形辊穿孔机的两根辊轴独立传动，两台电动机分别将扭矩传递给两个减速机，再通过万向联轴器传递扭矩给轧辊。穿孔机轧辊的倾角调整范围为8°～15°；十字轴轴承允许转角为±10°；主电动机额定功率为6 500 kW，额定电压为3 800 V；生产现场瞬间最大电流为2 558 A，万向联轴器最大转速为87 r/min；万向轴所承受的最大轧制力矩为1 950 kN·m；最大瞬间扭矩为4 146 kN·m。

十字轴轴承结构见图1。十字轴所采用的材料为35CrMoV，主要几何尺寸为：总长734 mm；轴直径244 mm；过渡圆弧半径为108.25 mm；过渡圆弧中心与轴中心线距离为230 mm，十字轴直线段长度为144.35 mm。滚子的材料为GCr15，4根轴上，每根轴采用3排滚子，每排滚子的个数为30粒(即滚子总数量为4×3×30粒)；滚子长度44 mm，直径30.8 mm。内圈材料为20Cr2Ni4，内径244 mm，外径264.02 mm，总长166 mm，由于总长大于十字轴直线段长度，因而内圈内径与十字轴圆弧配合处有22 mm长的距离上存在锥度以保证内圈与十字轴的配合。十字轴轴承外圈材料为20Cr2Ni4，外径384.5 mm，内径325.62 mm，十字轴总深193.5 mm，总高238.5 mm。

图1 十字轴轴承

2 失效形式

十字轴式万向联轴器常见的失效形式包括轴承座螺栓断裂、十字轴断裂以及轴承座、叉头根部裂纹，这类失效均为严重失效，在十字轴设计中已可以避免[3-6]。Φ460PQF连轧管机组穿孔机停机检修时，未发现万向轴严重失效，但其十字轴轴承部分零件已发生失效，主要的失效零件为轴承内圈、十字轴表面以及滚动体。十字轴轴承内的3排滚动体失效程度不等，靠近端面轴承位置的滚动体较易发生严重剥落，但轴承外圈未发生失效。

图2为拆卸后Φ460PQF连轧管机组穿孔机十字轴轴承内部零件失效图。其中图2a为未拆卸内圈的十字轴，由图可以看出：内圈发生断裂，靠近十字轴轴端(即装配后靠近轴承端面部位)失效较为严重，断口较宽；图2b为内圈拆卸后的十字轴，发现十字轴大部分圆周表面尚可，严重剥落亦发生在轴端侧，轴端面发生了较为严重的磨损；图2c为失效的滚动体。

图2 十字轴轴承内零件失效

3 失效原因分析

通过十字轴轴承内的零件失效形式分析可知，十字轴轴承内的零件承受较大的载荷造成材料失效是其失效的主要原因。

3.1 应力特性

联轴器工作时，十字轴轴承承受由叉头传递过来的应力(包括主动轴与从动轴)，作用在十字轴的4根轴上的两对力分别构成一对大小相等、方向相反的力偶。理论上，同一方向上两轴的中心线是重合的(实际上两轴的倾角也很小，可以忽略)，两条中心线也在同一平面上，则构成两力偶的力均处于十字轴轴线平面内，且载荷沿十字轴的轴向呈梯形分布。十字轴外圆表面分布的载荷在圆弧上呈余弦曲线分布。

由于力偶作用，十字轴的中心线与十字轴外套中心间产生一个夹角，使得十字轴的轴端与端面滑动轴承小面积接触，十字轴轴端产生极大应力并作用于端面滑动轴承使得滑动轴承发生早期失效。端面轴承对于十字轴端面的反力以及十字轴所承受的对称力偶造成十字轴的端部(即图3中的A点处)承受两个方向的挤压力，因而成为十字轴的又一薄弱环节。

图3 十字轴的应力分布

3.2 十字轴式万向联轴器的速度特性

单个十字轴式万向联轴器在主动轴和从动轴之间有夹角的情况下，当主动叉等速转动时，从动叉是不等速的，且两转轴之间的夹角α越大，不等速性就越大。图4中的两条曲线分别为两转轴之间夹角α为10°和20°时的不等速特性曲线(横轴为旋转角度)。十字轴式万向联轴器的不等速特性，将使从动轴及其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响部件寿命。Φ460PQF连轧管机组穿孔机采用双十字轴万向联轴器的传动方式，其目的是利用第二万向联轴器的不等速特性来抵消第一万向联轴器的不等速特性。消除不等速特性的重要条件是两个万向联轴器的两轴间夹角相等。但实际使用中，由于巨大的轧制力作用可能造成悬架振动，难以完全避免不等速特性。

图4 十字轴式万向联轴器的不等速特性

4 再制造方案

十字轴轴承的修复过程中，首先必须考虑的是穿孔机主传动系统中凸缘插头与十字轴轴承外圈的配合尺寸，该尺寸限制了十字轴轴承修复中的设计变量，因而以凸缘插头孔尺寸作为给定设计参数提出再制造方案。由于外形尺寸的限制，影响到十字轴轴承整体寿命并须严格优化的两个关键参数分别为十字轴的强度与轴承的承载能力。

4.1 十字轴再制造

影响十字轴使用寿命的几何参数主要为十字轴直径、十字轴过渡圆弧半径以及滚动轴承的宽度。由于十字轴底端承受较大交变应力，是危险部位，该部位的圆弧半径尺寸影响到十字轴的寿命。因此，十字轴强度校核的优化设计变量可取为十字轴直径D、滚动轴承宽度B以及过渡圆弧半径R3个参数，其优化变量式可表示为：

X=[D,B,R]

(1)

由已知条件，传递的扭矩为1 950 kN·m，以十字轴所承受的最大主应力δmax最小为目标函数进行单目标优化，即：

δmax=f(D,B,R)

(2)

利用惩罚函数法，采用零阶处理求解(2)式，得轴直径D=244.3～247 mm；B=163～166 mm，R=108.25 mm。

此优化结果限制轴颈变化，但端部轴颈尚有少量裕量。因而确定十字轴的修复方案如下：外圈最大修磨量300 μm，如超过该尺寸但还有修复价值的则采用400 ℃加热后进行补焊，然后再修磨外径面。端面允许最大修正量3 mm，如超过此尺寸但还有修复价值的则采用400 ℃加热后进行补焊，然后再修磨外径面。由于端面尺寸修正量较大，为了保证端面整个尺寸链的有效性，需调整波形圈尺寸以补偿修磨量。

4.2 内圈再制造

拆卸下来的内圈基本都已经失效，无法再利用，须重新制作所有内圈。通过十字轴的再制造过程可知，内圈尺寸应远离轴端侧并向内平移，最大平移量为3 mm，具体增加量依据磨损情况确定。值得注意的是，内圈平移过程中，内圈锥形倒角量应与十字轴修磨量对应以保证安装。

4.3 滚子再制造

滚子直径、滚子长度、滚子个数以及滚子组节圆直径是影响整套轴承承载能力的关键参数。其中，节圆直径的大小取决于内圈外径与滚子直径两个参数，内圈外径已确定，由于外圈参数不变，因而直径名义尺寸值也不需变化。

通过设计计算，原设计中的承载能力接近该十字轴承受的外载荷的一半，显然这些参数是优化后的结果，因而再制造过程中滚动体几何尺寸，即名义尺寸不变，这样该十字轴上的4套满装3列圆柱滚子轴承的径向承载能力与原设计相同。但再制造过程中细节上应注意变更圆柱滚子的倒角尺寸，加大滚子倒角以避免滚子端部应力集中。

4.4 端面轴承再制造

端面轴承原采用普通聚四氟乙烯高分子材料制造，十字轴改制后，由于端面轴承轴向尺寸最大增加3 mm(具体增加量依据磨损情况而定)，考虑到刚性问题，改用埋入石墨+碳素+玻璃纤维的聚四氟乙烯的高分子材料制造，其径向尺寸不变。

4.5 游隙的控制

同一轴线上的一对轴承的游隙不等时，可能造成单轴受力的情况，这将使得某一轴承受的载荷增加两倍，极易造成单头断裂而导致十字轴失效。

游隙控制的关键在于滚子尺寸配制。再制造过程中，由于滚子尺寸大多为非标尺寸，滚子的制造数量也有一定限制，这就为选配游隙造成了很大困难。在选配条件难以保证的条件下，再制造过程中首先修磨内、外圈尺寸，依内、外圈尺寸来配制滚子尺寸公差就成了再制造过程中的重要一环。因此，重组十字轴轴承时，应严格控制4个轴承的游隙，并且同轴线上的对应轴承游隙应当相等，其误差应控制在微米级。