彩涂涂机轴承改型分析及应用

2011-07-21康海林

中国钢铁业 2011年10期

康海林

1.前言

彩色涂层生产线是专门用于对冷轧板、热镀锌板、镀铝板、高铝合金板、不锈钢板等材料表面进行连续漆料涂装的机组装备，以提高工业用带材的耐腐蚀性与外观装饰性，为建筑、家电、交通运输等行业提供各种规格与色彩的卷板。整条生产线主要分为：上料准备、清洗钝化、表面涂覆、分切收卷四个功能段，其中表面涂覆功能段为关键功能段，表面涂覆质量的好坏直接决定产品的质量和性能。涂层厚度控制则是涂覆工序的关键参数之一。

2.涂层厚度控制分析

在彩色涂层钢板生产中，除了基板之外，70%的车间成本由涂料构成。因此尽量精确的控制涂膜的厚度具有明显的经济效益。对于一条年产10万吨的生产线来说，如果按产品基板厚为0.5mm、涂层总厚度为25μm时，若能控制涂层厚度减少1μm，就可以节省涂料100t左右。如此明显的效益目标推动了涂膜厚度控制技术的改进。在生产中，出现了缝隙控制和压力控制的技术。

2.1 操作人员进行机械的调整控制

涂料涂覆厚度最简单的方法，是在涂覆作业时，由操作人员使用涂膜测厚器对涂敷后的钢板表面涂膜进行厚度测量。根据所测得的厚度和已知的干膜厚度与湿膜厚度的对应比值，通过手摇动摇柄和丝杠，调节有关辊子的间隙，以及相关辊子的转速，从而改变涂覆在带钢表面上的涂膜厚度。

根据各个辊子转速和缝隙来对涂层的厚度进行调整。当挂料辊和涂敷辊转速确定之后，在单位时间内涂敷向带钢供给的涂膜总量也是确定的。这时，如果调节带钢的速度，带钢表面上被涂上的涂膜的厚度将发生与之成反比的变化。反之亦然，当固定了带钢的行进速度之后，改变各辊的转速，则回使带钢表面的涂膜厚度发生变化。

2.2 利用辊子转速比的调节控制涂层厚度

在生产过程中，对涂层厚度的调节是通过在一定范围内调节涂敷辊、挂料辊和计量辊的转动速度来进行的。与此同时，配合以手动和机械调节与湿膜的测定。对于辊速调节的范围，则视涂料的特性、黏度、温度和机组设备的不同而异。图1是一组涂敷作业时辊速控制调节的实例。

2.3 通过辊间压力调整涂层的厚度

在实际生产中，当两辊式顺涂作业时，涂敷辊与带钢相互紧靠而没有缝隙。在使用聚氨酯橡胶包衬的涂敷辊时，涂敷辊与带钢间的缝隙为零，漆膜厚度主要由橡胶辊的弹性变形控制。假若涂敷辊在位置调整后不再产生变动，而且涂料在涂敷过程中仍属于牛顿流体，并通过压力传感器，可以测得带钢与涂敷辊间的压力，那么可以推导出下述公式：

式中： F——涂敷辊与带钢间压力显示值；

h1——涂敷于带钢上的涂膜厚度；

ω1——转向支撑辊（带钢）的角速度；

ω2——涂敷辊的角速度；

b——与胶辊半径、转向支撑辊角速度、涂敷辊角速度有关的常数；

C——与带钢宽度和胶辊硬度有关的常数；

在实际生产中，在作业的瞬间涂料的黏度、温度以及胶辊的径向膨胀是不变的，生产线速度和涂敷辊转速确定以后，涂敷于带钢上的涂膜厚度h1只随涂敷辊与带钢间的压力F变化。但是由于胶辊在宽度方向上的硬度不可能绝对的相同，所以在带钢宽度方向上的涂膜厚度分布也有所差异；同时由于涂料仍然并非牛顿流体，以及胶辊的压缩变形误差，所以实际与理论上的计算值并非完全吻合，但是有一定的近似性，不影响进行趋势判断分析。

2.4 涂料黏度对涂膜厚度的影响

上述分析都是建立在黏度确定的情况下进行的，然而实际生产过程中，黏度对涂敷时的湿膜厚度也起到非常大的影响，在其他条件一定的情况下，在一定的范围内，黏度越小，湿膜厚度越薄。涂料的黏度与温度有密切关系，同时也稀释剂的浓度有关，在不同的温度下，进行涂料的涂敷作业时，要求将涂料用溶剂稀释到相同的黏度。为了便于调节涂料的黏度，涂料生产厂家经常利用一种事先测算好的温度-黏度-稀释率曲线。如图2所示。

由此可见，温度越高、稀释率越大，黏度越小。同样的湿膜厚度，不同的稀释率，固化后的干膜厚度也不同，稀释率越大，干膜厚度越薄，但是稀释剂的成本也越高。

3.现状分析

攀钢彩涂生产线，采用的是两辊式底涂和三辊式精涂正面、两辊是精涂背面的涂敷方式。在进行膜厚控制作业过程中，其它参数都最大化都优化后，为了获得较薄的干膜厚度，同时减少稀释剂的使用成本，采用增大辊压的方式来控制膜厚，并取得较好的效果。但是同时也带来了一些问题，主要是来自设备方面。精涂机挂料辊、涂辊轴承频繁损坏，对正常生产产生了非常严重的影响。原设计的轴承为带座外球面调心球轴承型号UCC211，日本NSK生产的进口轴承，采用增大辊压的工艺后，生产涂料成本下降了，但轴承平均每月消耗12套左右，也就是说每2-3天就消耗一套轴承，而主要损坏轴承的辊子只有4根，即占用8套轴承。轴承频繁损坏造成备件成本增加，而且更换轴承造成机组停机，生产中断，对生产彩涂带钢的产品质量和合格率造成的损失更是巨大。鉴于这种情况，为了减少或避免因涂辊轴承损坏造成的巨大经济损失，亟需解决涂辊轴承频繁损坏问题。

4.改进措施及思路

通过记录精涂机背涂辊和面涂辊的压力，得出压力数据，且对比压力数值和轴承损坏频率可以看出，在压力大的时间段内，轴承更换频率相对高，压力小的时间区域内轴承更换频率相对较低。而且轴承大部分为内圈沿径向断裂。

根据机组运行参数可以做以下计算，得出轴承的理论寿命：

设机组运行速度为60m/min 辊速比为1.06

辊径为￠215mm＝0.215m

可得：棍子转速＝(60×1.06)/(0.215π)=94.2r/min

已知UC211的额定动载荷为29.2KN

根据轴承寿命计算公式

球轴承ε＝3 滚子轴承 ε＝10/3

UCC211为球轴承，ε取3

当辊压按原设计压力500kg-800kg力即5KN-8KN状况下运行时：

C=5KN时：L10=(29.2/5)3＝199.176704（百万转）

转换为天为：199176704/(94.2×60×24)=1468.3天

而在实际使用中，轴承载荷几乎达到20KN即2吨的力：

在此工况下：C=20KN时：L10=(29.2/20)3＝3.112136（百万转）

转换为天为：24897088/(94.2×60×24)=22.9天

实际使用中因为装配精度等其它各方面的原因，实际使用寿命只有2-3天，严重影响正常生产。因原设计使用压力为5KN-8KN，而在实际生产过程中，根据生产工艺，精涂面涂轴承压力往往在15KN左右，背涂轴承压力在20KN以上，UCC211的额定动载荷才29.2KN，已经远远不能满足目前工艺下的生产要求，综合各方面的因素，最终决定对该轴承进行换型改造。

根据该轴承的工况要求，需要选择有调心功能的轴承，可供选择的轴承有调心球轴承和调心滚子轴承。同尺寸的调心滚子轴承具有更好的承载能力，因此选用调心滚子轴承。由于原型号轴承UCC211为带座外球面轴承，在轴上的紧固是靠径向拧紧紧定螺丝来实现的，所以新换型的轴承也必须要考虑到在轴上的紧固形式。一般来说轴承内圈紧固的常用方法有：

A）用轴用弹性挡圈嵌在轴的沟内，主要用于深沟球轴承，当轴向力不大及转速不高时；

B）用螺钉固定的轴端挡圈紧固，用于在轴端切割螺纹有困难时。这样紧固可在高转速下承受大的轴向力；

C）用圆螺母和止动垫圈紧固，主要用于轴承转速高、承受较大的轴向力的情况；

D）用紧定衬套、止动垫圈和圆螺母紧固，用于光轴上的、轴向力和转速都不大的、内圈为圆锥孔的轴承。内圈的另一端常以轴肩作为定位面。为了便于轴承拆卸，轴肩的高度应低于轴承内圈的厚度；

由于涂辊的数量较大，对涂辊轴的改动工作量较大，成本也比较高，根据实际工况，上述D)结构形式完全满足涂辊的使用要求，因此选用D) 圆锥孔轴承配合紧定衬套、止动垫圈和圆螺母紧固的组合形式，实现轴承在光轴上的定位紧固。根据查阅轴承手册，初步选用型号为21312CK+H312的轴承加紧定衬套。下面应用轴承寿命公式对21312CK轴承在实际工况下的理论寿命进行校核：

通过查阅轴承手册可知，轴承21312CK的径向基本额定动载荷为211000N，即211KN。

根据轴承寿命计算公式： L10=(C/P)ε

球轴承ε＝3 滚子轴承 ε＝10/3

21312CK为滚子轴承，ε取10/3

当辊压为现在涂辊实际使用压力20KN即2吨的力状况下运行时：

C=20KN时：L10=(C/P)ε=(211/20)10/3＝2575.381265（百万转）

转换为天为：2575381265/(94.2×60×24)=18985.77天

相当于52年，也就是说理论上该轴承是不会因为载荷因素而损坏。

5.取得成效

2008年3月完成对背涂挂料辊（钢辊）轴承换型改造后，轴承由原UCC211换成21312CK+H312，使用至2011年3月，此辊累计消耗轴承数量为0，即通过3年的统计观察，换型后的该辊轴承没有发生损坏现象，而且旋转精度及其他性能参数也满足生产工艺要求，可以确定改造时成功的。下一步是将精涂面涂挂料辊也换成此型号的轴承，并逐步更换精涂涂辊。

项目改造后，轴承的理论寿命可以从目前的22.9天提高到5年以上，原实际平均使用寿命为2-3天，预计改造后实际平均使用寿命为2年。仅此项轴承消耗节省的经济效益即为近6万元。改造前全年此轴承消耗量近200套，按每套400元计算，为8万元；2007年全年此轴承消耗量近150套，按每套400元计算，为6万元。

而因轴承损坏对生产造成的损失更为巨大。改造后，背涂提升辊可恢复原较低的位置，使得带钢在背涂辊上的包角达到设计要求，基本可以杜绝因带钢板型不好，造成背涂漏涂的缺陷，消除因此设备缺陷造成的产品质量不稳定的因素。同时，生产中对漆膜厚度控制调节较简单实现，通过调整辊压即可，对油漆粘度要求降低，涂料中稀释剂的含量也可适当降低，在不影响产品质量的基础上，有效降低了生产成本。

同时轴承损坏频率大幅度降低，原来因更换轴承造成机组减速、停机的时间节约下来正常生产，对提高产量起到了积极作用。