现代大型板带材轧机油膜轴承的系统集成创新

2014-01-29郭溪泉李树青

重型机械 2014年2期

郭溪泉，李树青

(1.太原重型机械集团有限公司，山西太原 030024;2.太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024)

0 前言

现代大型板(中厚、特厚、宽厚板)轧机和板带材(冷、热)连轧机支承辊的回转支承的油膜轴承至今仍是业主的首选，但在上个世纪末、本世纪初有个别的冷连轧机支承辊采用滚动轴承;这与自上个世纪60年代起大型板带材轧机支承辊都无一例外地采用油膜轴承相比，无疑是发生了令人瞩目的变化。

本文对轧机油膜轴承的历史和现状做了介绍，对现有的油膜轴承进行了分析，提出了改进措施。

1 现代大型板带材轧机油膜轴承的历史与现状

现代大型板带材轧机油膜轴承是轧制设备与轧制工艺实现现代化的一个重要的、基础性的组成部分。它有曾经辉煌过的历史，也有正在经历着严峻考验的当今。

1.1 油膜轴承的发展历程

如所周知，大型板带材轧机油膜轴承，大约在上个世纪50年代末期时兴，60年代扩展，70、80年代盛行，直至90年代;在几乎近半个世纪里，对于轧机支承辊的回转支承，油膜轴承可谓一统“天下”，在轧机上是否装备油膜轴承成了轧机装机水平的一个重要标志。

滚动轴承和油膜轴承都可以胜任轧辊的回转支承，其动力消耗、速度范围、低速操作性能等都无大差异。但是油膜轴承与滚动轴承比较，优势会更大些。从结构讲，油膜轴承比滚动轴承少滚动体，尺寸小，可以在轴承箱上布置平衡装置、弯辊装置等;从承载能力讲，在轧辊直径相同的情况下，油膜轴承尺寸范围φ180 mm～φ1 000 mm时的承载能力是相应可采用的滚动轴承的2.52～7.3倍;从抗冲击能力讲，油膜轴承本身就有挤压效应(承载力)，而滚动轴承受力时只有在承载区域内的滚动体受力，且不均匀，有一个滚动体受力是最大的，而当径向正游隙时，承载滚子的个数会很有限，最大受力滚动体的受力会更大，滚子容易碎，故抗冲击能力差;从轴承烧毁的风险看，油膜轴承的减磨面是巴氏合金，而且用润滑油冷却，轴承工作时的平均温度一般不高于65℃，而滚动轴承需采用油雾润滑或油气润滑，轴承产生的热不能以对流形式散掉，主要靠轴承箱及轧辊的辐射散热，颇受环境条件的制约，其最高温度将超过100℃;从疲劳寿命看，油膜轴承是同形滑动副，且流体动压力分布较为平缓;而滚动轴承的疲劳寿命主要取决于两个方面:一是滚动体，工作时有一个滚子受力最大;二是外套圈，外套圈滚道的最大受力位置固定不变，而每一个滚动体通过时，便是一次应力循环;从制造的复杂度与使用的可靠性看，对于承受重载荷、冲击载荷的滚动轴承，其内、外套圈的配合表面、滚道面，滚动体及保持架的制造精度、材料及热处理等的要求都是非常严格的。

1.2 油膜轴承的现状

上世纪50、60年代，世界轧制行业在实践的比较中选择了油膜轴承，很快就成就了轧机支承辊油膜轴承的“一统天下”。1976年，我国引进了第一批1 700 mm热、冷连轧机;热连轧机支承辊采用动压油膜轴承，冷连轧机支承辊采用静－动压油膜轴承;自此，这种配置已经成为业内的潜规则。

然而，上个世纪末，有的钢铁公司在新上的冷连轧机支承辊的轴承上不再选用油膜轴承而选用滚动轴承，也有的钢铁公司在购进的二手设备上将油膜轴承改为滚动轴承，出现了历史的反复。主要原因是油膜轴承项目建造的首次投资大(主要是润滑系统庞大，油库建造面积大)，超出项目的预算限额;运行成本也较高(主要是循环润滑油量大，动力及油的消耗也大);还顾虑漏油会污染轧板。

但轧机油膜轴承的技术支撑日渐乏力，美国摩根公司的摩戈伊尔轴承(MORGOIL oil film bearings)曾引领了轧机油膜轴承技术，上个世纪的70年代鼎盛，80年代处于惯性维持，到了90年代开始下滑，日见颓势;从目前所收集到的资料显示，这三个年代摩根公司本部申报并获授权的专利数之比分别为11∶7∶1。

本世纪初美国的摩根公司已将摩戈伊尔轴承的品牌和产品全部卖掉，“世界的轧机油膜轴承技术中心”也随之消失了。在当今的世界上，缺少真正有能力、肯投入搞大型轧机油膜轴承关键技术研发的单位，而按传统图纸和技术制造产品的厂家却越来越多了。轧机油膜轴承的出路在于智力、财力的积极投入和关键技术的持续创新。只要不断地开发自身优势，革除弊端，吸纳综合，创新发展，定会推进优势产品再创新。

2 轧机油膜轴承关键技术的集成创新

轧机油膜轴承包含两部分:一部分是工作部分，即油膜轴承;另一部分是保障部分，即润滑系统;就总体而言，油膜轴承的设计，就是寻求这两部分参数的合理匹配;这两部分各自形成一个完整的独立的工作系统，这两部分没有主辅，是相辅相成，相得益彰的。

对于轧机油膜轴承整体技术的发展，半个多世纪以来的改进与创新(包括产品的设计改进和重大技术创新——专利技术的应用)，都没有从根本上触及两个方面:油膜轴承衬套和润滑系统。本文提出的“集成创新”就是这两个方面的分别功能开发、且相互密切配合(匹配)而达到一个技术和经济的成效显著的综合效果。

2.1 油膜轴承衬套的功能开发［2］

轧机油膜轴承的主要受力件有两件:锥套和衬套。从以前的设计改进或已获授权专利技术的应用，可以追溯到上个世纪40年代，用在锥套上的不少，诸如内柱面改为锥面、长键改成短键再改成无键、厚壁改成薄壁、润滑油槽改成主副槽形式、材料及热处理等，而衬套除了开设静压油腔(是油膜轴承从纯动压润滑变为静-动压润滑的需要)外没有创新意义的变化(衬套的钢背由锻造改为焊接，实质是代用);而衬套恰恰是最重要的受力零件，又是易损件，是油膜轴承运行成本的主要部分;同时，它的工作部分结构的设计又体现轴承内的润滑方式。

众所周知，摩戈伊尔等所有品牌的板带材轧机油膜轴承，其衬套至今仍是两个工作面，其张角均为120°，对称布置，一个工作，一个待用;在两个工作面都失效之后，该衬套即告失效(整件报废)。除了两个工作面外，还有两个动压供油油腔，每个张角60°，对称布置;其作用是将润滑油沿轴向均匀地布施。

理论分析与数值计算表明:按现有的衬套结构，当轴承工作时的偏心率ε=0.85～0.99时，其轴承工作面包角(实际承载区域的张角):α=90.3°～70.5°(半索莫菲尔德边界条件)或α=99.8°～72.1°(雷诺边界条件)，即理论包角α≤100°。显然，当前衬套设计中存在着轴承能力开发不充分的问题。针对当前的问题，本“集成创新”将两个动压供油油腔变窄，每个油腔的张角均减至10°左右，但不会降低供油功能;而每个工作面的张角皆为110°左右(这个角度，比原来值减少了8.33%，而比理论值富余了10%);这个张角，远大于轴承工作时由几何边界到物理边界——油膜破裂处的实际工作区域张角，动压承载区域足够，动压承载能力不减;而对于静－动压油膜轴承，其静压油腔的大小、形状、布置及供油压力等均可维持不变，静压承载能力也不变;由此，一个“创新型衬套”——具有三个同等能力工作面的轧机油膜轴承衬套专利［2］诞生了;本“创新型衬套”在保持原衬套承载能力不变的情况下，实现了由两个工作面变成了三个工作面;使衬套的用寿命延长了50%。

2.2 油膜轴承润滑系统的功能开发

2.2.1 优化动压供油系统

优化动压供油系统就是利用回油的较高温度进行25μm级的过滤、油水分离，并设置在线监测环节，对润滑油的物理性能(粘度等)、化学性质(酸性等)及添加剂的消耗、清洁度等进行检测，再在油箱中做进一步的性能恢复;不必过分依赖备用油箱的长时间高温沉淀。在润滑油的输送过程中，提高过滤精度，达到10μm级。

2.2.2 差温式配送

由于板带材轧机油膜轴承只需要自身散热即可维持热平衡，其中93%是以润滑油对流散热的形式来实现的，则把“润滑”与“冷却”分开。“润滑”的供油温度是为保证向轴承内供给润滑油的粘度符合设计要求来设定的;“冷却”的供油温度是按轴承内工作的平均油温保持在设定的范围内来动态控制的，即轴承的润滑系统实施差温式配送。

2.2.3 差压式配送

润滑系统的差压式配送，其实质是“差异式流量配送”;它不仅体现在两套供油子系统的压力控制，同时，也体现在同一子系统在轧制的不同阶段的压力控制。

2.3 衬套与润滑系统功能开发的集成

衬套与润滑系统的功能开发是独立进行的。同时，两者的开发又是联合设计、紧密相关的，再进行相关技术的运用与融合，便又发挥出另一番的整体功效。

2.3.1 衬套的每个工作面都分设润滑与冷却油腔

众所周知，轧机油膜轴承润滑油的功能有润滑和冷却;油膜轴承的散热有93%是靠润滑油的对流散热来完成的。

对于大型板材轧机油膜轴承，在衬套的两侧挖出油腔，采用由轴承的两侧供给动压润滑油。对于板带材连轧机，动压润滑油在轴承内的提供，一般是靠在工作时卷吸侧设置的油腔的油来完成的。但无论采用哪种供油方式，进入轴承的油，总有75%以上的没能进入工作区域，其流经部分非工作区域，吸收一些轴承内的热量，实现对流散热后从衬套的两端泄出，再在轴承箱的排油区内进行混油;被卷吸入轴承工作区域的润滑油不足25%，而这些油又在逐渐进入流体动压高压区途中陆续从两端泄出;真正能通过工作区域全程的不足这25%的1/4～1/5，只占总供油量的5%左右。这25%是被卷吸的润滑油，是形成流体动压润滑的基础，途中由端泄出去的油还起到了一定的散热作用。从轴承的散热考虑，这75%的动压润滑油也是必要的，但这部分油在轴承内是逆着轴的转向、朝间隙的发散方向流动，流程较短，直接散热效果不佳，只能起到混油降温的作用。

为提高冷却效果，本“集成创新”型衬套专门开设了冷却油腔。所谓“专门开设冷却油腔”，是指在轴承衬套内设置动压润滑油供油油腔的同时，专门设置了冷却轴承用的动压润滑油供油油腔;这个油腔的位置及供油温度、流量等对冷却效果是极为密切的。因此，这个油腔位置的确定原则:在不影响承载区域流体动压力分布的前提下，在承载区的油流出口侧，最大限度地靠近动压承载区的物理边界——即设置在承载油膜破裂区的起始边界。这个区域，接近轴承的最高温度区，而且是轴承工作时的负压起始区(计算时视其为零压力区，但在轴承内润滑油不能完全充盈时，这里会出现负压)，在此区域输入冷却油，其冷却效果将高出现行方式的数倍。

2.3.2 润滑系统的优化及差异适配

传统的观念是润滑油只起润滑作用，对轴承的对流散热，只是它的附带作用，如果轴承内温度高，就加大润滑油的供应量;因此，油膜轴承的润滑油量，不是按“润滑”的需求量，而是按“冷却”的需求量来确定的;其结果是油膜轴承的润滑油量，往往很大。

遵从油膜轴承既有“润滑”，又有“冷却”的双重需求，合理地把它们的功能划分，实施分而治制:即系统中设置轴承进油压力检测和快速反馈装置，进行实时调控，确保润滑油的动态恒压输送;在冷却油的输送过程中，根据油膜轴承运行需求，实时地进行综合调控，保证回油温度的动态恒定。

(1)润滑、冷却油腔与润滑系统差温配送是合理匹配、相辅相成的。在衬套上何处开设冷却油腔是在明确轧机的轧制表之后，由设计计算确定，以保证往这里输入冷却润滑油效果最好，并由冷却系统实施;而润滑油的油温要保持恒定，需要两条输油管路油温分别控制。

(2)润滑、冷却油腔与润滑系统差压配送，对于润滑来说，要求满足各机架(轧制速度、供油的沿程压力损失不同)及轧制升速阶段等的动态供油需求;对于冷却，当视其轴承的平均油温来进行调控。

2.4 油膜轴承回转密封功能的开发［3］

当前的大型板带材轧机油膜轴承回转密封效果基本满足使用要求，但也有润滑油污染轧件的偶然事件发生。相对而言，冷连轧机的回转密封(即称为“DF”式密封，亦称鸭蹼式密封)效果弱些，由于密封唇口处弹性压紧力小，需要改善。

2.4.1 开发“OK”型回转密封

一项授权的专利——一种新型轧机油膜轴承回转密封［3］，应用冗余设计原则，成为一种集双向回转与静止密封于一身的整体式橡胶密封环，它具有多个密封肢，与耦合件构成“OK”形(故称为“OK”型密封)。它紧箍在辊颈上，随轧辊一起转动，对内封油，对外封水、乳化液及颗粒物等，兼具回转与静止的双重双向密封功能。

对轴承内润滑油的回转密封，有三个环节:第一个密封肢将油膜轴承中端泄出来的润滑油挡住，第二个密封肢为水平唇口式密封，第三个密封肢为竖直唇口式密封;即一道围墙式挡住喷射的油，两道唇口式封住飞溅的油。

对外部水与乳化液等的密封，在现有的橡胶水封与迷宫式密封之后，即是本密封:如同润滑油密封，也设置了水平唇口式密封和竖直唇口式密封两道密封，也是在最关键位置设置的两道橡胶唇口式密封。

在辊颈部分的静止密封，采用三道双向密封，其中最外边的两道是分别对油和水的弹簧拉紧式静密封，中间的一道是密封环本体弹性压紧式密封，确保静密封效果。

实施上述措施，即是对板带材轧机油膜轴承支承辊辊颈处的里外、动静密封施行冗余设计，提高了密封的可靠度。在密封肢的唇口处使用耐磨橡胶，延长使用寿命。

2.4.2 两侧渗漏的回导装置

对于板带材连轧机油膜轴承的回转密封，唇口处的滑动速度可高达30 m/s以上，所以唇口处需要有一定的润滑，使之处于混合摩擦状态，因而，有微量的润滑油渗透过去是必然的;为了做到一点滴油也不外漏，在最后一道密封之前设置渗漏回导装置，确保润滑油“点滴不漏”。

对于水与乳化液的密封，也在水平和竖直两道唇口式密封间设置了渗漏回导装置;将最后一道水封前的渗漏导出，确保外部的“滴水不进”。

2.4.3 “OK”型回转密封与渗漏分别回导的联合

“OK”型回转密封与渗漏分别回导的联合应用，即是对轧机支承辊油膜轴承的回转密封再次施行冗余设计，提高密封的可靠度。

3 创新效果的理论预期

鉴于摩戈伊尔轴承的动压循环润滑油流量大，系统配置复杂，油库庞大，建造的首次投资大，运行成本高，已成一大弊端，严重地影响了它的生存、发展。当前出现的个别冷连轧机支承辊采用滚动轴承，在很大程度上是轧机油膜轴承的首次投资大的问题所致。

采用上述创新技术后，将有如下效果的理论预期:

3.1 润滑油运行量可降低50%

应用上述技术，循环动压油量可大致为:1)润滑油量仍然保持现在的实际利用水平，即为进入轴承总量的25%;2)由于冷却油腔位置的恰当设置，以及向冷却油腔供较低温度的动压油，则冷却油量可减至当前从非工作区端泄量(即为进入轴承总量的75%)的1/3，即减为进入轴承总量的25%;因此，润滑油运行量降低了50%。

3.2 油箱容积将减小60%

由于在系统上采取恢复性功能前移等措施，使润滑油的净化不过分依赖备用油箱的高温沉淀作用;合理减小理论取值，可降低油箱容积对供油系统流量的倍数，由现在的50 m3降至40 m3(即0.8倍);这样，新油箱容积可降低至原油箱的40%(=0.5×0.8)，即减小60%，以使冷连轧的油箱由现在的由50 m3降至20 m3，热连轧的油箱由现在的70 m3降至30 m3，初次建造成本将显著降低。

3.3 油库容积将降低60%

由于应用创新技术后的油箱的容积最大可减小至原油箱的40%，若按成正比例关系计算，油库容积可减小60%。

3.4 衬套消耗量降低50%

目前，轧机油膜轴承衬套的工作面有两个，两个工作面都不能工作后衬套即告失效;而本创新型衬套，在承载能力和使用寿命不变的情况下设计制造出三个工作面，即消耗量降低50%。

3.5 消除衬套烧毁的风险

板带材连轧机油膜轴承转速较高，若轴承的工作温度控制不好，会烧毁轴承。传统的方式油膜轴承的温升是靠润滑油对流(占总散热量的93%)来控制的，但润滑油的温度、压力是不能随温升而实时进行调控的，冷却调控效果不理想;而本创新型衬套，专门设置冷却油腔，放置在轴承工作区域温度较高的地方，且实施差温、差压式供油，能有效地实时控制温升，消除衬套烧毁的风险。

3.6 消除润滑油对轧材的污染

对于成品板材，特别是冷连轧板材、薄板材，是不允许油膜轴承润滑油污染的。本创新型轴承，采取了“OK”型回转密封专利技术及其与渗漏分别回导的联合运用，已两度施行冗余设计，提高了双向密封效果，能完全消除润滑油对轧材的污染。

4 结束语

以油膜轴承衬套和OK型密封两个专利技术为基础的轧机油膜轴承及润滑系统的创新与融合，突破了轧机油膜轴承现存的影响其生存发展的瓶颈问题，成为一个新型的油膜轴承及润滑系统;能降低轧线的整体造价，降低轧制运行成本，提高运行可靠性，实现无污染，使轴承的能力得到全面地提升，满足各种新轧制工艺的要求;适于各类板轧机、板带材连轧机。

(1)热连轧粗轧:单机架 R1/R2(R1/R2/R3)，双机架R3+R4(R4+R5);

(2)热连轧精轧机组(F1～F7);

(3)冷连轧机组、单、双机架平整机;

(4)板材轧机(中板、厚板、特厚板、宽厚板等)。

［1］郭溪泉，李树青.现代大型连轧机油膜轴承(技术与应用)［M］.北京:机械工业出版社1998.

［2］郭溪泉，李树青.一种板带材轧机油膜轴承衬套［P］.CN201110117623.3.

［3］郭溪泉，李树青.一种新型轧机油膜轴承回转密封［P］.CN201220186187.5.

［4］郭溪泉.中国轧机油膜轴承技术的新世纪［J］.太原重型机械学院学报，2002(S1).

［5］郭溪泉.轧机动压油膜轴承的摩擦学设计摩擦学设计 100例 (上)［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［6］郭溪泉.重载油膜轴承理论计算的探讨－－关于弹性流体动压润滑理论的应用［J］.起重运输机械，1977(4).

［7］郭溪泉.重载油膜轴承理论计算的探讨－－关于弹性流体动压润滑理论的应用［J］.起重运输机械，1977(5).

［8］郭溪泉.重载油膜轴承理论计算的探讨－－关于弹性流体动压润滑理论的应用［J］.起重运输机械，1977(6).