热连轧机油膜轴承密封改进及有限元分析校核

2020-08-04王加林钱有明

安徽冶金科技职业学院学报 2020年2期

王加林，胡彪，钱有明，姚威

（马钢股份公司四钢轧总厂安徽省马鞍山 243000）

随着钢铁工业的快速发展，热轧对油膜轴承的要求越来越高［1］，而油膜轴承正常工作的前提是拥有良好的密封性能，但热轧的工作环境较差，轴承要时刻面临冷却水的冲击，承受氧化铁皮等杂质随时入侵的危险［2］。因此防止杂质、冷却水的进入，以及防止润滑油的泄露，是确保油膜轴承正常工作的保障［3］。

某厂2250热连轧在工作过程中出现油膜轴承进水现象，支撑辊端面与密封件接触部位出现凹槽，轴承衬套和轴套的烧熔、划伤等非正常磨损等故障，严重影响到轧机的正常工作。现以2250热连轧精轧机为研究对象，参考油膜轴承密封机理，根据水封损坏形式，做出相应的原因分析，提出水封安装结构改进方案，并加装挡水装置，为油膜轴承的正常工作和维护提供保障，从而延长油膜轴承的使用寿命。

1 进水原因分析

目前热连轧广泛使用的辊颈密封是DF密封［4］，而DF密封在轴承工作时出现进水现象，主要有以下几点原因：

（1）水封与辊径密封面配合不当，以及支撑辊工作时的轴向窜动，会导致水封与支撑辊端面的密封唇磨损，同时也会加剧支撑辊的端面（密封接触面）的锈蚀，使支撑辊端面产生凹槽，二者间产生间隙或间隙增大，水封动密封失效，进水量会显著增多；

（2）密封盖与支撑辊不能直接接触，二者之间存在一定间隙。冷却水可通过该间隙流入挡水装置内，再落入水封上，直接冲击到第一道封水唇，加剧支撑辊端面的锈蚀，从而导致水封动密封失效。

2 改进方案

2.1 水封安装结构改进

水封与支撑辊端面的密封唇磨损必然造成水封密封唇和支撑辊端面接触压力降低，在支撑辊轴向窜动时二者不能贴合，因此，可在支撑辊端面与水封接触的圆环面上加工凹槽，采用螺钉装配表明光洁的防锈耐磨圆环，如图1所示，这样可以降低水封与支撑辊端面的动摩擦系数，延长水封寿命，起到巩固油膜轴承密封的作用；同时，防锈圆环表面寿命也较长，并可在磨损到规定时间或磨损量后更换，延长支撑辊寿命。

2.2 加装挡水装置

采用图2所示的挡水装置结构，将整圈的挡水板安装在支撑辊上，与支撑辊采用螺钉联接保证挡水板端面与支撑辊辊身端面之间贴合紧密，有良好密封性，同时在图1的陶瓷密封盖上增加导流圆弧槽。加装挡水装置，可以将大量的冷却水和氧化铁皮等直接拦挡在密封系统之外，有效防止冷却水直接冲击到第一道封水唇，也能减缓支撑辊端面的锈蚀，起到加强油膜轴承密封的作用。

图1 水封安装结构改进示意图

图2 增加挡水板示意图

2.3 具体实施

要实现上述两种方案需要对支撑辊结构进行改变，在支撑辊端面加工一定的凹槽和螺钉孔，但如果加工过多的螺钉孔，会对支撑辊强度产生很大影响，反而会减少支撑辊寿命。因此将两种方案加以结合，在水封安装结构改进的同时，添加挡水装置，如图3所示，耐磨圆环与挡水板使用同一组螺钉安装固定在支撑辊端面，这样既可以达到降低水封与支撑辊端面的动摩擦系数，减缓水封唇的磨损；又可以实现防止冷却水冲击第一道封水唇，减缓支撑辊端面的锈蚀，将会给油膜轴承密封加上双重保护，大大的延长了油膜轴承的使用寿命。

3 支撑辊强度校核

在支撑辊端面加工凹槽，采用螺钉装配耐磨圆环和挡水板，对支撑辊强度有一定程度的削弱，特别是精轧F1-F7的支撑辊，在辊身和装配油膜轴承的圆锥段之间，并无轴肩，凹槽和螺钉孔是直接开在支撑辊辊身段，而支撑辊辊身全辊与工作辊接触，其端面受到的应力较大，支撑辊为重要零部件，制造成本高，因此，在支撑辊上开凹槽和螺纹孔，必须进行校核计算，来验证方案的可行性。

图3 精轧支撑辊辊身端面安装耐磨圆环和挡水板装配图

3.1 理论计算初步验证

根据厂家所给信息，2250热轧的支撑辊和工作辊材料相同，即两辊的泊松比和弹性模量相同，查阅相关资料，选取两辊的泊松比μ＝0.3，满足Hertz理论计算要求，因此支撑辊与工作辊之间的最大接触应力可表示为［5］：

式中：q——作用于轧辊辊身单位长度上的均布载荷；

r1——工作辊辊身半径；

r2——支撑辊辊身半径；

E——支撑辊和工作辊的弹性模量。

在辊间接触区中，除了校核最大接触应力外，还需保证支撑辊不产生疲劳破坏，支撑辊体内的最大切应力值也应小于许用值。根据Hertz理论，支撑辊体内最大切应力可表达为：

对于2250精轧机的工作辊与支撑辊半径分别为r1＝0.4 m，r2＝0.8 m；两辊接触长度l＝2.25 m。当精轧机轧制力为4500 T，工作辊颈弯辊力为150 T，咬入冲击系数为1.5时，则利用公式1、2计算可得σmax＝2055 MPa，τmax＝624 MPa。

对于2250精轧机的支撑辊半径为最小辊径r’2＝0.72 m时，其余数据不变，则利用公式1、2计算可得σ’max＝2093 MPa，τ’max＝636 MPa。

根据厂家所给信息及查阅相关资料可得，精轧机支撑辊的表面硬度为65-70HSC，许用应力为［σ］＝2200 MPa，许用切应力为［τ］＝670 MPa。因此经过理论计算验证当轧制力为4500 T时，精轧机支撑辊的最大接触应力和最大切应力均小于许用值，因此辊身表面不会产生裂纹或剥落。

3.2 支撑辊有限元强度校核

建立2250精轧下支撑辊与工作辊三维装配模型（图4），对加工凹槽和螺钉孔的支撑辊进行有限元强度校核，并将其中一对螺钉孔开在支撑辊受力点的正下方，形成应力集中区域，从而得到支撑辊在极限状态下的强度变化。

图4 2250精轧支撑辊与工作辊三维装配图

支撑辊结构改变前后的最大接触应力分别为2193.36 MPa、2195.67 MPa，相对于前面精轧机接触应力理论计算，有限元分析结果大于理论计算最大接触应力σ’max＝2093 MPa，但未超出支撑辊与工作辊之间许用接触应力值［σ］＝2200MPa。有限元仿真中，由于支撑辊与工作辊之间受力不均匀，导致仿真结果大于理论计算值，实际支撑辊与工作辊之间最大接触应力与理论值十分接近。

精轧机支撑辊结构改变后的最大米塞斯等效应力1025.64 MPa，出现在支撑辊辊身表面，比未开槽与螺钉孔的应力968.20 MPa增大5.9%，且位置相同。2250精轧支撑辊工作层屈服强度为1100 MPa，两次仿真结果未超出支撑辊工作层屈服极限。顶端螺钉孔没有应力集中现象。可见在下支撑辊辊身加工凹槽和螺钉孔后，支撑辊辊身所受应力并没有显著变化。

将支撑辊辊身螺钉孔从加工面与分割开来，顶端螺钉孔区域最大米塞斯等效应力出现在辊身端面上，为60.57 MPa，远小于支撑辊整体最大有效应力；顶端螺钉孔最大切应力14.43 MPa，相对于前面精轧机支撑辊内部最大切应力理论计算，有限元分析结果同样远小于理论计算最大接触应力τ’max＝636 MPa，符合设计要求。

经过理论计算和有限元分析校核验证，精轧机支撑辊在密封接触面加工凹槽和螺钉孔后，支撑辊的接触应力和辊内切应力均小于许用值，因此表面不会产生裂纹或剥落，证明了精轧机支撑辊在密封接触面加工凹槽和螺钉孔对支撑辊强度是不影响的，从而证明了在支撑辊上加工相应尺寸凹槽和螺钉孔是可行的，可以保证支撑辊强度和寿命满足使用要求，进而验证了精轧机水封安装结构改进并添加挡水装置方案是可行的。