连铸机钢包回转台推力关节轴承座圈修复及总体拥有成本分析

李刚，李琰

（1.首钢集团有限公司资产管理中心，北京 100041；2.斯凯孚（中国）销售有限公司，上海 200011）

某炼钢厂是世界首个单体年生产能力达到1000万吨钢的炼钢厂，其连铸机设计年产量可达360万吨，由意大利DANIELI公司设计制造。此钢厂钢包回转台（又称大包转台）属于蝶式回转台，共有八套每侧四套推力关节轴承，分布在升叉臂升降液压缸两端以及叉臂与回转台之间，叉臂通过推力关节轴承支承在回转台上，每个升降液压的上下端均用推力关节轴承支承，通过液压缸伸缩带动叉臂升降。

由于钢包回转台在浇钢生产过程中始终处于高温、高灰尘、强冲击的工况条件下，推力关节轴承在应用一段时间后，轴承轴圈、座圈会产生部分磨损，润滑管路也会产生损坏和堵塞，一般情况下更换新备件，旧件换下后报废。但在推力关节轴承尚未达到设计寿命周期，且在可修复状态下报废不用，会造成企业备件采购费用较高，并产生资源浪费。因此，对更换下来的旧推力关节轴承进行状态检测，利用轴承再造技术进行修复，能够进一步延长轴承使用寿命，有效降低成本，提升设备整体技术价值。

1 轴承工作状态及特点

叉臂在接受钢包或浇铸时，不仅要在保持稳定，而且也要能够进行高度调节。由于在升降过程中，叉臂不能作平行的水平移动，而是需要绕回转点上下升降，导致液压缸及活塞杆必须能绕其支撑点移动。为了在液压缸改变支撑角度时保持较小的复位力矩，使液压缸及活塞杆能沿径向移动，液压缸座和活塞杆头端要各连接一套推力关节轴承，叉臂两臂与回转台也要各连接一套推力关节轴承，保证叉臂绕回转点升降，如图1所示。在生产过程中，推力关节轴承不仅要承受钢包及叉臂的全部质量，随液压缸活塞杆伸缩做上下升降，还要在升降过程中能够承受一定冲击。因此，钢包回转台推力关节轴承具有转速低、承载大、能承受冲击的特点，其结构除了轴圈、座圈外，主要还有摩擦副衬垫和润滑注油孔。

图1 叉臂在不同位置时液压缸及关节轴承状态图

2 轴承座圈摩擦副与润滑

由于钢包回转台推力关节轴承具有上述工作状态和特点，因此，座圈和轴圈之间摩擦副材质选择至关重要，决定着轴承使用寿命的长短。此推力关节轴承摩擦副使用PTFE钢基铜塑自润滑复合材料，它以钢板为基体，烧结铜粉作为中间层，表面层为PTFE，其机械性能取决于金属基材，而摩擦性能取决于表面层的PTFE。金属基材和塑料表面层通过烧结铜粉为媒介，使相互之间具有一定结合力。钢板作为基体或骨架，保证材料具有高强度和高承载能力。铜粉孔层起导热和容纳塑料作用，而塑料层起到润滑作用。因此，钢基铜塑复合材料既有润滑作用，又具有高强度、高承载能力。

摩擦副材质确定后，将自润滑复合材料整形加工成衬垫，并在衬垫上加工锥形固定孔，使用沉头螺栓将自润滑材料衬垫紧固到座圈上。采用螺栓紧固方式固定摩擦副衬垫具有可修复更换、抗较大冲击、固定可靠、适合高温环境的优点。

钢包回转台推力关节轴承在使用过程中，难免会有一些外界细小杂质、自润滑材料细屑黏在座圈磨檫副和轴圈球面上，增加摩擦副与球面的摩擦系数，加快摩擦副与球面磨损。为降低磨损，在座圈球面上均匀分布三个注油孔，在球面上加工出网状润滑槽，如图2所示。

在推力关节轴承工作时，定时从注油孔添加铝基润滑脂，通过润滑槽在摩擦副衬垫和轴圈球头均匀分布，达到进一步降低摩擦系数的作用。

图2 钢包回转台推力关节轴承座圈球面结构示意图

3 轴承受力

图3 叉臂受力图

钢包回转台叉臂升降系统受力如图3所示，叉臂在升降过程中受到钢包和钢水重力L、鞍座重力W1、叉臂重力W2和液压缸推力F的作用，通过推力关节轴承R1，R2达到力矩平衡。根据作用力与反作用力关系，液压缸两端推力关节轴承R3和R4受到反作用力与F相等为10.13×106N，起到叉臂支点作用的推力关节轴承R2受到反作用力10.12×106N，R1受到反作用力4.51×106N，水平受力T=0。

由于推力关节轴承R2受力与液压缸推力基本相同，且靠近鞍座，在生产时与盛满钢水的钢包距离最近，环境最恶劣，拆解后发现磨损最严重，因此，选择R2为研究对象。

4 轴承寿命估算

推力关节轴承在常温、安装正确、润滑良好且无外来物进入、无过载使用的理想状态下，其寿命为：

其中，aK为载荷特性寿命系数，aT为温度寿命系数，aV为滑动速度寿命系数，aP为载荷寿命系数，aZ为轴承质量与润滑寿命系数，KM为摩擦副材料相关系数，Cd为额定动载荷，v为滑动速度，P为当量动载荷。对于此公式，文献[5]提出接触面受力大小直接影响关节轴承的寿命，在计算关节轴承磨损寿命L时应用名义接触应压力p替代P才是合适的，因此，公式（1）调整为：

推力关节轴承R2参数为：球面公称直径dm=630mm，额定动载荷Cd=6.17×106N，当量动载荷即为推力关节轴承最大受力P=5.044×106N，计算得到推力关节轴承名义接触压力p=81.75MPa，符合钢/PTFE复合物[p]≤100N/mm2的取值范围。

R2摆角β=13°（叉臂抬升和下降角度均为6.5°），摆动频率按照每天15摆次则f =1.736×10-4r/s，计算得到球面滑动速度v=2.902×10-4mm/s，符合钢/PTFE复合物[v]≤300mm/s的取值范围。

使用接触疲劳寿命理论估算推力关节轴承寿命，轴承承受恒定载荷，aK=1；浇钢时的环境温度在85℃左右，aT取0.0235；经计算aV=1.736×10-4，aP=2.119×10-4；由于推力关节轴承润滑形式为自润滑和油脂润滑相结合的形式，aZ取0.5；将上述参数代入公式（2）中得到推力关节轴承R2寿命L为3.32×105摆次。

5 轴承座圈修复

此推力关节轴承在恶劣工况下连续使用3年，中修时拆解检测，轴承轴圈符合继续使用条件，座圈不符合继续使用条件。计算寿命为3.32×105摆次的推力关节轴承，仅使用了1.64×104摆次（5475摆次/年×3年）后，就因座圈磨损更换新轴承，既增加备件采购成本，又浪费资源。采用轴承修复技术恢复座圈性能继续使用，达到延长寿命节约成本的目的。

5.1 修复前技术状态及修复标准

（1）外观检查

座圈外表面油污严重；摩擦副自润滑衬垫全部损坏；润滑注油孔接头变形。

（2）清洗拆解检查

外表面及端盖严重锈蚀；摩擦副铜合金内表面严重磨损；润滑注油孔内润滑管道堵塞；密封圈损坏；部分沉头螺栓无法使用。

结合上述检查情况，推力关节轴承座圈按照SKF轴承修复服务SL 3级进行修复，以“修复--抛光”为主，主要包括轴承解体，部件清洁、损坏检查和分析、部件抛光和部分更换、组装检验、全新包装。

5.2 修复内容

结合SKF 3级修复标准，推力关节轴承座圈修复采用如下步骤：（1）对座圈外表面和端盖进行除锈，研磨抛光；（2）拆除破损的摩擦副自润滑衬垫；（3）清洗疏通座圈润滑油路；（4）对摩擦副自润滑衬垫贴铜合金镶嵌基面进行修整，疏通基面轴向润滑油槽；（5）测量座圈球径实际尺寸，对比图纸数据，加工研磨用假轴圈；（6）利用假轴圈对座圈内表面进行精研磨；（7）加工冲压整形磨具，对钢基铜塑自润滑层材料进行冲压整形，制作全新摩擦副自润滑衬垫；（8）更换部分沉头螺栓，装配新摩擦副自润滑衬垫，在衬垫表面镶嵌PTFE材料；（9）进行整体尺寸和间隙检测，符合图纸要求和国家标准GB/T9162-2001、GB1176-87；（10）更换注油接头和密封圈，润滑系统试压检测；（11）进行防锈处理，成品包装。

5.3 修复要点

文献[2]、文献[7]、文献[8]等对推力关节轴承轴圈加工、座圈研磨、摩擦副衬垫装配固定、润滑油槽加工的工艺、要点及注意事项进行了详细阐述。

（1）假轴圈的加工。由于推力关节轴承的轴圈未下线，要对座圈进行研磨，需要另行加工一个研磨用的假轴圈，假轴圈球面直径630mm，材质为淬硬轴承钢GCr15，比照轴圈加工工艺，按照“内孔端面——外孔端面——大倒角——外球面——基准面内外倒角--非基准面内倒角”顺序对假轴圈进行车加工并进行热处理。为保证假轴圈加工精度和效率，采用数控车床加工，需要借助已修复好的座圈测量球位、球径尺寸，使用千分表边加工边测量。加工好后，使用三坐标机对假轴圈和座圈进行测量，检验假轴圈、座圈的球径尺寸是否统一，保证假轴圈对座圈内表面精研磨质量。

（2）摩擦副衬垫的加工与装配。由于衬垫作为轴圈与座圈之间的摩擦副介质，其圆弧弧度必须与座圈一直，才能准确装配。衬垫材质是由钢和铜两种金属经过高温烧结而成，具有一定的韧性，要经过冲压整形磨具反复调整冲压才能完成。由于磨具是球台形状，因此，在磨具制作过程中，需要对球状部位的球对称度进行反复测量，保证加工完的摩擦副衬垫符合座圈尺寸要求。同时，按照座圈球面上润滑油槽布局，做好新衬垫径向润滑槽布设。

装配时，将摩擦副衬垫固定孔同座圈锥孔进行对应整形，使固定孔与座圈锥孔紧密贴合，采用沉头螺栓进行有效固定。

6 轴承修复TCO成本分析

推力关节轴承是蝶式钢包回转台重要部件之一，在其生产使用过程，除了轴承采购成本外，还会因突发轴承故障产生故障成本、占用库存等其他机会成本，其总体拥有成本（TCO）比较高。

通过轴承修复再造技术建立推力关节轴承预防性维修，能够有效降低其总体拥有成本，见图4。

图4 推力关节轴承修复TCO下降示意图

（1）延长轴承使用寿命，节省备件采购成本。目前，轴承修复可为企业节省轴承采购费用可以达20%～90%。推力关节轴承在高温、污染、腐蚀、润滑不良的环境下使用3年，座圈实际状态已不适合继续使用，经过专业修复后，整个轴承可再正常使用2年，实际使用寿命达到5年。后续还可根据磨损状态确定是否修复，再进一步延长实际使用寿命。

按照寿命系数=修复备件的使用寿命（月）/原件的使用寿命（月）＞0.5。

推力关节轴承座圈寿命系数=24个月/36个月=0.66＞0.5

通过修复延长轴承使用寿命，可以缩短备件采购交货期，减少采购次数，降低采购成本。已用3年的推力关节轴承座圈进行修复后，至少还可以使用2年再进行新品采购，轴承实际寿命周期采购成本平均降低约40%。座圈新品采购费用为25.14万元/套，修复费用为8.80万元/套，仅为新品采购费用35%，有效节省采购成本；该推力关节轴承属于客户定制产品，交货期一般在8个月左右，座圈修复供货期一般在3个月左右，大大缩短轴承交货期。

（2）减少非计划故障停机，降低生产损失。推力关节轴承座圈下线后，如只进行单纯更换不进行修复性检查，导致座圈磨损的根本因素未得到有效解决或改善，不能形成轴承预防性维修机制。即便更换新品座圈，也会因温度、润滑、污染等加剧恶化，产生非计划故障停机。如果因推力关节轴承故障非计划停机导致停产，故障处理至少需要5人处理2天左右。按照日浇钢9000吨，吨钢成本600元/吨，人工成本400元/天测算，非计划停机损失可达到1080.2万元，见表1。

表1 推力关节轴承修复降低非计划停机成本效益测算表

通过对下线的轴承座圈磨损情况进行诊断分析，主要是轴承润滑不良导致座圈磨损，通过加大对钢包回转台润滑系统检查，建立轴承预防性维修策略，进一步优化了钢包回转台整体设备性能，减少了非计划停机时间，增加了连铸机长浇次生产时间。

（3）减少新品备件库存。一般情况下，钢包回转台推力关节轴承采取“用一套，备二套”模式，由于轴承使用周期在3年左右，因此，形成新品备件库存占用。通过轴承修复，形成“用一套，备一套和修一套”模式，在相同的使用周期内，可适当减少新品轴承库存，降低企业流动资金占用。

7 结语

通过对钢包回转台推力关节轴承座圈修复方式进行探索，修复后轴承座圈使用寿命能满足工艺生产要求。目前，修复后的推力关节轴承座圈已经使用2.5年，运行性能与新品轴承座圈基本相同，创出了16天508炉不间断连续浇注生产记录，推力关节轴承摆次达到约30r/d；不仅延长了轴承使用寿命，而且显著降低了采购成本，还能减少轴承备件库存；通过对轴承失效分析，建立预防性维修策略，提升钢包回转台整体设备技术性能，提高设备利用率，降低总运维成本；同时，轴承修复也是节约材料和能源，实现环境可持续性发展的重要举措。