镀锌机组拉矫机辊端支撑轴承磨损分析和对策

马 龙，任学平，高 照

(1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.包钢薄板厂，内蒙古 包头 014010)

0 前言

拉矫机是连续热镀锌板生产中重要的后处理设备，在消除带钢浪边、浪形、瓢曲[1]，改善薄板的平直度[2]，消除屈服平台等方面起到了不可磨灭的作用。某薄板厂镀锌机组拉矫机在一段生产时期内，拉矫机工作辊和中间辊辊端支撑轴承频繁损坏，严重时辊子的一端脱落，造成带钢表面划伤甚至出现断带停机事故。通过对辊端支撑轴承的准确受力分析，采取了一系列措施，改善了拉矫机辊端支撑轴承承受的轴向力和径向力，使拉矫机辊端支撑轴承损坏现象明显减少，延长了拉矫机辊盒的使用寿命。

1 拉矫机结构组成

拉矫机由三部分组成，张力辊组，用于产生所需的工艺张力；拉矫机本体，拉矫机本体由喷淋系统、两组弯曲辊系和一组矫直辊系组成，即“湿式两弯一矫”，实现带钢的弯曲矫直[3]；挤干辊和烘干器，用于保证带钢表面无水，避免打滑，拉矫机结构简图如图1所示。

图1 两弯一矫式拉矫机结构简图

2 拉矫机工作原理

热镀锌薄板不管用于什么用途，要求其表面必须平坦。但是，冷轧薄板经过热镀锌之后，由于在连续退火炉中加热的不均匀性和机械传动的缘故，往往会呈现出不佳的板形[4]。拉伸弯曲矫直[5]的基本出发点是通过对钢带施加拉应力和弯曲应力使其产生变形而矫直的。为达到矫直的目的，带钢必须具有一定伸长率。对带钢伸长率起决定性作用的是带钢的最小曲率半径。在已知板厚、辊径和理论包角α的情况下，对于每种带钢张力T可以达到一个一定的最小曲率半径，这曲率半径在极限情况时与弯曲辊半径相同，其中理论包角α是由拉伸辊的间距、直径和压下深度来确定的。弯曲辊压下时，钢板形成一种双曲线弯曲，如图2所示[6]。

图2 一个弯曲辊范围内的应力分布和应力状态

在图2中表示出了边缘范围内的弯曲应力分布，h3,h4为弹性层厚度；y3,y4为无应力线的错位，p为塑性范围。从A点到C点范围内只有弹性弯曲，而从C点开始则为塑性变形，这在应力图B、C、D和E中便能清楚地看到。带钢的拉应力在这里没做考虑。随着曲率半径的逐渐减小，零位线也逐渐地移向曲率中心。这种无应力线的位移，目前还不能够精确地计算出来。事实上，如图3所示[6]，这种位移才能使带钢得到延伸。带钢的单位张力只在屈服极限约为1/10～1/3范围内波动。带钢交替弯曲时的塑性延伸是塑性压缩与塑性伸长相加得到。这时调节矫直单元以使带钢在压下运行之后又成为平直的运行。

图3 用两个弯曲辊和一个矫直辊拉伸时的塑性变形

3 拉矫机工作辊的受力情况

拉矫机不但能改善带钢的板形，而且也能够改善带钢的力学性能，但其在拉矫带钢的时候工作辊往往会受到带钢复杂的反作用力，使辊端支撑轴承承受不同的轴径向力，如图4所示，F1为带钢对工作辊垂直向上的反作用力；F2为带钢与工作辊的摩擦力；F3、F4为使工作辊发生窜动的轴向力；F5为发生翘曲辊端支撑轴承受到的力；F6为轴向分力；F7为径向分力，不同的轴径向力使得辊端支撑轴承内部的推力轴承和深沟球轴承发生失效，导致其快速磨损，发生掉辊现象，造成带钢板面划伤或断带事故，如图5所示。

图4 上弯曲单元工作辊受力情况

图5 脱落的辊子给带钢造成的划伤和边浪

因为带钢板形多少存在浪形、翘曲，拉矫机辊盒在初装时或长时间使用后，出现辊系横向或纵向倾斜，造成辊系与带钢沿宽度方向不平行或辊系中心线与机组中心不垂直。如果使工作辊向一侧传动的轴向力过大，超过辊端支撑轴承的承载能力，就会使微型推力轴承失效，进而使微型深沟球轴承失效，导致辊端支撑轴承发生卡阻或抱死[7]现象，并在短时间内摩擦产生的热量直接导致辊端支撑轴承损毁[8]，如图6所示。

图6 辊端支撑轴承烧损图

同时，工作辊和中间辊在拉矫过程中都会产生弯曲变形，再加上其自身磨损或装配精度不够而产生弯曲变形，这时，工作辊和中间辊将这一弯曲力传递给辊端支撑轴承，假如支撑套间隙没调好，使得辊端支撑轴受到支撑套给的作用力F5而发生磨损，同时产生了径向分力F7，使得辊端支撑轴承内部的深沟球轴承发生磨损，进而发展为辊端支撑轴承损坏，如图6所示。

辊端支撑轴承受到力的作用是难免的，并且哪一个辊端支撑轴承受力及受力的大小，都会随上述因素的变化而发生变化，同时辊子压下深度、延伸率和拉矫张力越大，辊端支撑轴承的受力也越大，当某一个轴承长时间受较大力作用时，就会出现损坏失效事故。这样，本侧辊端支撑轴承磨损，另一侧支撑轴松脱，从而造成工作辊或中间辊脱离支撑套的约束从拉矫机本体内脱落，由于为了保护焊缝，焊缝过来时，拉矫机自动微开，焊缝过后拉矫机自动关闭，这时，下弯曲辊盒脱落的辊子会掉到喷淋系统除盐水收集槽内，使得拉矫延伸率降低，板形差，上弯曲辊盒脱落的辊子会挤在1#或者2#上弯曲辊盒的辊盒里，这样直接造成带钢板面划伤和边浪，甚至造成断带停车。

4 解决辊端支撑轴承损坏的措施

微型轴承的失效[9]与很多因素有关，如载荷、旋转精度、润滑状况、材料、轴承安装时和辊端支撑体、轴径的精度及配合方式的选择等。影响最大的是载荷、转速、润滑状况及轴承部件的制造和装配误差。针对辊端支撑轴承损坏的原因和对损坏的辊端支撑轴承进行解体分析后，采取优化选用合适的推力轴承、改进辊端支撑轴承结构、提高辊盒的安装精度、优化工艺参数等一系列措施。

4.1 辊端支撑轴承结构尺寸优化

4.1.1 选用合适的推力轴承

某薄板厂镀锌机组拉矫机辊端支撑轴承内部原来采用的推力轴承是BA6，如图7所示，尺寸6 mm×14 mm×5 mm,额定动载荷1 780 N。

图7 BA6辊端支撑轴承

根据现场的跟踪记录(1.2 mm以上带钢)，在拉矫机精度正常和辊端支撑轴承不受径向力的情况下，轴承均在32天以上，但镀锌为连续生产线，需满足在线连续使用3个月。根据现在辊端支撑轴承自身的尺寸，最大、最适合的推力轴承选用BA8，如图8所示，尺寸8 mm×19 mm×7 m，额定动载荷3 190 N。承载是原来的3.19/1.78≈1.79倍，寿命是原来的1.973倍，即至少可用180天。

图8 BA8辊端支撑轴承

4.1.2 改进辊端支撑轴承结构

实际生产中，拉矫机辊端支撑轴承在轴向力和径向力的共同作用下，只能使用20天左右。为了解决拉矫机在拉矫过程中，由于工作辊或中间辊辊端发生翘曲导致辊端支撑轴承的支撑轴和支撑套的磨损，通过结构改造在原来的圆柱支撑套上开槽，实现了在辊端发生翘曲时，也不会使支撑轴和支撑套接触，也避免了径向力的产生，延长了辊端支撑轴承的寿命，如图9所示为改造前支撑套、图10为改造后支撑套，图11改造后实物。

图9 改造前支撑套

图10 改造后支撑套

图11 改造后实物

4.2 提高辊盒装配精度

辊盒的装配精度受到辊盒本身以及支撑辊、中间辊和工作辊等各方面的影响，所以必须对辊盒水平度和垂直度进行检测校正，保证工作辊、中间辊水平度与机组中心线的垂直度。辊系内辊子间的水平度误差不大于0.05 mm/m，支撑辊与中间辊、中间辊与工作辊之间的间隙在0.5 mm以下。

4.3 拉矫机工艺参数优化和管理

目前生产线拉矫机控制采用延伸率控制，生产CQ、DQ钢种，屈服强度控制为220 MPa 到350 MPa。根据性能要求，参数设定见表1。

表1 拉矫机不同规格的工艺参数[10-11]

拉矫机延伸率控制模式下，辊盒啮合度和拉矫张力为反比关系。生产控制采用二级给定参数，当出现板形不良或拉矫痕缺陷时，可在范围内调整。

由于拉矫机的前后张力、辊盒的啮合度以及喷淋系统的喷水量都会影响拉矫辊子的使用状态，所以在保证不同规格带钢在达到要求的延伸率[12-15]前提下，尽量减少拉矫机处的张力和啮合度，同时，喷淋系统的水流量要求为：5～8 L/min,压力为500 kPa,这样可以清洗、润滑和冷却拉矫机工作辊，避免干摩擦，减轻拉矫机工作辊的磨损和辊端轴承因高温导致缺油的磨损。

平时对每个拉矫机辊盒(工作辊、中间辊、辊端支撑轴承和支撑辊)做好跟踪记录[16]，及时更换辊端支撑轴，同时当辊盒下线和检修期间也要检查辊端支撑轴承和辊面情况，需润滑的部位适当注油。这样可以更好的维护好设备。

5 效果评价

通过本文研究，并对拉矫机辊端支撑轴承的使用寿命进行对比。如图12所示为中间辊和工作辊轴头异常磨损问题解决前后辊端支撑轴承的过钢量的统计情况。从图12中可知，2015年6月前对应的平均过钢量为2.3万吨，问题解决后过钢量为8.8万吨，是原来的3.8倍，完全满足在线连续使用3个月的要求。从而延长了辊盒的使用寿命和减少了劳动负荷的目的。

图12 辊端支撑轴承对应的过钢量

6 结论

针对镀锌机组拉矫机弯曲单元工作辊和中间辊的受力情况，采取多项改进措施后，很好地解决了拉矫机辊端支撑轴磨损，不但延长了拉矫机辊盒的使用寿命，稳定了拉矫机的生产，而且实现了降本增效，提高了产品质量和产量，提高了市场竞争力。