摘 要：通過對(duì)四列組合軸承載荷分布的模擬實(shí)驗(yàn)研究，提出了軸承徑向載荷分布的檢測(cè)方法，為寶鋼2050精軋機(jī)提高工作輥軸承壽命的研究工作提供了可靠的實(shí)驗(yàn)手段與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)研究軸承破壞機(jī)理具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)研究 測(cè)試技術(shù) 軸承壽命 軋輥軸承

近年來，隨著汽車、家電等行業(yè)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)鋼材質(zhì)量要求愈來愈高，軋機(jī)的板形控制手段也愈來愈強(qiáng)。如目前廣泛使用的HC、CVC、PC等技術(shù)，均具有很強(qiáng)的板形控制能力。然而，由于上述板形控制技術(shù)的應(yīng)用，使軋機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，工作輥軸承及軸承座受力狀態(tài)惡化，軸承燒熔事故時(shí)有發(fā)生。武鋼從德國 SMS公司引進(jìn)的1700連軋機(jī)，1981～1984年間軸承燒熔百余套［1］。渤海鋁業(yè)公司90年代由英國DAVY公司引進(jìn)的鋁箔軋機(jī)，在軋機(jī)負(fù)荷與軋制速度均小于設(shè)計(jì)能力的情況下，多次發(fā)生軸承燒熔。寶鋼2050熱連軋機(jī)精軋機(jī)組F4～ F7機(jī)架采用進(jìn)口SKF軸承，其壽命遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)水平，1996～1997年間SKF軸承非正常破壞30余套，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)上述情況，許多學(xué)者在如何提高軋輥軸承壽命方面進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，并采取了相應(yīng)措施，如提高加工精度、改善潤滑條件、增加軸承間隙等。但未從根本上解決問題［2］，軸承燒熔現(xiàn)象依然非常嚴(yán)重。為此，我校軋鋼研究所與寶鋼熱軋廠合作，以2050精軋機(jī)F4機(jī)架為目標(biāo)，從理論研究與實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫鎸?duì)工作輥軸承的破壞機(jī)理進(jìn)行攻關(guān)，取得了突破性進(jìn)展。有關(guān)軸承破壞原因的理論分析參見文獻(xiàn)［6］，本文主要闡述實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果。

1 軋輥軸承結(jié)構(gòu)與破壞形式

寶鋼2050熱連軋機(jī)是CVC四輥軋機(jī)，工作輥傳動(dòng)側(cè)采用四例圓錐輥?zhàn)虞S承，操作側(cè)采用德國 SKF公司生產(chǎn)的組合軸承，圖1顯示了軸承的燒損情況?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料表明，軸承燒熔事故主要發(fā)生在軋機(jī)操作側(cè)的組合軸承上，破壞形式多為軸承滾動(dòng)體與外環(huán)局部剝落。這種現(xiàn)象說明，在軋機(jī)工作過程中， 靠近輥身側(cè)的軸承承受較大的局部接觸應(yīng)力，在該應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生局部疲勞剝落，造成軸承燒損。因 此，研究組合軸承的載荷分布，找出載荷分布不均的原因，是本次實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

寶鋼熱軋廠屬大型連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)，實(shí)驗(yàn)必須地生產(chǎn)條件下進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)中不得有任何影響生產(chǎn)的因素存在。而且工作輥軸承是在高速重載條件下工作，加之大量冷卻水的沖擊，給實(shí)驗(yàn)帶來很多困難。為保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的順利進(jìn)行，必須先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

2.1 軸承徑向載荷分布測(cè)定方案

要準(zhǔn)確地測(cè)定軸承徑向載荷分布，***有效的辦法是將傳感器安裝于軸承座內(nèi)，使其直接感受各列軸承的徑向力，但由于軸承結(jié)構(gòu)與密封要求，這種測(cè)試方案具有相當(dāng)難度，目前尚未見到有關(guān)報(bào)道。通過深入的理論分析與反復(fù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種埋入式傳感器，將其裝在工作輥軸承座內(nèi)，為了保證軸承的正常工作，傳感器的設(shè)計(jì)、安裝及軸承座的設(shè)計(jì)必須滿足條件：

①埋入式傳感器必須具有較高的靈敏度、良好的密封、較強(qiáng)的抗干擾能力與較長的使用壽命；

②傳感器應(yīng)安裝在軸承徑向載荷***大的位置，并能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)載荷的變化；

③由于傳感器位于彈性系統(tǒng)中，因此傳感器的剛度與軸承座的整體剛度應(yīng)具有一定的比例關(guān)系，以保證傳感器的輸出靈敏度；

④由于實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)條件下進(jìn)行，安裝傳感器的軸承座應(yīng)滿足軋機(jī)生產(chǎn)的強(qiáng)度與剛度要求。因此，必須按相似理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)機(jī)，并進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，考察實(shí)驗(yàn)方案的可靠性。

為了滿足上述條件，首先采用邊界元法對(duì)軸承座進(jìn)行了分析［3］，為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)

為了使模擬實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)際，依據(jù)相似理論設(shè)

計(jì)了2050軋機(jī)工作輥軸承座部件的模擬實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，

模型的幾何尺寸與材料選擇遵循如下規(guī)律［4］。

軋機(jī)軸承座的材料為ZG270—550，模型亦選擇該種材料；軋機(jī)的***大彎輥力為1000kN，模擬樣機(jī)的彎輥力取40kN。實(shí)驗(yàn)過程中，由千斤頂向軸承座耳部加載，模擬彎輥力。軸承座被固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，軸承座內(nèi)安裝有芯軸，由電機(jī)帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)，模擬軋輥運(yùn)動(dòng)，盡可能做到模型的工況與實(shí)物工況相似。然而由于2050熱連軋機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，很難做到載荷工況的完全相同。盡管如此，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)研究測(cè)試方案的可行性及影響軸承壽命的共性問題仍具有重要的參考價(jià)值。 

2.3 測(cè)試系統(tǒng)選擇

由于被測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所采用的傳感器必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。由應(yīng)變片與彈性元件所組成的電阻應(yīng)變式傳感器可根據(jù)被測(cè)物體的結(jié)構(gòu)與受力狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。被測(cè)信號(hào)為力參量，因此選用由電阻應(yīng)變儀與記錄儀所組成的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作可靠，抗干擾強(qiáng)，適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。為了提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，在軸承座表面相應(yīng)位置貼了兩組應(yīng)變花，作為傳感器測(cè)試結(jié)果的補(bǔ)充。傳感器的安裝位置與測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。

3 模擬實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的目的是為了考察埋入式傳感器及應(yīng)變花對(duì)軸承徑向載荷的響應(yīng)情況。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的條件為：模擬樣機(jī)不旋轉(zhuǎn)，由千斤頂頂住軸承座兩側(cè)的凸臺(tái)，模擬彎輥力的作用效果。載荷大小由位 于千斤頂上的測(cè)力壓頭指示。

3.1 埋入式傳感器對(duì)彎輥力的響應(yīng)

圖3 （a）、（b）為埋入式傳感器裝入軸承座后的標(biāo)定曲線。圖3 （a）為1號(hào)～4號(hào)徑向力傳感器對(duì)彎輥力大小的響應(yīng)情況（4個(gè)傳感器的位置見圖2）。彎輥力作用點(diǎn)位于軸承座中心線上，橫坐標(biāo)表示彎輥力的變化，縱坐標(biāo)為各傳感器的輸出值。由圖可見， 當(dāng)彎輥力變化時(shí)各傳感器的輸出具有良好的線性與較高的靈敏度。

圖3（b）為徑向力傳感器對(duì)組合軸承偏載的響應(yīng)，造成偏載的方法是人為移動(dòng)加載裝置，使其偏離軸承中心線。橫坐標(biāo)表示千斤頂?shù)奈恢茫?點(diǎn)對(duì)應(yīng)于組合軸承的中心線，正值表示向輥身側(cè)偏移，負(fù)值表示向操作側(cè)偏移。當(dāng)千斤頂向輥身方向移動(dòng)40mm時(shí)，1號(hào)，2號(hào)傳感器信號(hào)明顯增加，反之，3號(hào)，4號(hào)傳感器信號(hào)明顯增加。說明埋入式傳感器對(duì)偏載變化反應(yīng)靈敏，完全可滿足軸承徑向載荷分布的測(cè)試要求。

3.2 應(yīng)變花對(duì)彎輥力的響應(yīng)

在彎輥力的作用下，軸承座外表面有較大的應(yīng)力變化。本實(shí)驗(yàn)采用45°應(yīng)變花，1號(hào)應(yīng)變花位于輥身側(cè)，2號(hào)應(yīng)變花位于操作側(cè)。測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值由式 （1）確定［5］。

隨著彎輥力作用位置的改變，兩組應(yīng)變花所測(cè)得的應(yīng)變與應(yīng)力如表1所示。

表中的中間位置對(duì)應(yīng)圖3（b）中的0位，偏離值與圖3（b）相對(duì)應(yīng)。由表中數(shù)據(jù)可見，隨著彎輥力作用點(diǎn)的變化，應(yīng)變花的輸出亦有較大變化。當(dāng)載荷移向輥身側(cè)時(shí)，1號(hào)應(yīng)變花的***大主應(yīng)力明顯增加，反之2號(hào)應(yīng)變花的***大主應(yīng)力值增大，說明軸承偏載可引起軸承座表面應(yīng)力分布的變化。比較圖3（b）與表1可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷作用點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，傳感器與應(yīng)變花的變化規(guī)律一致。但從數(shù)據(jù)結(jié)果看，由于軸承座軸向結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，加之安裝、約束等多方面因素，兩組應(yīng)變花的輸出缺乏規(guī)律性，當(dāng)載荷位置變化時(shí)，1號(hào)應(yīng)變花***大主應(yīng)力變化明顯，而2號(hào)應(yīng)變花***大剪應(yīng)力變化明顯，缺乏直觀對(duì)比性。而埋入式傳感器由于相對(duì)獨(dú)立，可非常直觀地反應(yīng)各列軸承的載荷變化，是一種簡(jiǎn)單可靠的測(cè)試方法。

3.3 軸承徑向載荷分布的動(dòng)態(tài)模擬

為了驗(yàn)證測(cè)試方案在軋機(jī)工作狀態(tài)下的可行性，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)速為0～19 r／min，由心軸轉(zhuǎn)動(dòng)模擬軋輥運(yùn)動(dòng)。在心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，千斤頂對(duì)軸承座加載，模擬彎輥力作用效果，各種狀態(tài)下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值如表2所示。

由表2可見，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致的規(guī)律性，但在動(dòng)態(tài)情況下，盡管所施加的彎輥力比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)小，但傳感器的輸出卻比較大，說明軸承徑向力的大小不僅與彎輥力有關(guān)，而且還與零件加工精度、裝配精度、機(jī)構(gòu)的振動(dòng)等多種因素有關(guān)。因此，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)只能作為方案可行性研究的定性分析，而不能作為***終結(jié)果取代動(dòng)態(tài)過程。 

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果

采用上述實(shí)驗(yàn)方案，課題組于1999年8月及2000年5月間對(duì)寶鋼2050熱連軋機(jī)F4機(jī)座的下工作輥操作側(cè)軸承載荷分布進(jìn)行了3次大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取得了一系列重要數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果所進(jìn)行的改造已獲得明顯效果，受到寶鋼領(lǐng)導(dǎo)與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的充分肯定，為提高大型板帶軋機(jī)軸承壽命提供了成功經(jīng)驗(yàn)。由于篇幅所限，僅列舉一組數(shù)據(jù)說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更詳細(xì)的資料參見寶鋼2050熱連軋機(jī)軸承載荷測(cè)試報(bào)告。

圖4 （a）（b），分別顯示了使用專利技術(shù)“軋輥軸承座自衛(wèi)裝置”對(duì)F4軸承座改造前后，軸承徑向載荷分布情況，兩者的實(shí)驗(yàn)條件示于表3中。

圖中，4條曲線分別表示4個(gè)傳感器在一個(gè)軋制道次中的受力情況，1號(hào)、2號(hào)位于輥身側(cè)，3號(hào)、4號(hào)位于操作側(cè)。改造前，在咬入階段，1號(hào)、2號(hào)傳感器的受力是3、4號(hào)傳感器的5倍左右，說明軸承存在嚴(yán)重偏載。而改造后，1號(hào)、2號(hào)傳感器的受力明顯降低，4個(gè)傳感器的受力趨于均勻，說明軋輥軸承座自衛(wèi)裝置具有顯著的自衛(wèi)效果，有效地減輕了軸承偏載。經(jīng)過近1年的運(yùn)行考驗(yàn)，軸承壽命明顯提高。

自衛(wèi)裝置壽命可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)良好。為此現(xiàn)場(chǎng)決定，熱連軋精軋機(jī)組F1～ F7機(jī)座全部采用自衛(wèi)裝置，對(duì)軸承座進(jìn)行改造。從曲線變化趨勢(shì)可看出，當(dāng)彎輥力施加后，空載時(shí)軸承所承受的偏載比軋制時(shí)大的多， 該結(jié)論可通過輥系受力分析得到證實(shí)，在此不再詳 述。 

5 結(jié)論

通過對(duì)寶鋼2050熱連軋機(jī)F4機(jī)座工作輥軸承載荷分布實(shí)驗(yàn)方法的研究與實(shí)際應(yīng)用證明。

（1 ）用埋入式傳感器可直接測(cè)量軸承的徑向載荷分布，而且排除了各列軸承間的相互干擾，提供 了一種新的軸承徑向力測(cè)試方法。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在軸承座外表面貼片，亦可檢測(cè)軸承徑向載荷的變化，但由于軸承座與受力不是線性關(guān)系，將給數(shù)據(jù)處理帶來很多麻煩。

（3）靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果比較，兩者存在較大差異，說明軸承徑向載荷不僅與載荷有關(guān)，還與軸承安裝與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等多種因素有關(guān)，因此不能用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果替代動(dòng)態(tài)過程。

（4）按照相似理論所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用軸承座與傳感器，結(jié)構(gòu)合理、工作可靠，完全滿足模擬實(shí)驗(yàn)要求。

（5）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，軸承徑向載荷傳感器設(shè)計(jì)合理，實(shí)驗(yàn)方案正確，軋輥軸承座自衛(wèi)裝置具有明顯的自衛(wèi)效果，能夠有效地緩解軸承偏載，提高軸承壽命。

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