摩根五代高线轧机油膜轴承探讨
发布时间：2013-04-09 浏览次数：850
刘秀芹
（唐山钢铁公司第二线材厂）
摘 要：根据油膜轴承的工作原理、雷诺（Reynolds）方程及高线轧机对油膜轴承的要求，分析油膜轴承的结构、材料及在安装使用中应注意的问题。
关键词：油膜轴承；原理；结构；材料；使用
唐钢高线厂二车间的线材生产设备是北钢院仿摩根五代设计，由西航生产制造的高速线材轧机，其轧制速度Z高可达90m/s，到目前为止，是我国生产的轧制速度Z高的线材轧机。整台设备的机械部分大多数由国内制造，只有少数零件是进口，如油膜轴承，可见油膜轴承之重要。这是因为除油膜轴承自身原因外，由于安装问题，供油问题，轧机进水，油中杂质等原因都会导致抱瓦，造成重大设备事故。所以各高线生产厂家都非常重视油膜承，90m/s以上高线轧机大多数都使用进口轴承。我厂高线轧机在试生产时，由于备件质量问题造成经常烧瓦，致使进口油膜轴承备件不足，几乎影响生产。进口备件的供货周期长和价格高，我们应该考虑用国产油膜轴承来取代。
1 油膜轴承工作原理
首先我们来揭开高线轧机油膜轴承神秘的面纱。高速线材轧机的特点就是高速重载，用滚动轴承难以承受，用滑动轴承是Z理想的选择。滑动轴承是用润滑介质来减少摩擦副之间的摩擦，从而减少摩擦副之间的磨损。润滑介质粘度愈大，则摩擦副抗径向载荷能力愈强。对于大轧制力的高线轧机，通常是用高粘度润滑油作润滑介质。这种以润滑油作介质的滑动轴承就叫油膜轴承。
高线轧机油膜轴承都是动压轴承，其工作原理是：轧制过程中，由于轧制力的作用迫使轧辊轴轴颈偏离油膜轴承中心，使油膜轴承与轴颈之间的间隙形成两个区域，一个叫发散区（ 沿轴颈转动方向间隙逐渐增大） ，另一个叫收敛区（沿轴颈转动方向间隙逐渐减小）。润滑油借助供油系统的压力进入油膜轴承后，转动的轴颈把具有一定粘度的润滑油带入收敛区和发散区。在楔形收敛区，有粘度的润滑油从大间隙处挤入小间隙处，从而形成压力。间隙越小，压力越大，Z小油膜厚度处（即收敛区和发散区的分界处）压力Z大。润滑油一进入发散区后，压力立即消失。润滑油收敛区各点处压力的合力（承载力）作用的轴颈上，与作用在轴颈上的轧制力方向相反，当承载力小于轧制力时，轴颈沿轧制力方向移动，收敛区的楔形变陡，即楔形的梯度变大，承载力也随之变大直至等于轧制力。当转速和轧制力发生变化，轴颈的工作位置也会相应发生变化。
2 雷诺（Reynolds）方程
油膜轴承间隙内各点的油膜压力与其位置坐标、轴颈转速、润滑油粘度、油膜轴承间隙之间的关系可用Reynolds 方程来描述。Reynolds方程是一个偏微分方程，只有在进行了许多理想的假设后才可能求出解析解，其数值解只有借助于计算机方可求出。由Reynolds方程本身我们可以发现一些规律。油膜压力求出后，对其进行积分等运算就可求出承载力。油膜压力沿周向和轴向分布图见图1和图2，承载力随偏心率ε（偏心距/半径间隙）变化曲线见图3。其中：F表示轧制力，W表示承载力，V表示速度，e表示偏心距，W表示偏位角。影响承载力的主要因素包括轴颈速度、润滑油粘度、收敛区楔形梯度。轴颈转速越快轧制力越大，润滑油粘度越大承载力越大。但润滑油粘度随温度增高而降底，温度又随轴颈转速增大而升高，所以虽然轴颈速度提高，但受润滑油粘温特性限制，承载力提高的幅度受到影响。另外，油膜轴承内表面因油膜压力大产生的弹性变形及因轧制力大而产生的轴颈挠度变形都会影响收敛区楔形梯度，使之变小，从而使承载力变小。
3 高线轧机的特点对油膜轴承提出的要求
摩根五代高速线材轧机是以高速重载为其主要特点，它给油膜轴承提出了以下要求：
（1）高速带来的问题是润滑油的温升，要求油膜轴承具有很好的散热能力。
（2）重载带来的问题是轴颈的挠曲，要求油膜轴承具有一定的自位能力。
（3）重载带来的第二个问题是油膜轴承内表面变形的问题，要求油膜轴承具有一定的抗变形能力。
4 油膜轴承的结构
油膜轴承的结构尺寸主要有外径、宽度、壁厚、轴承油槽、油腔等，选择油膜轴承结构参数的目的就是要使流入轴承间隙内的润滑油的流量增大，以带走因高速而产生的温升；增大投影面积( 油膜轴承内径乘以宽度) 和收敛区楔形的梯度，以提高承载力。不同机架上油膜轴承的外径和宽度虽有不同，但其长径比都在0.7左右。当轴承外径由轧机辊箱确定之后，壁厚越厚则轴承内径越小，润滑油流量也越小，同时投影面积也越小，Z终导致承载力降低，所以摩根油膜轴承的壁都很薄。另外，6''摩根油膜轴承的壁厚沿周向从中间向两边逐步减薄，使油膜轴承的内表面成为一个椭圆，从而增大了楔形梯度，提高了承载力。摩根油膜轴承随着高线轧机的轧制速度和轧制力的提高，其外圆直径和油腔结构也在不断改进。以6''油膜轴承为例，三代摩根高线轧机为Ø108mm，油腔结构见图4，五代摩根高线轧机为Ø127mm，油腔结构见图5。
从图4的油腔结构可以看出，只有一个油孔进油，进入油膜轴承间隙内的润滑油，首先得通过狭窄的周向油槽再到轴向分油槽，将润滑油沿周向分开，润滑油流量小、油阻大。而从图5我们可以发现有四个油孔可以进油，进入油膜轴承间隙内的油，立即在油腔内沿轴向散开，润滑油流量大，油阻小。所以摩根五代比摩根三代油膜轴承润滑油流量更大，温升更低，更适合高速工况。另外，为了减小由轧制力产生的轴颈挠度变形，摩根高线轧机在轧辊轴颈上预先加工出了一个锥度。
5 油膜轴承的材料
传统轧机的油膜轴承材料大多采用钢－巴氏合金二层金属材料，这是因为巴氏合金具有很好的镶嵌性和顺应性， 同时具有很低的摩擦系数，但当油膜压力达到14MPa时，其弹性变形不可忽略。铜铅合金的摩擦系数同样低，其抗变形能力和热传导能力均优于巴氏合金，只是镶嵌性和顺应性不如巴氏合金。如果在铜铅合金上再复合上一层巴氏合金，则可将巴氏合金和铜铅合金的优点都发挥出来。摩根油膜轴承就是采用这种钢－铜铅合金－巴氏合金三层金属材料。实际上复合材料有五层，在铜铅合金与巴氏合金之间有一层镍栅层，整个外表面还有一层防护层。巴氏合金层中的锡主要是起抗有机物质的腐蚀，但锡原子很容易扩散到铜合金层去，用镍栅层来阻挡，以提高油膜轴承的抗腐蚀性能。表面防护层是对整个表面起防锈作用。由于整个轧钢过程中，轧制力是以矩形波的形式出现，承载力也是以矩形波的形式作用在油膜轴承的内表面，对巴氏合金层产生一种疲劳工况，因此巴氏合金层不能太厚，一般都在0.05mm左右。三层金属材料油膜轴承不仅利用了巴氏合金的镶嵌性和顺应性好的特点，还利用了铜铅合金抗压性和散热性好的特点，很好地满足了高线轧机高速重载对油膜轴承提出的性能要求，因而被广泛地应用地各类高线轧机上。三层金属材料油膜轴承还有一个特点，就是便于工人掌握更换的时机，油膜轴承如果露铜，就该更换了。
6 油膜轴承使用中应注意的几个问题
了解了油膜轴承的工作原理、结构和材料，我觉得它并不神秘。国产油膜轴承是完全可能替代进口摩根轴承，以降低成本，保证正常生产。但在生产中，还应该注意以下几个问题：
（1）油膜轴承在储运过程及装配过程中不许碰伤内表面。
（2）油膜轴承装配应该使用装配工具，装配间必须配备医用冰箱（-80℃）。装配时，先将油膜轴承放入冰箱冰冻1h左右，迅速取出去，立即用手轻轻压入导套，再用压锤在导套内将油膜轴承压到底，然后，将导套放到偏心套上对准位置，用压锤将导套内的油膜轴承压入偏心套内。切忌用手扶加大锤打的办法进行装配，否则将可能导致油膜轴承变形，装不进辊轴。
（3）油膜轴承装配时一定要先冲洗干净再行安装。切不可将杂质带入辊箱，否则可能烧瓦。油膜轴承装配完毕， 一定要进行测量，检查油膜轴承间隙是否满足要求，同时作好记录。
（4）润滑油要经常进行化验，检查润滑油中金属杂质的含量是否超标，检查油水分离情况和润滑油中水的含量， 必要时进行处理。国内高线轧机烧瓦绝大多数情况是由于润滑油中含金属杂质或含水量超标所致。
（5）轧制过程中，要经常检查润滑油的供油压力。由于供油管不畅或过滤器堵塞而造成供油压力低，供油流量不够，形成不了油膜或温升高降低了承载力，Z后会导致烧瓦。
（6）应该定出合理的检修周期，定期对辊箱进行检修维护，及时更换油膜轴承。油膜轴承露铜就应该更换，这是因为铜铅合金虽然是很好的减磨材料，但镶嵌性不太好，如果润滑油中有金属杂质，就容易烧瓦。另外，如果更换下来的辊箱，检修以后不是放回原来的位置，那Z好也要换掉油膜轴承。因为每个机架轧制力、转速等工况都不一样，轴颈的工作位置也不一样，膜痕因此也不会一样，换到另一位置就会增加烧瓦的机会。
来源：《润滑与密封》2002年第6期
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