冷軋機張緊輥異常抱死故障處理研究及應用*

楊建波，鄭賢坤

（云南浩鑫鋁箔有限公司 云南 昆明 650502）

1 冷軋機簡介

冷軋機以鋁鑄軋或熱軋卷材為生產坯料，經過多道次軋制，軋出成品卷材，為精整和鋁箔生產線提供坯料，速度可以達到（1 500～2 000）m/min。來料為：厚度（5～10） mm，寬度（800～2 150）mm，成品厚度最薄約0.15 mm的鋁及鋁合金卷材。冷軋機具有先進的厚度自動控制系統AGC及板形控制系統AFC，確保良好的厚度和板形控制精度。采用PLC（可編程控制器） 進行數字邏輯運算、參數設定、自動化過程控制等，整機自動化程度高。設備主要組成為：活動支撐、開卷機、攆頭輥、入口夾送偏導輥、液壓剪、張緊裝置、軋輥輥系、主機、出口轉向輥、熨平輥裝置、卷取機、運卷小車、液壓裝置，潤滑系統、煙霧可收裝置、軋制油控制系統、減速箱及電機等，配備安全可靠的CO2自動滅火系統、結構圖見圖1所示。

圖1 冷軋機結構圖Fig.1 Structural diagram of cold rolling mill

2 張緊輥功能及存在問題

軋機張緊裝置位于帶材入口端，通常配置數量為3根或5根，材質42CrMo4，表面硬度要求（50～60） HRC，粗糙度Ra（0.3～0.5） μm。其主要功能為：將帶材引入軋機并在帶材入口產生所需要的反向張力，同時具有平整帶材的作用。

目前，先進的高速冷軋機，入口均配置有5支輥或3支輥張緊裝置，其主要作用是在軋機高速運行時穩定帶材，保證帶材不抖動、偏移，為高速穩定軋制創造條件。高速軋制及軋制高品質的帶材時對張緊輥要求嚴苛。因張緊輥屬于被動輥，軋制運行中張緊輥面與帶材易出現同步偏差，板面極易產生劃傷、張力波動、跑偏等情況，嚴重時造成產品報廢、軋制斷帶、軋機起火等。為此張緊輥的穩定運行是軋機高速、高質的重要條件[1]。冷軋機張緊輥異常抱死，長期困擾著設備維修人員和工藝技術人員，給生產組織帶來重大影響。

2.1 張緊輥結構

張緊輥主要結構由張緊輥裝置和升降裝置組成，見圖2所示，裝置中應用了諸多軸承，冷軋機張緊輥異常抱死故障和軸承有直接關系。

圖2 張緊輥裝置結構簡圖Fig.2 Device diagram of tension roll

2.2 張緊輥軸承

軸承是當代機械設備中的重要零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數，保證其回轉精度。按運動元件摩擦性質的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。認真了解各種軸承的特性，有助于正確應用各類軸承，減少因軸承問題導致的設備事故，提高維護人員工作效率，節約維護成本。滾動軸承是由內圈、外圈、滾動體和保持架等元件組成。工作時滾動體在內、外圈的滾道上滾動，形成滾動摩擦。它與滑動軸承相比具有摩擦小、效率高、軸向尺寸小、調整迅速及拆裝方便等優點。冷軋機張緊輥軸承屬于滾動軸承，具體參數見表1。

表1 軸承參數Tab.1 Parameters of bearings

3 張緊輥軸承失效原因分析

冷軋機相關參數：軋機最高速度1 500 m/min、五輥外徑270 mm、五輥長度2 400 mm、最大張力100 kN、五輥壓下力4.396 kN（油缸活塞桿約100 mm，壓力14 MPa）。根據原有結構，對裝配情況進行以下排查：

1）核對所有尺寸，確認軸承旋轉部位是否和固定部位有接觸：維修人員拆卸張緊輥對軸承位置尺寸進行核對，沒有發現有接觸點；

2）核對軸承內圈與軸定位是否存在問題：核對后未發現問題；

3）確認一側內圈和外圈完全壓緊，另一側外圈能浮動，沒有發現問題。

再按照軋機參數計算軸承選型是否存在問題：①計算軸承轉速：實際軸承轉速=機列速度÷輥周長=1 500÷0.873=1 718 r/min；②軸承當量動載荷計算：通常指施加于機械或結構上的外力；動力機械中通常指完成工作所需的功率；電機工程中則指電氣裝置或元件從電源所接受的功率。另外，有時也把某種能引起機械結構內力的非力學因素稱為載荷[2]。計算公式如下[3]：

（1） 式中：Pi為軸承當量動載荷，kN；Xi為徑向動載荷系數；Yi為軸向動載荷系數；當i為零時，P0為軸承當量靜載荷，kN，X0為徑向動載荷系數，Y0為軸向動載荷系數；Fr為軸承實際徑向動載荷，kN；Fa為軸承實際軸向動載荷，kN。

實際動載荷=XFr+Y1Fa=100×2.8+0.67×4.396=282.9 kN（X、Y值來自軸承手冊），實際靜載荷=Fr+Y0Fa=100×2.8+4.396=284.96 kN。按照計算結果對比軸承原設計參數（表1中參數），此軸承載荷未超設計范圍；

4）對軸承壽命進行計算。軸承壽命受工作溫度的影響很大，在運行過程中，軸承的尺寸會因為材料內部結構的變化而變化，為了避免因結構的改變導致尺寸的變化，需要對軸承做特殊熱處理，即對尺寸穩定性提出特殊要求。

根據ISO 281標準，軸承的基本額定壽命為[3]：

如果轉速是固定的，軸承的壽命通常以工作小時來表示，公式即為[3]：

（2）～（3）式中：

L10為基本額定壽命（90%可靠性），百萬轉；

L10h為基本額定壽命（90%可靠性），工作小時；

C為基本額定動載荷，kN；

P為軸承當量動載荷（實際載荷），kN；

n為轉速，r/min；

p為壽命公式中的指數，對于球軸承，p=3，對于滾子軸承，p=10/3。

軸承額定壽命L10=（C/P）p=（325÷24）3=2482.3百萬轉，張緊輥最大當量載荷按照最大帶材張力24 N/mm2進行計算，輥最大受力為輥面50%面積接觸板面時，即：P=24 kN。

軸承額定壽命L10h=（106/60n）L10=24081工作小時 （n=1718 r/min）

冷軋機張緊輥每個月出現問題，軸承未達到額定壽命時間；

5）潤滑情況檢查。為了優化軸承配置的使用壽命，必須在適當的時間提供正確數量的適合潤滑劑。正如潤滑劑數量不足將對軸承性能造成負面影響，潤滑劑過量同樣如此。潤滑不足約占所有軸承失效情況的36%，原因包括：潤滑劑選擇不當、潤滑不足、潤滑過量、補充潤滑間隔時間不當、軸承配置設計較差、裝配不正確。此外潤滑劑被污染造成軸承失效概率可高達50%。

潤滑脂補給量的計算：

從軸承側面補給的潤滑脂量可根據以下公式估算[3]：

從軸承外圈或內圈補給的潤滑脂量可根據以下公式估算

（4）～（5） 式中：GP為補給量，g；B為軸承寬度（圓錐滾子軸承用T，推力軸承用H），mm；D為軸承外徑，mm。

補給量GP=0.002DB=12.8 g，根據每天油氣潤滑油的消耗量每支輥約15 g判斷，潤滑沒有問題。

同時對油氣壓縮風量進行排查，從原設計的0.25 MPa調整至0.6 MPa，主要考慮冷卻問題。在風壓調整過程中，對出風口進行測溫，保持在（37～39） ℃范圍內，未發現異常；

6）游隙情況檢查。游隙按方向分為徑向游隙和軸向游隙[4]，徑向游隙：即軸承一個套圈固定不動，另一個套圈在垂直于軸承軸線方向，由一個極限位置到另一個極限位置的移動量；軸向游隙：即軸承一個套圈固定不動，另一個套圈在軸線方向，由一個極限位置到另一個極限位置的移動量。兩類游隙有密切的關系，一般徑向游隙愈大，則軸向游隙也愈大，反之亦同[5]。查證后可知，現用軸承游隙為常規游隙，移動量正常；

7）張緊輥熱膨脹量檢查。對現場跟蹤研究分析發現，張緊輥在生產過程中最高溫度達到100℃以上，考慮輥變形等因素，對熱變形量進行研究：普通碳鋼、馬氏體不銹鋼的熱膨脹系數為1.01，奧氏體不銹鋼為1，普通碳鋼1米1度1絲，即1 m的鋼溫度升高1℃放大0.01 mm，而不銹鋼為0.016 mm。室溫為28℃，當輥身溫度達到100℃時，輥身熱膨脹量達到0.72 mm，遠遠超過軸承游隙及浮動量。

根據以上研究分析，判定軸承抱死的根本原因為：熱膨脹導致輥變形膨脹量過大及輥動平衡變差。產生的過程為：隨著輥自身溫度的升高，輥芯和輥套的熱膨脹量不一致，膨脹量遠遠大于軸承游隙，軸承在軸向方向受到輥膨脹帶來的推力導致完全抱死。這樣的結構在生產實際中應用很多，特別是被動過渡輥，因自身重量輕，受正壓力作用后輥變形嚴重，軸向力容易損壞軸承，加之自身熱膨脹更容易損壞軸承。雖然使用調心軸承，已經考慮輥熱變形或裝配時軸承與輥的同芯問題，但沒有考慮軸向游隙變化或者軸向竄動的問題。所以軸承選型時應采用一端調心定位一端浮動調心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性。

4 新用軸承選型

目前張緊輥兩端使用的軸承為球面滾子軸承，屬于自調心軸承，可以承受較大的對中誤差。球面滾子軸承的內外圈之間浮動量較小，考慮輥身發熱量較大，需要一定量的浮動尺寸彌補，在圓柱滾子軸承和CARB圓環滾子軸承兩種軸承中選擇其中一種。圓柱滾子軸承內外圈可以確保大的浮動量，但調心功能差。在對鋼輥熱變形量計算時發現，雖然熱變形量可以被計算，但自身的剛度變形隨產品的變化各不相同，很難準確把握。如果采用圓柱滾子軸承，將無法克服輥剛性變形導致的同心度變化，軸承依然容易損壞。CARB圓環滾子軸承，它的特性在于左右都可以浮動，而且浮動范圍比較大，可以更好地彌補熱變形量，同時具有較好的調心功能。

根據軸承裝配及應用選型原則，考慮更改軸承結構滿足工況需求，具體分析如下：①尺寸及參數滿足表2要求：內、外圈尺寸和原有軸承尺寸一致，載荷和額定轉速大于等于實際計算值，就能滿足使用要求；②軸承結構選擇：考慮軸承內、外圈可以浮動避免熱變形將軸承卡死，同時具有調心功能，彌補動平衡變化帶來的甩動。通過查閱軸承手冊確定結構為圖3所示，最終確認軸承型號為：C2218[6]。

表2 滿足使用要求的軸承參數Tab.2 Bearing parameters in accordance with operating requirements

圖3 軸承選型對比Fig.3 Comparison of bearing selection

軸承C2218具體參數如表3所示，經對比滿足使用要求。

表3 軸承C2218具體參數Tab.3 The specific parameters of C2218 bearing

5 改進措施及效果

5.1 改進措施

各種軸承系統必須滿足：固定端/浮動端軸承系統、預調整軸承系統及浮動式軸承系統的要求[7]。尤其是高速軸承系統，內外圈一定要確保與端蓋和輥臺完全配合無間隙，否則軸承在端面形成滑動，導致軸承和接觸面磨損報廢。同時軸承裝配嚴格執行熱裝要求，避免蠻力敲打或直接作用力于保持架和滾動體上，防止裝配時就損失軸承。具體實施步驟如下：

1）任意選擇一支張緊輥進行軸承改造，將其中一端軸承取出，認真清理；

2）核對裝配尺寸，在軸上涂抹干凈潤滑油；

3） 將型號為22218軸承替換為C2218軸承，新軸承加熱至95℃，裝配到軸上，壓緊端蓋；

4） 把改進軸承后的張緊輥裝配到冷軋機上，通油氣潤滑30 min，然后開始正常使用；

5）正常使用過程中，冷軋每道次結束后對張緊輥轉動情況進行檢查；

6）運行24 h后，手動旋轉張緊輥對比改造和未改造之間的旋轉靈活度差異，發現改造過的張緊輥旋轉速度未發生改變，而未改造的明顯有卡阻現象。

5.2 應用效果

1）滾動軸承：一個完整的軸承系統不僅僅包括軸承，還有其它相關部件，如軸和軸承座等。必須供應正確劑量的適用潤滑劑，以減少軸承中的摩擦并防止腐蝕。在不同的工況環境下，軸承的選型非常重要，軸承結構和使用方式的不同，導致其失效的原因多樣化。潤滑不良和發熱導致軸承疲勞破損是事故發生的主要原因，認真了解各類軸承的特性尤為重要，特別是裝配同心度的達標，使用過程中軸承的潤滑和冷卻是日常軸承保養維護的重點工作。通過本次分析研究及改造，冷軋機張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計劃性檢查，確保生產組織有序開展，降低風險減少維護量；

2）熱膨脹變形：溫度的變化而引起物體的變形稱之為熱變形[8]。在高溫旋轉的結構中，一定做好日常溫度監控，充分考慮金屬的熱膨脹量，通過計算合理調整間隙，同時定期對輥、軸及相關部件進行動平衡測試，及時進行補償校準。張緊輥熱變形是隨著溫度的逐漸升高，輥套和輥芯溫差導致膨脹量不一致，使軸承受到過大的軸向力抱死。研究和分析熱膨脹變形，能幫助維修人員快速有效分析查找問題。

6 結語

1）冷軋機張緊輥每個月出現問題，所用軸承未達到額定壽命時間；

2）軸承抱死的根本原因為熱膨脹導致輥變形膨脹量過大及輥動平衡變差；

3）軸承選型時應采用一端調心定位一端浮動調心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性；

4）通過新用軸承的選型改造，冷軋機張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計劃性檢查，確保生產組織有序開展，降低風險減少維護量。