摘 要：通過對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)果對研究軸承破壞機(jī)理具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)研究 測試技術(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)研究兩方面對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。現(xiàn)場統(tǒng)計資料表明，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

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)場實(shí)測的順利進(jìn)行，必須先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，為現(xiàn)場實(shí)測奠定基礎(chǔ)。

2.1 軸承徑向載荷分布測定方案

要準(zhǔn)確地測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，這種測試方案具有相當(dāng)難度，目前尚未見到有關(guān)報道。通過深入的理論分析與反復(fù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計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、安裝及軸承座的設(shè)計必須滿足條件：

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軸承座進(jìn)行了分析［3］，為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計提供了理論依據(jù)。 

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計

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)臺架上，軸承座內(nèi)安裝有芯軸，由電機(jī)帶動芯軸旋轉(zhuǎn)，模擬軋輥運(yùn)動，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)果對研究測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值。 

2.3 測試系統(tǒng)選擇

由于被測對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所采用的傳感器必須進(jìn)行專門設(shè)計。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)被測物體的結(jié)構(gòu)與受力狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。被測信號為力參量，因此選用由電阻應(yīng)變儀與記錄儀所組成的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作可靠，抗干擾強(qiáng)，適合現(xiàn)場實(shí)測。為了提高測試結(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，作為傳感器測試結(jié)果的補(bǔ)充。傳感器的安裝位置與測試系統(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，模擬彎輥力的作用效果。載荷大小由位 于千斤頂上的測力壓頭指示。

3.1 埋入式傳感器對彎輥力的響應(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～4號徑向力傳感器對彎輥力大小的響應(yīng)情況（4個傳感器的位置見圖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）為徑向力傳感器對組合軸承偏載的響應(yīng)，造成偏載的方法是人為移動加載裝置，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40mm時，1號，2號傳感器信號明顯增加，反之，3號，4號傳感器信號明顯增加。說明埋入式傳感器對偏載變化反應(yīng)靈敏，完全可滿足軸承徑向載荷分布的測試要求。

3.2 應(yīng)變花對彎輥力的響應(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號應(yīng)變花位于輥身側(cè)，2號應(yīng)變花位于操作側(cè)。測試點(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)變花所測得的應(yīng)變與應(yīng)力如表1所示。

表中的中間位置對應(yīng)圖3（b）中的0位，偏離值與圖3（b）相對應(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，1號應(yīng)變花的***大主應(yīng)力明顯增加，反之2號應(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，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，1號應(yīng)變花***大主應(yīng)力變化明顯，而2號應(yīng)變花***大剪應(yīng)力變化明顯，缺乏直觀對比性。而埋入式傳感器由于相對獨(dú)立，可非常直觀地反應(yīng)各列軸承的載荷變化，是一種簡單可靠的測試方法。

3.3 軸承徑向載荷分布的動態(tài)模擬

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

由表2可見，動態(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，但在動態(tài)情況下，盡管所施加的彎輥力比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時小，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)果取代動態(tài)過程。 

4 現(xiàn)場實(shí)測效果

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)場實(shí)測，取得了一系列重要數(shù)據(jù)，根據(jù)測試結(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)軸承載荷測試報告。

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個傳感器在一個軋制道次中的受力情況，1號、2號位于輥身側(cè)，3號、4號位于操作側(cè)。改造前，在咬入階段，1號、2號傳感器的受力是3、4號傳感器的5倍左右，說明軸承存在嚴(yán)重偏載。而改造后，1號、2號傳感器的受力明顯降低，4個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，對軸承座進(jìn)行改造。從曲線變化趨勢可看出，當(dāng)彎輥力施加后，空載時軸承所承受的偏載比軋制時大的多， 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)與動態(tài)測試結(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)果替代動態(tài)過程。

（4）按照相似理論所設(shè)計的實(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)場實(shí)測結(jié)果表明，軸承徑向載荷傳感器設(shè)計合理，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。

【參考文獻(xiàn)】

1 陳志健.冷連軋機(jī)工作輥軸承載荷分布研究：［碩士學(xué)位論文］.北京：北京科技大學(xué)，1986.

2 Ebaugh R L.Chock and Roll Maintenance and its Effect on Work Roll Bearings．Iron and Steel Engineer， 1978，64～68．

3 束學(xué)道.軋輥軸承負(fù)荷特性數(shù)值解析.重型機(jī)械，1999，（1 ）：31～37 .

4 丁漢哲主編.實(shí)驗(yàn)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983 .21～34.

5 沈久珩主編.機(jī)械工程測試技術(shù).北京：冶金工業(yè)出版社，1991 .188～193 .

6 黃慶學(xué).寶鋼2050軋機(jī)組合軸承載荷特性的邊界元法解析及實(shí)驗(yàn)研究.機(jī)械工程學(xué)報，2001 ，（2）：43～47 .