袁海永，李明，周軍

（寧波寶新不銹鋼有限公司）

摘　要：結合二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承的結構特點和工作條件，論文分析了軸承在使用過程中出現外圈爆裂的機理及原因，提出了相應的改進措施，并進行了實際使用驗證。

1、引言

支承輥軸承作為二十輥軋機關鍵輥系組成部分，直接影響軋機的可靠性、安全性、壽命及軋制帶鋼的質量。支承輥軸承本身要求精度非常高，旋轉精度需達到P4級以上。軸承需要定期維護，以保證使用質量。

寶新公司有兩臺二十輥SUNDWIG四立柱單機架可逆式軋機，Z大軋制力800t，Z高速度800m/min。該型軋機支承輥軸承共有8根，位置呈六邊形分布，位于6根二中間輥外側，每根為9段式軸承結構為雙列圓柱滾子軸承，無止推墊片，有分離式擋邊圈。在前期生產過程中，支撐輥易出現外圈爆裂剝落現象，給現場正常生產及質量控制造成較大影響。其主要失效表現形式為：外圈軸向出現嚴重開裂剝落，外圈擋邊開裂剝落等，如圖1、圖2。

2、支承輥軸承外圈爆裂原因分析

2.1、軸承材質、硬度檢測分析

通過對外圈爆裂軸承和正常軸承硬度進行檢測對比，未發現明顯異常，如表1、表2；對材質進行檢測對比，在微觀組織下，外徑側、滾道側的馬氏體組織都呈現良好的組織情況，另外，內部因為是肉厚品，確認有托氏體，如圖3、圖4。因此后續重點對軸承的受力情況和軸承結構進行調查分析。測定位置從各零件的側面測定（滾子為端面），表面硬度測定結果如下。從上兩表數據分析，爆裂軸承和正常軸承的區別在于，內圈的表面硬度不同，其它部分，爆裂軸承和正常軸承都具有相同的表面硬度。外圈、內圈、擋圈為60HRC左右的表面硬度，滾子為64HRC程度的高硬度。

2.2、受力分析

2.2.1、整根支承輥軸承受力分析

圖5為整根支承輥軸承承受載荷、單個軸承兩列滾動體和內外滾道接觸受力大小情況。軋制過程中整根支承輥軸承受撓曲變形影響，中間軸承5受力Z大，考慮到中心位置附件撓度曲率變化較小，可近似的認為軸承5受均勻的壓力。但出于兩側的軸承（特別是3、4、6、7）由于撓度曲率變化較大，受力情況將有所變化。

以軸承6為例，如圖6所示，由于軸承面以及滾動體等塑性變形的影響，芯軸的撓度將遠小于二中間輥，因此，軸承所受壓力F將于芯軸成一定角度。故分解后，軸承將受到一個平行于芯軸方向的軸向力F1，軸向分力F1依靠軸承滾道側壁及擋邊抵消。若軋制力過大或者凸度設計不合理，將使支承輥軸承撓度增大，從而增大軸向分力F1。一旦分力F1超過軸承設計承受能力，將使滾動體端面、軸承側壁及擋圈磨損，如圖2，以至Z后剝落及開裂。同時，由于撓度的存在，將使兩側滾動體受力不均勻，形成偏載，靠近中心位置側受力較大，遠離中心位置側受力較小，若偏載過大，將導致偏載側滾道磨損嚴重，甚至剝落開裂。Z終撕裂外圈，如圖7。

2.2.2、輥系受力分析

如圖8，若軋制線前后高度不一致，將使整個輥系受力不均，軋制時將產生軸向分力，作用于支承輥軸承上將導致滾動體端面、軸承側壁及擋圈磨損。軋制過程中一中間輥橫向竄動，竄動力將通過摩擦力反作用于二中間輥，Z后傳遞到支承輥軸承上。若一中間輥竄動力過大，也可能導致軸向力過大。因此，應該減小竄動過程中的摩擦力。考慮到壓力的不可控，因此，應盡量減小一中間輥和二中間輥的摩擦因子。

2.2.3、軋制力情況分析

表3為軋機正常軋制階段、異常軋制階段及各支承輥爆裂階段軋制鋼種占比平均數據。由表中數據可以看出：（1）正常階段與異常階段軋制各鋼種比例未發生較大變化；（2）支承輥軸承爆裂多發生于軋制200/300系鋼種階段，即軋制力較大階段。

2.3、軸承結構分析

目前國內不銹鋼冷軋廠同類型二十輥SUNDWIG軋機使用NSK等進口軸承軋制過程中也存在軸承外圈爆裂問題，而且軋制工況比寶新好，如軋制力比寶新小。結合現場工況，該軸承實際已經無法承受寶新公司SUNDWIG軋機軋制負荷的能力，故對軸承結構進一步進行分析。

2.3.1、外圈輥型分析

如圖9所示，二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承分布有兩列滾動體，由于軸承外圈輥面采用中部水平，兩端倒角的設計，理論上單個支承輥軸承設計的受力區域為兩端倒角處偏向于軸承中心5~10mm處（如圖9、圖10中①、③位置），該受力位置對應滾動體倒角區域，兩處疊加不利于軸承的使用壽命。

2.3.2、外圈結構分析

（1）圖11為外圈結構示意圖，外圈設計有擋邊，軋制過程中承受一定軸向力，長時間的使用會導致滾動體端面和擋邊端面出現磨損拉毛，嚴重時會發生擋邊擠爆開裂。

（2）外圈擋邊的存在使檢查存在盲點，滾動體無法取出對外圈滾道進行全面仔細的檢查，小剝落、小裂紋等缺陷的檢查會出現遺漏，造成嚴重的爆裂、卡阻等生產事故。

（3）外圈肉厚為40mm，其強度本身無法滿足寶新公司現有軋制工況。綜合以上分析，導致SUNDWIG軋機支承輥軸承爆裂可能原因為：

（1）受力異常導致支承輥軸承爆裂。軋制力過大、凸度設計不合理，軋制線傾斜以及一中間輥竄動力過大均有可能產生較大軸向力，若超過軸承承受極限，則造成軸承橫向撕裂。

（2）軸承外圈結構、輥型設計不合理造成支承輥軸承爆裂。單個軸承外圈倒角應力集中位置與滾動體倒角位置重疊，造成軸承倒角位置承載能力薄弱。外圈設計有擋邊，承受軸向力時會導致滾動體端面和擋邊端面出現磨損擠爆開裂，而且在維護時也不便檢查外圈內滾道使用狀態，存在維護盲點。

3、解決措施

3.1、改善軸承受力狀態

（1）軸承下機調壓力區時，標注軸承的操作側、傳動側位置，檢查軸承內、外圈和滾動體無異常后，單個軸承軸向旋轉180°后在原位置重新組裝。避免出現單側滾動體和內外圈滾道長期出現偏載的情況，使兩列滾動體和內外圈在多次使用過程中能夠得到相對均勻的承載。

（2）調整大軋制力鋼種（300系及200系鋼種）的軋制規格，規定其Z大壓下率、Z小可軋制厚度和可軋寬度并調整特定規格的壓下率和道次分配數。

（3）調整SUNDWIG軋機一中間輥竄動速度，提高竄動速度以及起始竄動速度，減小整個輥系竄動過程中的軸向力。

（4）增大二中間惰輥凸度，補償支承輥撓度。

3.2、改進軸承結構

調整軸承外圈輥型。保證軸承外徑誤差在10mm范圍之內的同時，加大單個軸承的倒角寬度，由原來的15mm調整至20mm，斜率不變。雖然軸承承載面減少，降低了軸承承受載荷的能力，但理論上可以減少滾動體產生塑性變形后外側倒角區域和外圈滾道面的應力集中，使兩列滾動體和內外圈滾道受力更加均勻，從而降低軸承外圈開裂的概率。

改進軸承結構及熱處理方式。由于軸承的外形尺寸無法改變，其主要失效形式為外圈爆裂，只能從軸承的內部結構上設法提高軸承外圈的承載能力和使用壽命。主要變動為外圈壁厚增加，內圈、滾動體直徑減小。采用中擋邊形式，便于維護檢查和軸承內部的剝落顆粒排出。在此基礎上對外圈熱處理工藝進行了提升，提高軸承的抗沖擊韌度和斷裂韌度，外圈內滾道面進行滲碳處理，以提高其表面抗疲勞性。改進型軸承示意圖如圖12。

3.3、保證裝配質量

組裝維護時，做好對軸承本身滾道、滾動體、擋邊、保持架的檢查，并使用壓縮空氣對芯軸及潤滑孔進行吹掃，清除異物。

4、實際使用情況驗證

SUNDWIG軋機支承輥軸承改善受力狀態和潤滑條件后，經過半年跟蹤，由改進前的月均2.2次，降低為改進后的0.51次；改進軸承結構后，經過半年的跟蹤，完全避免了SUNDWIG軋機支承輥軸承爆裂的發生，效果十分顯著。

5、結語

二十輥SUNDWIG軋機支承輥軸承在使用中出現外圈爆裂的原因主要有：一是由于軋制力提高后，軸承的軸向力也大幅提高，導致軸承滾動體和軸承外擋邊磨損加劇直至爆裂；二是軸承結構設計不合理，外圈外擋邊的存在和壁厚不足在承受大軸向力工況時出現引導式磨損、開裂。對此，根據生產現場實際環境，提出了相應的改進措施，通過實際使用驗證，徹底解決了二十輥SUNDWIG軋機支承輥滾軸承爆裂問題。

（來源：第十二屆中國鋼鐵年會；2019-10-15）