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20辊森吉米尔轧机支承辊轴承设计与应用研究摘 要 滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转，外圈作用是与轴承座相配合，起支承作用。滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。 随着钢铁业突飞猛进的发展，20辊森吉米尔轧机由于具有轧制压下率高，轧制控制精度高以及高产量等优点在轧钢行业显现出其独特的优势，20辊森吉米尔轧机已广泛应用于冷轧行业尤其是不锈钢的冷轧行业，几乎承担了全世界96%的不锈钢生产，并广泛轧制硅钢和碳素钢以及各种有色金属。 轧机轴承作为轧机的重要零部的重要零部件，而且轧辊是由轧机轴承支承的，因此轧机轴承的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率产品质量及生产成本。如何减少轧机轴承的磨损，提高轧机的工作效率，为企业创造更好的经济效益，这是摆在我们面前一个重要难题。因此，在轧辊轴承设计和实际应用中，设计与研究20辊森吉米尔轧机支承辊轴承具有重要的学术价值。关键词：森吉米尔轧机，滚动轴承，设计，应用研究Sendzimir rolling mill目 录前 言1第一章 绪论21.1 课题的目的与意义21.2 国内外有关课题的研究现状21.3 课题设计研究的内容及方法3第二章 20辊森吉米尔轧机概述52.1 轧机简介52.2 轧机结构特点6第三章 20辊森吉米尔轧机支承辊轴承概述93.1轴承的类型93.2轴承结构特点124.1轴承材料选取144.2轴承的热处理工艺154.3辊系的载荷分析174.4轴承的载荷分析184.5轴承的参数设计194.6轴承的公差选取与分析214.7轴承的优化23第五章 20辊森吉米尔轧机支承辊轴承应用研究265.1轴承的润滑265.2轴承的失效因素及预防措施28结 论31参考文献32致 谢34前 言轧机轴承是森吉米尔轧机中易磨损的重要零部件，在轧辊轴承的设计和应用研究中，如何提高支承辊轴承的使用寿命和工作性能，一直以来是轴承研究设计追求的目标，无论是轴承结构的改进，还是辅助设备的改进，近年来都有了长足的发展，但轧机轴承在使用中仍经常遇到一些问题。因此，深入研究森吉米尔轧机支承辊轴承的机理具有十分重要的学术和实用价值。本文通过对20辊森吉米尔轧机支承辊轴承的研究，从支承辊轴承结构分析、设计、安装及润滑维护等几方面进行了认真仔细的分析和探究，提出了一些解决方法，使支承辊轴承更好的满足实际生产需要，期望对轧机轴承的设计和使用有所帮助。第一章 绪论1.1 课题的目的与意义20辊森吉米尔辊轧机的轧制力从工作辊通过中间辊传到支承辊装置，并最终传到坚固的整体机架上，这种结构设计保证了工作辊在整个长度方向的支承，由于辊系变形极小，可以在轧制的整个宽度方向获得非常精确的厚度偏差，因此20辊森吉米尔辊轧机在实际应用很广，几乎承担了全世界96%的不锈钢生产，并广泛轧制硅钢和碳素钢以及各种有色金属。轧机轴承能够提高轧机设备水平，提高轧机稳定性，提高轧机产品质，它在我国轧钢行业已占据了主导位置。但同时轧机轴承是轧机中易磨损的重要零部件，使生产受到影响，给企业也造成了很大的经济损失。如何减少轧机轴承的磨损，提高轧机的工作效率率，为企业创造更好的经济效益，在轧辊轴承设计和实际应用中，轴承的承载能力和寿命问题是必须考虑到问题。因此，设计与研究20辊森吉米尔轧机支承辊轴承具有身份重要的学术的使用价值。1.2 国内外有关课题的研究现状20辊森吉米尔轧机支承辊轴承是轧制工艺过程中的易损常换件，对于这类问题的研究国内外有许多论文有所涉及。喻海良、刘相华等使用有限元分析方法模拟森吉米尔轧机工作辊的挠度，分析轧制压力、带钢宽度对轧辊挠度的影响，显示工作辊的挠度随着工作辊直径的减少和轧辊压力的增加而上升；张雁、彭涛等介绍了支承辊轴承的结构特点，从精度的保证及承载能力和寿命方面分析了支承辊厚壁轴承的应用；陈於学和杨曙年通过虚滚子的假设，得出圆柱滚子轴承各滚子的动负荷随轴承的转动周期性变化，以及径向载荷的大小、游隙、转速和滚子个数等于圆柱滚子轴承动负荷分布的关系。此外，国外轴承厂商从改进轴承结构和润滑及精度等方面提高了轧机轴承的寿命。如SKF多辊机轴承的滚子和滚道采用了对数曲线形状，改善了轴承的应力分布，接触表面采用优化抛光可改善轴承润滑；TIMKEN的Z-Spexx型森吉米尔轧机用圆柱滚子轴承采用特殊的表面处理可以提高轴承寿命并使零件敏感度低于边界润滑条件以提高轴承的使用寿命。德国的FAG能生产出内径70-180mm，外径160.02-406.42的支承轴承，最大动态径向负荷可达2550KN，最大静态径向负荷可达3450KN。瑞典SKF能生产出内径55-180mm，外径120-406.4的支承轴承，最大动态径向负荷可达1900KN，最大静态径向负荷可达3100KN。日本NSK能生产出内径31.75-180mm，外径76.2-406.42mm的支承轴承，最大动态径向负荷可达2610KN，最大静态径向负荷可达3500KN。国内某厂家能生产出内径70-260mm，外径160-520mm的支承轴承，最大动态径向负荷可达2336KN，最大静态径向负荷可达4073KN。1.3 课题设计研究的内容及方法本论文通过对20辊森吉米尔轧机结构进行认真的分析，并根据轧机实际的工作环境，分析了支承辊轴承实效原因，并针对实效提出了相应的预防措施。论文主要从以下几方面分析支承辊轴承：20辊森吉米尔轧机的辊系结构，并对其工作辊、中间辊以及支承辊的分布和调整进行了具体的剖析；分析20辊森吉米尔轧机辊系特点，支承辊轴承结构；根据轧机实际的工作环境，从结构设计、装配、润滑、过载等方面分析轴承原因，并提出相应的预防措施。针对支承辊轴承的受载情况，可以应用赫兹接触理论，分析轴承滚动体接触变形与应力计算。1881年H.R.赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形。他假设：接触区发生小变形；接触面呈椭圆形；相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。Hertz弹性接触理论在滚动轴承载荷分布计算中占有重要地位，它构成了滚动体接触变形与应力计算的基础。经典分析法假定套圈的刚度为无穷大，除局部接触变形外套圈不会产生其他形式的偏离其初始几何形状的整体弹性变形，于是内、外套圈的相对位移情况变得非常简单。正因其所得结论简单直观，便于设计应用，因而迄今为止仍然使用最多。实践证明该理论可以用于一般滚动轴承中的接触应力和变形分析，理论计算结果与试验结果较为吻合。第二章20辊森吉米尔轧机概述森吉米尔(sendzimir)轧机是最适合冷轧不锈钢、硅钢和高强度金属及其合金薄带和极薄带的轧机，而20辊森吉米尔轧机应用广泛，几乎承担了全世抖96的不锈钢生产，广泛用于轧制硅钢、碳素钢和各种有色金属。2.1 轧机简介钢铁轧制工业中，板材和带材的生产比例已超过50%，合金薄带的需求也不断地增长。在各种轧制设备中，由于轧制过程中轧辊弹性变形和轧制力较大的原因，四辊轧机不适合轧制高强度钢和精密合金的冷轧薄板和薄带。在技术可行与经济性方面采用多辊轧机冷轧薄板和薄带有着无可比拟的优越性。多辊轧机支承辊轴承的精度和寿命对轧制薄板带的生产及质量有相当重要的影响。自1932年出现第一台多辊轧机以来，多辊轧机发展很快，具有不同的结构形状和几何尺寸，机型有森吉米尔型、山特维克型，按辊系可分为6辊、12辊和20辊轧机等，但最多的是20辊轧机，其中又以森吉米尔型为主导。20辊森吉米尔型轧机的机座牌坊为内部装有成套轧辊的整体结构，刚性极高，能够充分保证工作辊在轧制方向上的稳定性及补偿小直径工作辊的挠度。工作机座是一个复杂块体，工作机座包括牌坊、支承辊系、压下装置、磨损补偿机构、辊形控制和平衡机构、传动装置、导卫、润滑和冷却参数控制系统等。20辊森吉米尔冷轧机形式是1-2-3-4型。例如ZR33-18，“Z是波兰语Zimna的第一个字母，意思是“冷”；“R”表示“可逆的”；“33”表示轧机的型号；“18”是轧制带材宽度的英寸数。20辊森吉米尔轧机是单机架可逆式冷轧机，主要适用于用于不锈钢、硅钢及合金钢等难于变形的金属板卷，主要特点是：20个轧辊环形叠加式镶嵌在具有“零凸度”的整体铸钢机架内，在轧机机架受力情况下，轧机宽度方向变形均匀且有较小的接触弧长和不易变形的小直径工作辊，使该轧机可以达到大压下量，高速连续轧制薄带钢。20辊森吉米尔冷轧机与四辊轧机或其他类型轧机的本质区别是轧制力的传递方向不同。森吉米尔冷轧机轧制力从工作辊通过中间辊传到支承辊装置，并最终传到坚固的整体机架上。这种设计保证了工作辊在整个长度方向的支承。这样辊系变形极小，可以在轧制的整个宽度方向获得非常精确的厚度偏差。2.2 轧机结构特点20辊森吉米尔轧机机架为一个整体铸(锻)钢件，并和齿轮机座安装在同一底板上。作用在工作辊上的轧制力，通过中间辊呈放射状分散到各支承辊装置上，而各支承辊装置为多支点梁的形式，将轧制力沿辊身长度方向传递给整体机架。森吉米尔型轧机的机座牌坊为内部装有成套轧辊的整体结构，刚性极高，能够充分保证工作辊在轧制方向上的稳定性及补偿小直径工作辊的挠度。工作机座是一个复杂块体，工作机座包括牌坊、支承辊系、压下装置、磨损补偿机构、辊形控制和平衡机构、传动装置、导卫、润滑和冷却参数控制系统等。20辊森吉米尔轧机辊系由2个工作辊（ST）、4个第一中间辊（OPQR）、6个第二中间辊（IKLNJM）及8个支承辊（ABCDEFGH）组成，按1-2-3-4呈塔形布置，上下对称设置在机架的8个梅花孔内。上下两个工作辊分别靠在两个第一中间辊上，上下两对第一中间辊又支承在3个第二中间辊上，而6个第二中间辊则支承在外层固定于梅花孔里的8个支承辊组上。如下图2-1和图2-2所示。图2-1 轧辊的辊系平面图图2-2 轧辊的辊系结构辊系配置的特点是在塔形支承辊组中，前排的每一个轧辊紧靠在后面的轧辊上，20辊轧机中的两小直径工作辊由四根带有斜度的中间辊支承，四根中间辊由其后的六根中间辊支承，最外是八根由一组厚壁外圈轴承、心轴及鞍座组成的支承辊。支承辊上一组厚壁外圈轴承装在同一根心轴上，心轴则靠一系列鞍座支承，鞍座均安装在轧机座的半圆形座孔里。20辊森吉米尔轧机每个支承辊的数个短圆柱轴承(亦称背衬轴承)和鞍座安装在同一轴上。除B、C辊组（见下图2-3）外，其余各支承辊结构基本相同，B、C辊组视有无径向辊形调整机构其结构有所不同。轧机中心线两侧的4个第二中间辊是传动辊，由电机通过万向接轴来传动。两个工作辊是靠4个传动辊和第一中间辊的摩擦力而驱动的。8个支承辊组的心轴及背衬轴承的位置，对机架而言是能够变化的，以准确地控制两个工作辊之间的距离(即轧机辊缝)。这是森吉米尔轧机的基本控制运动，这种控制是快速的，对轧辊而言是平行的，并且位置非常准确。图2-3 轧机的支承辊（B、C支承辊）1.厚壁外圈轴承 2.鞍座 3.心轴 4齿轮 20辊森吉米尔轧机在结构性能上有如下主要特点：(1) 具有整体铸造（或锻造)的机架，刚度大，轧制力呈放射状作用在机架的各个断面上；(2) 工作辊径小，道次压下率大，最大达60。有些材料不需中间退火，就可以轧成很薄的带材；(3) 具有轴向、径向辊形调整，辊径尺寸补偿，轧制线调整等机构，并采用液压压下及液压AGC系统，因此产品板形好，尺寸精度高；(4) 设备质量轻，轧机质量仅为同规格的四辊轧机的三分之一。轧机外形尺寸小，所需基建投资少。第三章 20辊森吉米尔轧机支承辊轴承概述在轧制生产中，轧辊与所轧金属直接接触，它是轧机使金属产生塑性变形的主要工具，而轧辊是由各类轴承支承的。因此，轧机轴承的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成本。通常20辊森吉米尔轧机支承辊轴承采用圆柱滚子轴承，因为其承载能力要比圆锥滚子轴承高。本章介绍了森吉米尔式轧机轴承的类型及使用特点，然后比照一般轴承的结构，分析了森吉米尔式轧机轴承的结构特点。3.1轴承的类型图3-1 圆柱滚子轴承（背衬轴承）结构图3-2 带有背衬轴承的支承轴和支承座架1.支承轴 2.中间辊 3.工作辊 4.背衬轴承 5支承座架图3-4 双列圆柱滚子轴承图3-5 满装双列圆柱滚子轴承3.2轴承结构特点第四章 20辊森吉米尔轧机支承辊轴承设计4.1轴承材料选取 这种轴承用钢采用电渣重熔精炼，钢材的化学成分见表4-1。表4-1 G20Cr2Ni4A化学成分表化学成分CSiMnCrNiMoCuPS质量分数0.17-0.230.15-0.400.30-0.601.25-1.753.25-3.75-0.250.0200.0304.2轴承的热处理工艺4.3辊系的载荷分析4.4轴承的载荷分析4.5轴承的参数设计4.6轴承的公差选取与分析4.7轴承的优化 轴承载荷目标函数的确定：根据圆柱滚子的特点，可以得到滚动轴承的基本额定动载荷计算公式。式中：；为接触状态系数，这里取值为0.83；Dw滚子直径，为滚子有效长度，Z为每列滚子个数，i为滚子列数，为滚子组节圆直径。额定静载荷公式为式中：F为目标函数，X为优化参数，为权数，根据目标函数对轴承性能的影响因素，取则目标函数为约束条件滚子组节圆直径滚动体直径装配角其中装配角必须满足以下条件外圈壁厚滚子长度保持架过梁宽度 第五章 20辊森吉米尔轧机支承辊轴承应用研究5.1轴承的润滑 轴承的润滑是利用油膜将相对运动的滚动表面彼此隔开，不致因粗糙点接触导致磨损过度而失效。如果能高度重视轴承润滑技术，则能长期保持稳定的性能和旋转精度。20辊森吉米尔轧机支承辊轴承的润滑原则上与其他滚动轴承的润滑基本一致，只是轴承的工作条件比较恶劣，其工作性能能否获得有效发挥在很大程度上取决于轴承的润滑情况。润滑方法、润滑剂的量和粘度取决于背衬轴承的工作条件，必须保证在轧机启动前就对背衬轴承进行润滑。5.2轴承的失效因素及预防措施结 论参考文献1 张彪，张钢等森吉米尔式轧机轴承套圈变形对载荷分布的影响J轴承2008，(11)：1-42 刘莹，郭昆峰等森吉米尔式轧机轴承的优化设计J轴承2009，(6)：5-73 焦刚，张钢等多辊轧机轴承的应用及失效对策J轴承2006，(9)：32-364 陈晓阳，马家驹滚子凸形对接触应力和疲劳寿命的影响J机电工程1993，(3)：21-245 黄亮生，王霞等中板轧机支承辊轴承的失效分析J轴承2003，(10)：11-126 朱冰多辊冷轧机背衬轴承的使用及维护J轴承2005，(6)：36-387 于孟，瞿标等20辊森吉米尔轧机辊系稳定性研究J重型机械2007，(6)：16-258 肖景顺轧机轴承失效原因分析及对策J河北冶金1999，(1)：48-509 李刚，刘亮等森吉米尔轧机油雾润滑系统改造J冶金设备2010，(1)：136-13710 张冰板带轧机中支承辊轴承的比较分析J辽宁科技学院报2007，(2)：14-3411 常煜璞冷轧机用四列圆柱滚子轴承异常失效分析及控制J轴承2009，(6)：36-3812 王献锋，陈科等滚动轴承寿命理论的发展J轴承2002，(9)：36-4013 BRajeswara Rao,Rajiv TiwariOptimum design of rolling dement bearings using geneticalgorithmsJMechanism and Machine Theory2007，(6)：233-25014 Schraudolph,RichardK.Dynamic Parameter Encoding for genetic algorithms J轴承2001，6：8-1115 陈家庆，周海圆柱滚子轴承载荷分布的理论研究J轴承2001，(6)：8-1116 于孟，瞿标等20辊森吉米尔轧机辊系稳定性研究J重型机械2007，(6)：16-2517 邓四二，贾群义等滚动轴承设计原理M北京：中国标准出版社，2008致 谢 本论文是在老师陈龙老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，朴实无华、平易近人的人格魅力给作者留下了深刻的印象，使作者受益匪浅。本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。 在本论文工作完成之际，首先向陈龙老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。论文的每一个环节都得到老师悉心的指导，每当遇到研究中的问题时，老师都提出了很宝贵的启示和建议。在两个多月的写作过程中，老师悉心的指导，使本文的研究工作得以进行并最终顺利完成。 最后感谢父母、家人和朋友们的关心和帮助，是他们的鼓励和支持给了作者战胜困难的决心和勇气。