圆棒1000t冷剪机飞轮轴承长寿命设计研究.pdf

13问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）圆棒10 0 0 t冷剪机飞轮轴承长寿命设计研究任世美（福建三钢闽光股份有限公司，福建三明36 50 0 0）【摘要】通过对飞轮前轴承承受的径向载荷进行分析和计算，重新选用新轴承，制定飞轮改造方案并优化装配结构，延长飞轮前轴承使用寿命和降低设备故障率。【关键词】圆棒；冷剪机飞轮轴承；额定动载荷Study on the Long-life Design of Flywheel Bearings of a 1000 t Cold Shears inRound BarsRen Shimei(Minguang Co.,Ltd.of Sanming Iron and Steel Co.,Ltd.in Fujian,Sanming Fujian 365000)Abstract By analyzing and calculating the radial load on the flywheel front bearing,we re-select the new bearing,formulate the flywheel modification plan and optimize the assembly structure,so as to extend the service life of the flywheelfront bearing and reduce the equipment failure rate.Key Words round bars;cold shear flywheel bearings;rated dynamic load11前言福建三钢闽光股份有限公司圆棒产线于2 0 13年11月2 5日投产，原设计年产圆棒8 0 万t，最大规格72mm9m，最小规格20mm9m，圆棒定尺采用8 50 t冷剪机剪切。随着大规格圆棒生产产量的增加，原配8 50 t冷剪机剪切能力不足，故障频繁，已无法满足大规格圆棒生产要求，因此2020年9月2 6 日用10 0 0 t冷剪机替代8 50 t冷剪机，剪切能力总体增强，但设备故障仍然很高，主要集中在飞轮轴承损坏上。从2 0 2 0 年9月2 6 日到2 0 2 1年5月2 0 日不到8 个月的时间内共出现6次飞轮轴损坏事故，累计停产时间6 4h，严重影响生产的稳顺进行，并造成巨大的经济损失。2损坏原因分析2.1损坏过程1000t冷剪机飞轮前轴承原设计采用SKF-6044M深沟球轴承，2 0 2 0 年9月2 6 日上线，2020年10 月30 日和2 0 2 1年2 月18 日两次轴承损坏后，改为TWB-6044W/C3/R2深沟轴承，结果运行2 天后于2 月2 0 日深沟轴承再次损坏，现场临时研究改造更换为2 30 44CC/W33调心滚子轴承，运行至5月6 日损坏。之后的两次损坏（2 0 2 1年5月17 日和2 0 2 1年5月2 0 日）都是使用TWB-6044W/C3/R2深沟轴承时出现的。三种轴承的使用寿命详见表1。表1三种轴承的使用寿命序号轴承4型号上线时间下线时间使用寿命/d1SKF-6044M2020.9.262020.10.30342SKF-6044M2020.10.302021.2.181113SKF-6044M2021.2.182021.2.202423044CC/W332021.2.202021.5.6755TWB-6044W/C3/R22021.5.62021.5.17116TWB-6044W/C3/R22021.5.172021.5.2032.2损坏原因分析冷剪机的工作原理：如图1所示，离合器6 和飞轮7 一起安装在输人轴3上，电机1通过V带2 把旋转动能传给飞轮7，飞轮7 旋转蓄能，待离合器接收到剪切信号动作，离合器闭合带动输人轴3旋转实现剪切；剪切结束后离合器摩擦盘与摩擦片脱离接触，输人轴与剪切机构在刹车作用下停止动作，待机等待剪切。14轮重心到轴承5的距离，1mmo轮重心到轴承4的距离，mm；m飞轮重量，t；轴承4承受的飞轮重力，KN:问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）865431-电机；2-V带传动；3-曲轴；4-轴承6 0 44M；5-轴承NU1044；6-离合器；7-飞轮；8-10 0 0 t冷剪机本体图1原设计冷剪机传动示意2.2.1轴承4的选型不合理原设计两轴承之间的间距偏小，只有2 6 6 mm，部分飞轮的重力和大部分V带张紧力的负荷都作用在轴承4上。同时，由原设计图纸可知，电机额定功率P电为16 0 kW，转速n为1490 r/min；原小皮带轮基准直径d为490 mm，小皮带轮包角，为140；飞轮本体上大皮带轮基准直径de为980mm；传送皮带为窄V带，规格型号为2 5J5-4830。根据文献11可知：P.=KAP电(1)式中：Pa-计算功率，kW；P电电机额定功率，kW；K一工作情况系数。查文献1 表8-6 可得工作情况系数K为1.8，根据公式（1）可知计算功率为：P=1.8 160=288 kW查文献1 可知：V=T dn/(60 1 000)(2）式中：V带速度，m/s;一di小皮带轮基准直径，mm;小皮带轮转速，r/min。根据计算公式（2）可知V带的速度为：V=3.141 6 490 1 490/(60 1 000)=38.2 m/s查文献1 可知：F,=500P./VZ(2.5/Ka-1)+qV2（3）式中：F皮带的预紧力，N；一Z一带的根数；Ka一包角系数；带的单位长度质量，kg/m。查文献1 表8-8 可得小皮带轮包角系数Ka为0.8 9，同时单根规格型号为2 5J窄V带的单位长度质量为0.6 93kg/m，Z-5，根据公式（3）可知皮带的预紧力为：F=500 288/38.2-5(2.5/0.89-1)+0.693 38.2=2375N查文献1 可知：F,=2ZFfsin/2（4）式中：F-压轴力，N;皮带轮包角。根据公式（4）可知，当大皮带轮的包角为18 0 时，皮带预紧力作用在轴承4上的最大径向力为：Flmax=Fma=252375=23.75kN根据原设计图纸可知，飞轮重量为4.3t；飞轮重心到轴承4的距离L,为114mm，到轴承5的距离L,为152 mm。根据杠杆原理，轴承4承受的飞轮重力为：F (L+L,)/L,=mg（根据公式（5）可知，轴承4承受的飞轮重力为：F=4.310152/(114+152)=24.5kN因此，综上所述，轴承4承受的最大径向力为：F=Fma+F=23.75+24.5=48.25kN根据原图纸分析可知，飞轮轴承4只承受径向载荷，查文献1 可知：P-fF(6)式中：P当量动载荷，kN；载荷系数。查文献1 表13-6 取载荷系数f为3，根据公式（6）可知轴承4的当量载荷为：P-3 48.25=144.75 kN查文献1 可知：查文献1 可知：C=P.60 xnLh+10(7)式中：C基本额定动载荷，kN；指数，球轴承为3，滚子轴承为10/3；n2轴承转速，r/min;L轴承寿命，h。由原图纸可知，电机转速n为1490 r/min，原小皮带轮基准直径da为490 mm，飞轮本体上大皮带轮基准直径da为98 0 mm，因此飞轮本体上轴承4的转速为：n,=n,da/dz=1 490 490/980=745 r/min下转第17 页】问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）按照现场实际检修更换周期，轴承4使用寿命若按使用一年（约8 7 6 0 h）进行计算，根据公式（7）可知采用深沟球轴承4基本额定动载荷为：C=144.75/607458760-10=1058kN若采用滚子轴承4基本额定动载荷为：C=144.75x607458760-10=867kN而原设计飞轮轴承4选用SKF-6044M和后来采用的TWB-6044W/C3/R2深沟轴承，都是单列深沟球轴承，虽然能承受径向载荷和双向轴向轻载荷，安装方便，但其使用特性为高速、轻载，如表2 所示，能承受的额定动载荷偏小，其额定动载荷为2 47 kN，因此原设计轴承4选型不合理。表2 SKF-6044M轴承的技术参数内径d/外径D/宽度B/参考转速/极限转速/额定动额定静mmmmmm(rminl)(rmin-l)载荷/kN载荷/kN22034056400032002472902.2.2轴承4工作环境温度高普通润滑油在高温环境下其黏度降低，摩擦副间润滑油膜变薄极易发生润滑失效，同时材料热膨胀系数不一致，造成工作游隙减小，加剧运动摩擦副间的摩擦磨损。原设计飞轮、离合器均未设散热通道，散热不畅，造成轴承4工作环境温度高，常年保持在7 0 左右。因此，在高温和低黏度润滑环境下，轴承4润滑不良极易损坏。综上分析，可以得出原设计轴承4所承受的额定动载荷大，环境温度高，选型不合理是造成其易损坏，工作寿命短的主要原因。3改进措施（1）合理选择轴承。飞轮外侧轴承4选择径向承载能力强的双列调心滚子轴承2 30 44CC/C3/W33替代深沟球轴承SKF-6044M。这种轴承不仅具有自调心功能，能承受不对中和轴挠曲，而摩擦或温度几乎不会上升，而且还可承受较大的额定径向动载荷。其技术参数见表3：基本额定动负荷12 6 1kN，高于采用球轴承基本额定动载荷C=1058kN要求；更高于采用滚子轴承基本额定动载荷C,=867kN，比原设计球轴承额定动载荷2 47 kN高出8 11kN；基本额定静载荷18 6 0 kN，大大高于实际最大静载荷F=48.25kN的要求，比原设计球轴承静载荷2 90 kN高出157 0 kN。内侧轴承5保持原型号NU1044圆柱滚子轴承，保持轴向游动特性。表3轴承2 30 44CC/C3/W33技术参数内径d/外径D/宽度B/参考转速/极限转速/额定动额定静mmmmmm(rmin-)(rmin-l)载荷/kN 载荷/kN2203409016002.00012611860（2）增加飞轮轴承间配置跨度，增强其支承系统的抗载能力及稳定性，减少轴承4承受的径向载荷。轴承4和轴承5间距从2 6 6 mm增加至349mm，支撑中心延长8 3mm，减少轴承4相对于轴承5的载荷比例；重新按新配置轴承4及轴承5间跨度设计飞轮，新飞轮在确保冷剪机能剪切产线最大圆棒的前提下，其转动惯量只比原设计飞轮降低了6.2%（按10 0 0 t冷剪机飞轮惯量改，计算从略），保证了在转动惯量略小的前提下降低了飞轮重量0.2 1t，进一步降低轴承4基本额定动载荷为7 34kN。（3）调整皮带轮速比，降低飞轮转速，满足调心滚子轴承的润滑需求。飞轮转速从7 45r/min降低至7 16 r/min，大大低于调心滚子轴承的参考转速16 0 0 r/min和极限转速2 0 0 0 r/min。同时，在飞轮本体上均布钻通8 个40散热孔，为轴承4创造良好的散热条件，降低轴承温度，有利于轴承润滑脂油膜的形成，延长轴承使用寿命。如图2 所示。986中5431-电机；2-V带传动；3-曲轴；4-轴承2 30 44CC/C3/W3；5-轴承NU104；6-离合器；7-散热孔；8-飞轮；9-10 0 0 t冷机本体图2 改造后冷剪机传动示意综上所述，采用以上改进措施后，经计算可知轴承4承受的基本额定动载荷为C,=734kN，小于选用的双列调心滚子轴承2 30 44CC额定动载（2 0 2 3-0 5-17 收稿上接第15页(2022-08-11收稿问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）（3）瓦背和瓦座接触不良。受力轴瓦与瓦座之间接触面积应大于7 0%，接触角150，不受力轴瓦与瓦座接触面积应大于6 0%,接触角120，且分布均匀，如果轴瓦与瓦座之间接触面积不达标，轴瓦将在瓦座中受力不均匀，在转子转动过程中出现晃动或振动不稳定，导致巴氏合金疲劳断裂，降低使用寿命。（4）润滑油质量不佳。如润滑油中含有硬质异物，油箱中可能存在的硬质异物在油泵进口负压的带动下，随着油流通过滤网到达轴瓦内表面，当异物的最大直径超过某处轴瓦与轴颈的实际工作间隙时，随着轴承的高速转动异物部分地被压人具有良好嵌人性的巴氏合金内，在嵌人过程中以及嵌入后可能继续存在的异物尖端就在高速转动的轴颈上划出了深浅不一的周向伤痕。如润滑油中含有水份，油中含有水份会使轴瓦温度升高，过高的轴瓦温度会影响巴氏合金的机械和物化性能，从而影响轴瓦的使用寿命。含有水份的油进人轴瓦后，溶解在水中的气体在低压区会从润滑油里析出，使形成的油膜包含气泡，导致轴瓦表面发生气蚀，进而损伤轴瓦。（5）润滑系统故障。重载、高速旋转机械多采用压力供油润滑，压力供油润滑是依靠润滑系统压力向轴承供油，是供油量多且稳定的供油方式。当轴瓦润滑系统产生压力不足或泄漏等故障，压力油无法进人轴瓦，如转子在低速状态下转动，则在油箱中无法产生飞溅起来的油液供给到轴承，油液到达轴瓦的油变少，很难形成良好的油膜，继而会导致轴与轴瓦直接接触摩擦，在油压不足或泄漏的情况下，甚至还会导致轴瓦在短时间内烧蚀。4预防措施（1）对于轴系对中不良所引发的轴瓦失效，荷12 6 1kN，满足轴承选用要求，大大延长了轴承使用寿命，降低冷剪机飞轮的设备故障率。4结语飞轮前后轴承的环境温度下降到50 左右，轴承润滑效果良好。在剪切最大规格72mm9m圆棒时，冷剪机运行更加平稳，满足生产要求。需要严格执行设备安装技术要求，严格把控其轴系对中情况，保证设备对中情况、开口大小符合设备技术要求。（2）对于研刮不良所引起的轴瓦失效，采取的主要措施是尽可能地保证轴瓦研刮过程中的各表面质量、形状尺寸精度以及整机安装精度，防止维修不当造成轴瓦失效。（3）对于油质不佳所造成的轴瓦失效，主要要保证润滑油质量。一是清除油中杂质，每次检修过程中要用湿面粉团将零部件和整个油箱清理，并检查清洗滤网，保障润滑系统干净清洁。二是防止油中渗水，日常检查油冷却器是否完好无渗漏，避免水渗人油中，以最大限度地防止轴瓦失效。（4）对于润滑系统故障引起的轴瓦失效，主要需要检查润滑系统压力及泄漏情况，保证轴瓦具备良好的润滑条件，减少对轴瓦的损害，避免发生磨损、烧蚀现象。5结语本文通过对风机滑动轴承失效原因的分析，提出了相应的防范措施，能够有效预防滑动轴承故障的发生，提高生产效率，也在一定程度上提升了设备预防维修管理水平参考文献：1】王立华，李延斌，刘立新.C157-1.56/0.89型高压风机推力轴瓦烧瓦问题探讨及工厂实践J.科技创新与应用，2 0 15，（36）：151.2蒋小平，施卫东，许建强，等离心鼓风机轴瓦失效分析及预防J流体机械，2 0 0 7，35（5）：50-53,20.3王俊堂浅析增压风机电机轴瓦烧坏原因与检修处理J硅谷，2 0 10，（2 4）：138-139.冷剪机飞轮前轴承2 30 44CC从2 0 2 1年7 月2 3日上线使用到2 0 2 2 年12 月14日下线，共计安全运行了1年零145天，达到了预期的使用寿命。参考文献：1濮良贵，纪名刚机械设计M.第7 版.北京：高等教育出版社，2 0 0 1.