一种新型双列止推调心滚子轴承解决新方案

作者：郑晓

  1．引言

随着优质钢材需求量的不断增长，对冶金设备的载荷、速度、生产率以及可靠性都提出了前所未有的更高要求。越来越多先进的轧机生产线开发出来并投入使用，轧制速度越来越高，钢种的生产范围越来越广，需要更高的产品质量来满足客户要求。轧机对运行工况比较苛刻，常见的有低速重载、高速轻载、高径向载荷、交变轴向载荷等。由于工况较为特殊，轧辊轴承需要承受较大径向载荷以及交变轴向载荷。为满足较复杂工况，轧辊需添加额外止推轴承与径向轧辊轴承搭配使用，通过减少作用在径向轧辊轴承上的轴向载荷来延长轧辊轴承寿命。当轧辊产生较大弯曲变形与偏心，成对匹配的止推调心滚子轴承常布置在轧辊止推部位，来承受较高的轴向载荷以及适应持久的轴承滚动体相对滚道偏心工况。轧机制造商在使用这种止推调心滚子轴承时采用一些不同结构形式，但它们存在很多共同特性，图1为目前较为常见的传统止推调心滚子轴承解决方案的组件与零部件布置方法。

2．传统设计的局限性

  传统设计主要用于轧辊止推位置，在板带以及棒线材轧机上应用较为普遍。但这种设计具有与生俱来的局限性与缺点，除了制造较多的零部件，轧机供应商需要在设计选用中间衬套与弹簧上花费精力。为实现轴承内圈与中间衬套过盈配合，安装时需使用装置来加热轴承，以使内圈产生足够的热膨胀方便安装。这种轴承安装方式比较费时、成本较高，从中间衬套上拆卸轴承也非常困难，需要定制特殊的拆装工具。另外，这种传统设计需要在轴承座挡肩与压板上钻孔安放弹簧，需要控制弹簧孔的数量及钻孔深度。在安装与拆卸轴承过程中，弹簧容易散落，一旦弹簧进入轴承，会导致轴承滚动体与滚道面损伤，影响轴承的使用性能与寿命。额外的中间衬套需要足够的厚度与强度来确保传递载荷支撑轴承，轴承座需要增大外形尺寸来容纳中间衬套与选定的轴承，由此需要消耗更多的原材料以及零部件，增加制造成本。

在以往的轧机应用中曾出现过一些替代解决方案，用于适应轧辊和轴承座多年使用后产生较大变形与偏心情况。有些设计采用整体双内圈背对背形式，有的采用面对面结构形式，轴承安装游隙通过弹簧预紧实现，也可以控制内圈隔环厚度来实现轴承内部游隙调整。见图2。

3．新型替代解决方案

  为克服传统设计的局限性并继承原设计的优点，一种新型双列止推调心滚子轴承解决方案( DD-TSR)可替换传统设计(中国实用新型专利号201220356253.9)。新型DD-TSR采用整体双内圈结构、轴承外圈自带弹簧系统，轴承内、外圈均预留键槽。见图3、图4。与双列止推圆锥滚子轴承( TDIK)有相似之处，但新型DD-TSR继承了止推调心滚子轴承较高承载能力及抗偏心能力。

    新型DD-TSR弹簧系统集成在轴承外圈上，可为空载侧滚子提供预紧力，另外可简化设计与安装，轴承座挡肩与压板无需再加工孔并安放弹簧。弹簧系统的顶环由挡圈限位在轴承外圈弹簧孔内，顶环头部伸出外圈端面，孔内叠加的蝶形弹簧提供预紧力。这种设计根除了弹簧在安装与维护过程中出现散落导致轴承损坏的可能性。在高速、频繁加速、减速，以及正反转应用条件下，轴承外圈的跑圈会导致弹簧系统顶环头部磨损，使弹簧系统失效，弹簧组件需要频繁更换来避免轴承损坏。选用新型DD-TSR可简化设计，通过减小轧辊与轴承座的尺寸降低生产成本。由于该轴承内外圈均可采用间隙配合，轴承安装与拆卸不再需要加热器或特殊拆卸工具。

4．传统设计与新型替代设计的比较

  传统与新型替代设计组件及零部件对比。见图3、图4、表1。

5．额定转速分析

  目前冷轧轧辊止推轴承普遍属于高速中等轴向载荷工况，新型替代解决方案DD-TSR的额定转速可基于轧辊给定轧制力以及润滑方式进行理论计算，便于客户选型参考。下面举例轴承运行与承载参照典型五机架六辊冷连轧最大轧制力及润滑方式。需要注意，该理论计算出的新型DD-TSR额定转速仅为参考速度，并不能完全等同轴承在实际工况条件下能够运转的最高转速。所选用的公式及系数参照《滚动轴承分析，第一卷，轴承技术的基本概念》第10章节，运动速度、摩擦力矩和功率损耗，以及IS015312标准。

所使用的公式基于以下能量平衡方程，即：轴承功率损失与从轴承中带走的热量相等：

    基于ISO标准，参考受力载荷对于径向与止推轴承分别为轴承额定静载荷的5%和2%。较为准确的参考受力载荷，可选用轴承实际的受力工况，若给定轧机最大轧制力为1800吨，最高轧制速度1500米／分钟，参考受力载荷，可分别假设为0.5%，1.0%和1.5%的最大轧制力，即：90KN、180KN和270KN。

止推调心滚子轴承散热表面积计算公式定义为：

新型替代解决方案DD-TSR在轧辊应用中采用间隙配合方式，轴承内、外圈可认为与辊颈表面及轴承座内孔不接触，轴承两侧外圈端面均与轴承座挡肩接触，轴承的热耗散主要通过止推轴承端面与轴承座挡肩接触面来实现。

以上粘度力矩系数需要针对不同的润滑系统做相应调整，在油气或油雾润滑条件下，粘度力矩系数为稀油润滑条件下的一半，但考虑到双列止推调心滚子轴承有两列滚动体，力矩与粘度力矩系数均应加倍。见表2。

6．结束语

  轧机应用中，为满足轧辊弯辊力产生的较大变形与偏心，成对匹配的止推调心滚子轴承常布置于轧辊止推部位，来承受较高的轴向载荷以及适应持久的轴承滚动体相对滚道偏心工况。传统止推调心滚子轴承组件设计与制造零部件更多，存在局限性与缺点。新型替代解决方案可大幅简化了设计，并且减少了轴承与轴承座尺寸，简化轴承的安装与拆卸。针对典型冷轧轧辊应用，对新型替代解决方案的额定转速进行了理论计算，可仅供客户选型参考。

7摘要：文章通过与传统设计的比较，介绍一种新型替代解决方案——双列止推调心滚子轴承( DD-TSR)的结构与特点，并针对典型冷轧轧辊应用工况，对其额定转速进行了理论计算。