2 800 mm轧机油膜轴承辊颈进水原因分析与研究

王 军

(安阳钢铁股份有限公司)

2 800 mm轧机油膜轴承辊颈进水原因分析与研究

王 军

(安阳钢铁股份有限公司)

安钢2 800 mm轧机油膜轴承经常发生进水事故，出现事故后需要提前更换支承辊，造成油品消耗增加,辊耗增加，从而导致生产成本增加，影响了正常的生产节奏。针对此类问题进行了研究，发现DF密封是造成轧机油膜轴承进水的关键因素，从而找出了解决DF密封失效的有效方法。

油膜轴承 DF密封 进水

AbstractAfter the water inlet accident of the oil film bearing roller of 2 800 mm rolling mill which often happens in Anyang Steel, supporting roller have to be replaced early, thus the consumption of oil increases and the roll consumption increases, which leads to the increase of production cost and affect the normal production rhythm. In view of this problem, it is found that DF seal is the key factor causing the water inlet of the roller, and the effective method is proposed and carried out to solve the sealing failure of DF.

KEYWORDSoil film bearing DF sealing water

0 前言

随着钢铁工业的快速发展，对轧机油膜轴承也提出了更高的要求，油膜轴承正常运转与否直接受其密封性能制约。而热轧的工作环境比较差，大量氧化铁皮、冷却水等杂质随时有进入油膜轴承的可能，轧机油膜轴承润滑系统进水后，主要表现为轧机轧制力负载增大、轴承滚柱变黑、润滑油流量下降、过滤器滤芯的压差增大等，因此防止杂质、冷却水的进入和防止润滑油泄漏是确保油膜轴承正常运作的保障。同时，我们根据其DF密封与水封的损坏形式，做出相应的原因分析和预防改进措施，为油膜轴承的正常工作和维护提供有力依据，从而大大提高油膜轴承的寿命。

1 轧机油膜轴承的特点

2 800 mm轧机选用的油膜轴承为ZYC1350-75轴承，油膜轴承是轧钢机械的关键设备，也是动压润滑的典型系统，不仅表现为液体摩擦，更重要的是建立足够的油膜承载力。油膜轴承结构示意图如图1所示，轴承参数见表1。

油膜轴承是一种表面加工精度以及相关参数匹配非常理想的滑动轴承，它的主要特点有：

图1 油膜轴承结构示意图

1)轴承刚性强，承载能力大，与轴承外径相同的油膜轴承承载能力要远大于滚动轴承。

2)使用寿命长：从原理上讲，油膜轴承是不会发生磨损的。但是实际上，即使正确的使用和妥善地维护，也是要发生磨损的，只是很轻微而已。其理论上寿命可达15 年左右，一般实际由于润滑和轧机设备等原因，寿命在5年～10 年左右。

3)速度范围宽：轧机油膜轴承可以在很低的速度下工作，也可以在很高的速度下运行，还可以使用可逆轧机，由正转速到零，再由零到负转速的状态下工作，速度范围较宽。

4)结构尺寸小：在相同的承载能力下，油膜轴承轮廓尺寸要比滚动轴承小，结构紧凑，传动平稳。

5)摩擦系数低：采用巴氏合金，材质硬度低，摩擦系数小，油膜轴承的摩擦系数一般在0.001～0.005之间，从而摩擦损耗低。

6)抗冲击能力强：油膜轴承中的油膜的挤压效应对于冲击载荷的承受能力，使得油膜轴承能很好地承受冲击载荷。

2 油膜轴承DF密封的结构及特点

辊颈部位的密封为行业熟知的DF密封，DF型密封融合了静密封、动密封以及迷宫密封三种形式，既可封油也可封水，以密封档板中心凸缘为界，封水防线与封油防线分布于两侧[1]。DF密封结构形式如图2所示，工作条件见表2。

图2 DF密封结构形式

项目单位工作条件速度(m·s-1)≤25油压MPa≤0．5水压MPa≤0．15温度℃≤50介质油膜轴承油、水、氧化物

DF密封是一个复杂而近似完好的结构，其具有以下特点：动密封唇口封水唇和封油唇弹性好，能防止轴承内部油的泄漏与外围冷却水的进入，密封效果比X型密封显著提高；在较大程度上克服了X型密封对安装定位要求苛刻、易泄漏的缺点。因此，DF密封在冷、热轧薄板轧机、铝箔轧机等大型冶金装备中得到广泛应用。但是随着对轧制产品要求的不断提高，对轧机设备要求也不断提升，密封系统的密封性能也必须相应随之提高，而DF密封系统存在以下缺点：支辊轴向窜动影响比较大，产品安装也有影响；密封唇口接触表面应力偏低；在动压状况下，密封唇的密封效果稳定性欠佳；DF密封系统下的油温与油的流量的可调节性相对较差[5]。

3 密封机理

DF密封随锥套、铝环和轧辊同步旋转，与密封挡板产生高速相对运动，有五个密封肢，其功能与作用不同，协同形成有效密封，防止轴承座内的润滑油外泄，形成连续不断的油膜，防止外界冷却水、轧制液及铁屑、灰尘等杂物侵入轴承腔内，保证轴承正常运转。DF密封作为唇口式密封，主要靠密封唇的尖角压紧密封耦合面，理论上应该是线接触，而实际上是个窄带接触，但带不能太宽，有足够的压紧力，且接触应力的分布呈峰值状。对于唇口式密封，不能压的太死，接触带也不能太宽[2]。从润滑和密封的双重角度来分析，就是：如果压的太死，则使密封件与耦合面处于半干摩擦状态，加剧了密封件的磨损与发热，缩短了使用寿命；若果接触带太宽，则可能形成厚膜润滑状态，并由此向外泄露，降低了密封效果。其润滑原理如图3所示。

图3 润滑原理

4 密封失效原因分析

1)轧机工作时，辊颈油封在正反转时，因密封橡胶圈的弹性，以及受摩擦力的作用，在环状空间内蠕动拉长，然后在弹性的作用下又收缩，在收缩的过程中由于摩擦力和重力的共同作用，使密封圈有落向环形空间底部的趋势，最终会因密封圈自身的强度不能继续向底部蠕动滑落，此时密封圈唇口在顶部与密封面的过盈量会变小，即密封圈工作时在环形空间内是下坠的非正圆状态，下部密封唇口过盈量略大，顶部密封唇口过盈量略小。

如图2所示，水封首先挡住大部分冷却水，小部分渗入系统的水会顺零件表面流动到油封的封水侧唇口处，由于离心力的作用，部分水聚集在封水侧密封唇口与密封面的结合处，这个部位如果存在制造或磨损因素形成的缝隙，则水会进入油封内部，越过没有向外密封功能的封油侧密封唇，进入轴承座的回油通道，进入液压系统的油箱。

2)下支承辊轴承座两侧标高不一致：如因均压垫、测压仪模拟块、阶梯垫等因素造成标高较大差异(>3 mm)，引发支承辊倾斜(如图4所示)，密封的上部和下部状态不一致，一边受压缩，另一边则可能形成间隙，导致水分进入。

图4辊系垂直高差示意图

3)轧机牌坊、工作辊、支承辊的轴心线不平行，轴承座在牌坊开口中的对中不良，轧机牌坊操作侧与传动侧磨损状况不一致，导致支承辊轴承座在牌坊内扭斜不对中(如图5所示)，出现密封件一边被压紧，另一边松弛的状态，从而造成轴承进水。

图5 轧辊水平交叉示意图

4)支承辊旋转速度与剪切油量不匹配，致使轴承座内生成负压腔，形成吸水效果。

5 密封失效的危害

对润滑油的危害，进入液压系统的水，会与润滑油结合使润滑油乳化，其运动黏度、酸值、磨斑直径、污染度等级等指标变差，还会影响润滑系统脱水效果而损失部分润滑油，造成润滑油浪费，环境污染。对设备的危害，DF密封失效会使这会使润滑油的承载性能降低，大量氧化铁皮、冷却水等杂质进入油膜轴承，主要表现为轧机转动负载增大、轴承滚柱变黑、润滑油流量下降、过滤器滤芯的压差增大等，直接导致支承辊轴承座润滑严重不良，轴承座锥套静压压力承载区严重磨损、巴氏合金大面积脱落，最终导致轴承座烧损。锥套损坏状况如图6所示。

(a) 烧损的锥套

(b) 巴氏合金起皮

(c) 巴氏合金脱落

6 解决密封失效的方法

1)对DF密封进行检测，发现加工误差是造成密封失效的主要原因。由于油膜轴承润滑油箱内的润滑油长期存在进水乳化的现象，因此我们对轴承可能的进水部位进行了大量的监测调查研究，排除了轴承座其它静密封部位进水的可能，确认进水是从辊颈的动密封部位，即DF密封系统进入的。现场使用过的油封如图7所示。

图7使用后的密封

根据DF密封设计的原则，允许少部分水越过水封，流到密封唇口与密封面处，但不允许密封唇口与密封面之间有缝隙，因此对DF密封的油封的密封唇尺寸和密封面尺寸进行了测量检查，密封断面图如图8所示。

图8 DF密封断面图

按图8对油封的尺寸测量，经检查测量，在线使用过的油封密封唇口实际过盈量约3 mm。测量用盘尺测量油封腰部周长，折算成直径尺寸，再加脚部长度尺寸，计算如下：

d=c/π

(1)

δ=(d+2l-d1)/2

(2)

式中： d——油封腰部直径，mm； c——油封腰部周长，mm； l——油封腿长,mm； d1——密封面直径,mm。

经现场实测油封腰部周长为4 170 mm，油封腿长为41 mm，密封面直径为1 403 mm，通过计算密封唇口的过盈量为3.2 mm，与拍照的用过的油封状况相符。

对比使用的油封唇口磨痕，及实物测量结果，油封腰部的尺寸为1 327 mm，图纸设计尺寸为1 335 mm，比设计尺寸小8 mm。由于制造的尺寸误差，导致油封的唇口过盈量仅为3.2 mm，通过对密封失效的分析，不能满足密封要求。

由于DF密封是油膜轴承的关键组成部件，更是油膜轴承正常运行的防护盾，由此将密封圈唇口的过盈尺寸加工达到设计的7.8 mm，公差应为中位的公称尺寸，即1335±1 mm。油封腰部用盘尺测量的尺寸应为：(4 194±3)mm。这样的改进会对DF密封的密封性能起到很大的改善，能有效的解决油膜轴承进水问题。

2)在更换支承辊时，严格测量均压垫、测压仪模拟块、阶梯垫等因素造成的标高差，将高差控制在3 mm以内。

3)在更换支承辊时，严格测量牌坊磨损情况，适时调整滑板厚度，两侧磨损应均匀，将牌坊与轴承座之间的间隙控制在1 mm以内。尺寸差因磨损超出原始差值的50%时应采取措施修复牌坊。

4)通过程序控制供油过程，转速提高时增大供油压力，用来消除负压腔的形成。

7 结论

通过改变密封尺寸、调整标高、调整滑板厚度、增加供油压力等方法，可以大大的改善支承辊油膜轴承的工况，提高设备使用率，延长其使用寿命，降低备件费用，为生产顺行保驾护航！

[1] 李正波．轧机油膜轴承的DF密封与水封及其常见损坏形式的分析与对策[J]．润滑与密封，2003(6)：101-105.

[2] 王庚福，史恭健，赵海龙．轧机油膜轴承DF密封机理的探讨[C]．第四届中国轧机油膜轴承技术研讨会论文集，1998：67-69.

[3] 王树友，李连胜，白世军．邯钢中板线2 800 mm轧机油膜轴承的改进[J]．山东冶金，2010，32(6)：23-24．

[4] 魏东，宋洪林．Φ1500 油膜轴承 DF 密封原理及改进[J]．润滑与密封，2005(4)： 209-211.

[5] 陈安安， 赵亮，张送东， 林国志．新型HD密封在轧机油膜轴承上的应用[J]．润滑与密封，2010,35(5)：121-124．

ANALYSISANDRESEARCHONTHEWATERINLETOFTHEOILFILMBEARINGROLLEROF2 800mmROLLINGMILL

Wang Jun

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

2017—03—07