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铁姆肯轴承在板坯连铸机轧辊用ADAPT轴承的创新

  

一、板坯连铸机轴承的应用挑战和传统轴承的应用不足

     
       板坯连铸机辊用轴承的应用分为固定端和浮动端两种。目前的运行环境和设计要求对板坯连铸机辊子组件设计提出了诸多挑战,如:高达900°C的高温,需要优异的冷却设计:高达6mm的轴向热膨胀:高达100吨的载荷,需要尽量降低辊子弯曲变形;转速较低,每分钟1.5到15转不等,使得轴承滚子与滚道间难以形成油膜等。这些苛刻的应用环境对轴承提出了很高的要求,因此,轴承的运行性能对连铸机成本控制和可靠性至关重要。浮动端轴承需满足如下要求:尺寸紧凑且具有高静态径向承载能力;最大应达到0.5°的抗偏心能力;具有正负6mm的轴向浮动能力,补偿辊子的轴向热膨胀;由于转速较低,需在无润滑油膜或少量润滑油膜的工况下正常运转;易于安装、拆除和检修。

        
      调心滚子轴承在固定端表现良好,是固定端轴承的首选。但浮动端轴承应用受到很大挑战。早期设计采用调心滚子轴承在轴承座内浮动的方案,但实际应用效果不佳——在较高径向载荷下,轴承进行轴向浮动时所需的轴向力会导致轴承受力不均。针对上述问题,目前有三种传统的解决方案:一是带特殊的滚子/滚道修型的圆柱滚子轴承,二是配置有球面衬套的圆柱滚子轴承(也称作自调心型圆柱滚子轴承),三是TOROIDAL轴承。这三种方案都具有一定的优势,但也存在各自的不足:或抗偏心能力不足,或承载能力低,或安装拆卸困难等。理想的轴承需要兼具圆柱滚子轴承的轴向浮动性能、调心滚子轴承的静态与动态抗偏心性能,有足够的承载能力,并且操作方便等优点。

     
  二、铁姆肯公司新型ADAPT轴承设计、操作、技术性能及优势

      
      总结前述几种轴承的不足,经过数年的设计和验证,铁姆肯公司推出了一款全新的轴承产品——ADAPT轴承。

     
  1.基本设计

          
  ADAPT轴承的设计由圆柱形内圈与独特修型的滚子和外圈组成。基本结构如图1所示。

 

                     

图1    ADAPT轴承基本结构
 (经放大处理,非真实比例)

          
  其外圈滚道是球面形状设计,滚子是带有特殊修型的弧线形设计,而内圈滚道是平面形设计(圆柱体)。上述独特外形设计结合在一起,可形成“三点接触”。具体来说,就是内圈与滚子在单一位置互相接触,而滚子与外圈在两个位置接触。外圈接触位置以内圈接触位置为中心对称分布,从而保证滚子受力时处于稳定状态。

           
  ADAPT轴承还采用了带保持架的满装滚子设计,在得到最高承载能力的同时,安装操作方便,确保滚子不会散落。

               
  2.轴承操作

       
  在无轴向浮动和偏心条件下,轴承的载荷与反作用力保持平衡。从图2中可以看出,圆柱形内圈轴向浮动对载荷的分布没有影响。当存在偏心时,滚子对外圈的反作用力出现不平衡,滚子受到的载荷就会一端增加,另一端减少,如图3所示。由于在转动过程中,滚子总是寻求载荷平衡,载荷高的一端的轴向组件会驱动滚子运动,直至载荷重新平衡,滚子重新达到稳定状态,见图4。

 


图2  

 

 

图3

 

 

图4

 

       集成式轴承保持架,在轴承安装拆卸过程中,箍住实心滚子,使其不会散落。轴承内圈可单独安装在辊子上,外圈滚子组件独立安装在轴承座内,也可根据需要整体安装。可分离内圈的应用,使得轴承安装更为简便,不需要将内圈和外圈作为套件整体组合安装。当轴承保持架与可分离内圈组合使用时,能快捷方便的检查轴承滚子和滚道的损伤。

         
  3.技术性能

           
  ADAPT轴承滚子滚道接触应力分布模型显示,承受应力水平处于设计要求范围内。

           
  轴承样品进行了发热量试验和寿命测试。测试结果显示该设计是安全可靠的。被测轴承运行温度低于对比的调心滚子轴承的温度,工作寿命长于ISO标准计算出的L10寿命。这些令人振奋的结果推动了下一阶段成品轴承的测试。

            
  铁姆肯公司与西门子奥钢联公司进行了成品轴承测试的合作,在其商业连铸生产线上进行现场测试。成品轴承的现场测试结果与样品轴承的测试结果大致相同: ADAPT轴承运行温度低于对比的调心滚子轴承的运行温度,实际寿命大大长于理论寿命L10。较低的运行温度意味着较小的内部滑动摩擦,实际寿命的延长和载荷当量的提高意味着轴承的高可靠性。偏心测试结果证明在偏差度最高为 0.5°的情况下,滚子和保持架没有超出外圈滚道之外。2011年1月,在矫直辊测试的TA4024VC3型号轴承成功实现了新的里程碑—— 100万吨过钢量。与此同时,在水平辊测试的TA4032VC3型号轴承运行达到65万吨过钢量。测试目前仍在持续进行中,预期轴承TA4024VC3运行将超过270万吨过钢量,而轴承TA4032VC3运行将超过400万吨过钢量。

      
  4.优势总结

     
  综上所述,铁姆肯公司ADAPT轴承,应用于连铸机辊子具有高度可靠性。其优势总结如下:

         
  ①同时具有轴向浮动和抗偏心能力。两种能力相互独立,互不干扰。在实现最大轴向浮动的同时,仍可获得较大的抗偏心能力,反之亦然。这是由独特的内外圈和特殊的滚子形状来实现的。因此,轴向浮动和偏心不会影响轴承的承载能力。在同时达到最大轴向浮动和最大偏心时,承载能力不会降低,解决了传统轴承轴向浮动和抗偏心不能兼顾的不足,是连铸机辊子浮动端应用的高效解决方案。

       
  ②满装滚子带保持架的设计,使得轴承具有高承载能力,同时防止滚子在操作过程中散落。相比于 TOROIDAL轴承,铁姆肯公司ADAPT轴承采用带保持架的满装滚子设计,有效防止轴承拆卸过程中的滚子散落。 TOROIDAL轴承拆卸过程中,滚子极易散落,使得整个轴承报废,形成“一次性使用”。而ADAPT轴承不会发生滚子散落,轴承经检测合格可以再次使用。

              
  ③可分离内外圈设计,使得轴承的安装,检查更方便。在轴承使用一段时间后,可以拆下轴承,分别检查内外圈,合格的组件可以保留,与其它组件组合,继续使用。这对目前环境下钢厂节省成本具有显著的实际意义。

               
  三、结论

                 
  经测试证明铁姆肯公司ADAPT轴承在连铸机辊子上的应用,具有非常可靠的性能。其设计也带来了一系列传统使用的轴承所不具有的优势。目前在中国市场上,已经有一些钢厂开始使用该轴承。我们相信铁姆肯公司 ADAPT轴承能够给我们的客户带来非凡的价值,并希望能为中国钢铁行业的节能增效贡献一份力量!

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