我国冶金行业为满足建筑用钢材不断增加的需求，近年来分别从国外引进了几十条高速线材生产线，出料口速度从63～100m/s不等，年产量大都在60×104～100×104t之间。由于高线轧机工作的特殊性，对配用的轴承提出了更为严格的要求。本文就高速线材轧机轴承(以下简称高线轧机轴承)的工作特性、结构形式、设计要点及制造关键等作简单介绍。 1 性能要求 1.1 高的可靠性 高速线材生产线最显著的特点就是轧机连续工作的高可靠性。由于高速线材生产线的单位产量高，要求在规定的点检周期内，作为轧机上关键元件的轴承比一般轧机轴承有更高的可靠性。如果因轴承出现故障将导致整条生产线停产，这是厂家不能容忍的。因此在设计、制造高线轧机轴承时，应保证其在高速运转条件下连续工作的可靠性。 1.2 耐磨损 高线轧机轴承耐磨损度要强，能适应高速旋转的工作场合。例：某高速线材生产线，出口线速度63m/s，出口轧机轧辊的工作直径为330mm，则轴承的工作转速为3650r/min，在高转速、重载荷下长期运行，对轴承的耐磨损将是一个严峻的考验。这就要求所供轴承必须具备耐磨损的要求。 1.3 长的疲劳寿命 高线轧机轴承疲劳寿命要长。在正常情况下，国外提供的高线轧机轴承使用三年(因有一半时间轧辊组件要卸机保养、整修，实际工作时间为一年半)，故用户要求国产轴承至少能使用二年。 1.4 冲击韧性要好 高线轧机轴承的冲击韧性要好，尤其是粗轧机使用的轴承，将连铸方坯轧制成棒料的过程中，冲击载荷很大。因此，高线轧机轴承在高转速、高冲击状态下工作不应发生破裂现象。 综上所述，高线轧机轴承的工作特性就是能在高转速、高冲击状态下连续稳定可靠的工作，并具备较长的疲劳寿命。 2 轴承结构形式 高线轧机轴承有四列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承两种。一般情况下，粗、中轧机使用四列圆锥滚子轴承，精轧机使用双列圆柱滚子轴承，水平轧机和铅锤轧机使用同一型号的轴承。 无论四列圆锥滚子轴承，还是双列圆柱滚子轴承，其基本本结构与传统的轧机轴承类似，但各个零件的设计充分考虑了润滑与散热的问题，即在内圈、外圈、隔圈(对四列圆锥滚子轴承而言)、保持架、滚子(对双列圆柱滚子轴承而言)开有许多槽、孔等。这样，槽、孔形成的润滑、散热通道与轴承座、轧辊上的通道就组成了一个可靠的润滑与散热系统，再加上良好的密封装置，使得轴承能在高速高压状态中稳定的运行。 虽然各厂商所提供的高线轧机轴承的设计风格不同，但都有一个共同点，即内圈壁厚相对同等规格的普通轴承要厚一点，外圈则相对薄一些。 3 轴承设计方法 首先根据各条线上轴承的运转情况、使用寿命、失效状态及用户的要求，适当调整主参数，使设计达到比较满意的效果。 其次，合理地确定技术条件，根据同类产品的实测结果，并考虑轴承的具体工作状态，提出合理的技术要求。 4 高线轧机轴承的制造 鉴于高线轧机工作的特殊性，在制造过程中主要做了两个方面的工作。第一是材料和热处理工艺的选择，第二是滚动表面的粗糙度控制。由于内圈壁较厚，外圈壁较薄，所以有的制造商在技术文件中规定，内圈用渗碳钢，外圈用高碳铬钢制造。相应地，内圈采用渗碳工艺，外圈尽可能地采取等温淬回火工艺，使获得的金相组织为下贝氏体，这样处理后兼顾到了轴承的强度、耐磨性、冲击韧性及疲劳寿命等性能指标，使轴承满足前述的工作要求。另外，热处理硬度也根据粗、中、精轧机的不同情况有一些差别，即对粗轧机来说，速度相对低，而冲击载荷相对大，故轴承零件硬度偏低；对精轧机来说，速度相对高，而冲击载荷相对较小，故轴承零件的硬度高；中轧机用轴承的硬度则居中。 经观察和测试分析，高线轧机轴承内外圈的滚道表面、挡边表面、滚子的滚动表面基准端面等表面粗糙度值都比普通轧机轴承要小一些。为此，在工艺上采取措施，使上述表面粗糙度达到或接近国外产品的水平。 5 轴承试用情况 从1997年5月开始，已为我国3条高速线材生产线试制或批量制造9个型号的高线轧机轴承，绝大部分使用情况良好，未发生运转故障而导致整条线停机的事件。其中，1997年5月为西南某高线首批试制的安装在铅锤轧机上的(铅锤轧机比水平面轧机工作情况更为恶劣)中轧机轴承(四列圆锥滚子轴承)，除一套轴承在运行一段时间，正常卸机点检时发现外圈有破裂现象外，其余三套至2000年6月未发现磨损、疲劳、破裂等失效情况。 6 建议 进一步开发应用高线轧机轴承，使其性能稳定在一较高的水平，应从以下几个方面开展工作。 (1)根据文献资料介绍，在试验、研究的基础上冶炼出性能优良的新型轧机轴承用钢，包括渗碳轴承钢和高碳铬轴承钢。 (2)在分析、研究、比较同类产品的基础上，根据轴承使用情况确定主参数，做好产品设计。此外，对零件的结构变化，如槽孔的布置、隔圈的形状等也不可忽视。 (3)开展工艺攻关，以弥补材料性能相对欠佳和装备能力相对落后的现实。重点在热处理与磨削，保证有效渗碳层深度和硬度均匀性，高碳铬钢制零件的冲击韧性及零件的形位公差和表面粗糙度在一定精度范围内。 (4)制定规范详细的安装、调试、保养及点检说明书；派技术人员到用户中去，为现场技术人员和工人讲解轴承使用的注意事项，解答现场人员提出的问题，搞好售后服务工作。用户需与轴承厂家搞好协作。
轧机轴承工作性能能否得以有效利用，相当大的程度取决于润滑情况，润滑剂被称为“轴承的第五大零部件”。轧机轴承的损坏原因40%以上是润滑不良造成的，所以要降低轧机轴承消耗，就必须选用适宜于使用条件的润滑方法和优质润滑剂，还要设计安装防止水和氧化皮等异物侵入的可靠密封装置。 目前轧机轴承主要采用脂润滑和油气润滑。现大多厂家是使用简便易行的脂润滑方式润滑，如有可能采取油气润滑技术，可以使轧机轴承处于比较理想的润滑条件下工作，会大幅度降低轴承消耗。 1、脂润滑 脂润滑的方法具有简单易行，轧辊更换方便的特点，应用很广泛。应根据轧机轴承工作温度、转速、轧制力以及密封防水性能、冲击震动大小、供脂方法等情况选择适宜的润滑脂。要选用耐高温、粘度强、极压性能好以及抗水淋性能高的正规厂家的润滑脂。根据轧机轴承的工作特点应选择含EP添加剂的2＃、3＃、锂基脂或聚脲脂。 虽说高性能的润滑脂采购成本高，但是用量少了，轴承寿命长，总的综合成本是降低了。另外润滑脂的填充量一定要适量并填充到位，不同牌号的润滑脂不能混用，使轧机轴承工作表面始终处于油膜正常状态。 2、充脂量 初次填充润滑脂时将轴承内部空间填满即可，对于立辊或斜辊每个轴承座上下盖内要填充足够量润滑脂。每次换辊后要检查润滑脂是否硬化变黑，是否被杂质污染，是否氧化乳化。若出现上述情况应彻底更换润滑脂并检查密封件及密封结构及时更换或改进；若情况尚好可补充新脂后继续使用。 3、油气润滑 油气润滑是轴承理想的润滑方式,轴承在工作当中每隔一段时间压缩空气带着润滑油滴进入轴承内部 ，润滑油留在轴承内部,空气将轴承运行中的热量带走,同时阻止外部的杂质水汽侵入轴承内部。油没有被雾化不污染环境。 4、密封装置 轴承的密封就是要保持内部良好的润滑状态，并阻止冷却水、氧化铁皮、杂质浸入工作表面延长轴承的使用寿命。由于轧机轴承密封问题，轴承损坏最多的就是靠近辊身侧的部位，轴承经常是因为润滑脂污染、流失，使零件工作表面磨损、剥落甚至碎裂，特别是冷带轧机的乳化液渗入，使润滑脂失效更快。 轴承的密封分为自带密封和外部密封两种。外部密封主要采用迷宫式和接触式相结合的设计。迷宫的级越多（不低于两极）间隙越小密封的效果越好。迷宫的间隙根据轴承尺寸的大小取径向单侧0.6～1.5mm ；轴向4～6mm 。 接触式骨架油封：它在轧机上应用比较广泛，为了增加效果可以两三个并列使用。油封有方向性，不能装反。热轧机一般装两个油封，两个油封唇口都要向轴承座外，以阻止外界污物浸入。冷带轧机一般装三个油封靠近轴承的一个油封唇口要向内，用以阻止润滑脂溢出影响轧材质量。使用油封时要小心，避免装辊时撞坏唇口，影响密封效果。 RBR 型密封环： 这是一种轧机轴承专用的橡胶唇式密封环，近年来被广泛应用。RBR密封环采用轴向密封的方式，其唇口贴在压盖的基面上，不受轧辊跳动的影响，轴承内部的旧脂可以溢出，外部的冷却水、氧化铁皮、杂质被唇口阻止进入，有较好的密封效果。而且使用方便，换辊时轧辊装入轴承座不受任何影响。
2013年公司投资170多万元，首家购进了国内同行业第一台高、低速轴承模拟试验机，由计算机控制，可以施加连续载荷进行寿命试验，也可以施加矩形波载荷进行线材轧制模拟试验，主要技术指标涵盖了摩根五代、六代精轧机轧制速度和轧制力要求。 精轧机重载高速、低速轴承试验机是由计算机控制主轴轴承的载荷谱、转速要求、温度工况进行试验并考核其各种工作性能。本试验机具有高速、重载荷等特点。 试验机械装置采用桥式结构，各部分装拆件采用剖分式结构，机械设计结构简单，装拆方便。载荷的加载采用步进电机加载方式，主轴转速选用大功率电机及电主轴等先进技术。在试验中出现故障能自动判别并停机。
唐钢高线厂二车间的线材生产设备是北钢院仿摩根五代设计, 由西航生产制造的高速线材轧机, 其轧制速度最高可达90m/ s, 到目前为止, 是我国生产的轧制速度最高的线材轧机。整台设备的机械部分大多数由国内制造, 只有少数零件是进口, 如油膜轴承,可见油膜轴承之重要。这是因为除油膜轴承自身原因外, 由于安装问题, 供油问题, 轧机进水, 油中杂质等原因都会导致抱瓦, 造成重大设备事故。所以各高线生产厂家都非常重视油膜承,90m/ s 以上高线轧机大多数都使用进口轴承。我厂高线轧机在试生产时, 由于备件质量问题造成经常烧瓦, 致使进口油膜轴承备件不足, 几乎影响生产。进口备件的供货周期长和价格高, 我们应该考虑用国产油膜轴承来取代。 1 油膜轴承工作原理 首先我们来揭开高线轧机油膜轴承神秘的面纱。 高速线材轧机的特点就是高速重载, 用滚动轴承难以承受, 用滑动轴承是最理想的选择。滑动轴承是用润滑介质来减少摩擦副之间的摩擦, 从而减少摩擦副之间的磨损。润滑介质粘度愈大, 则摩擦副抗径向载荷能力愈强。对于大轧制力的高线轧机, 通常是用高粘度润滑油作润滑介质。这种以润滑油作介质的滑动轴承就叫油膜轴承。 高线轧机油膜轴承都是动压轴承, 其工作原理是: 轧制过程中, 由于轧制力的作用迫使轧辊轴轴颈偏离油膜轴承中心, 使油膜轴承与轴颈之间的间隙形成两个区域, 一个叫发散区( 沿轴颈转动方向间隙逐渐增大) , 另一个叫收敛区( 沿轴颈转动方向间隙逐渐减小) 。润滑油借助供油系统的压力进入油膜轴承后, 转动的轴颈把具有一定粘度的润滑油带入收敛区和发散区。在楔形收敛区, 有粘度的润滑油从大间隙处挤入小间隙处, 从而形成压力。间隙越小, 压力越大, 最小油膜厚度处( 即收敛区和发散区的分界处)压力最大。润滑油一进入发散区后, 压力立即消失。润滑油收敛区各点处压力的合力( 承载力) 作用的轴颈上, 与作用在轴颈上的轧制力方向相反, 当承载力小于轧制力时, 轴颈沿轧制力方向移动, 收敛区的楔形变陡, 即楔形的梯度变大, 承载力也随之变大直至等于轧制力。当转速和轧制力发生变化, 轴颈的工作位置也会相应发生变化。 2 雷诺( Reynolds) 方程 油膜轴承间隙内各点的油膜压力与其位置坐标、轴颈转速、润滑油粘度、油膜轴承间隙之间的关系可用Reynolds 方程来描述。Reynolds 方程是一个偏微分方程, 只有在进行了许多理想的假设后才可能求出解析解, 其数值解只有借助于计算机方可求出。由Reynolds 方程本身我们可以发现一些规律。油膜压力求出后, 对其进行积分等运算就可求出承载力。油膜压力沿周向和轴向分布图见图1 和图2, 承载力随偏心率E ( 偏心距/半径间隙) 变化曲线见图3。其中:F 表示轧制力, W 表示承载力, V 表示速度, e 表示偏心距, W表示偏位角。 影响承载力的主要因素包括轴颈速度、润滑油粘度、收敛区楔形梯度。轴颈转速越快轧制力越大, 润滑油粘度越大承载力越大。但润滑油粘度随温度增高而降底, 温度又随轴颈转速增大而升高, 所以虽然轴颈速度提高, 但受润滑油粘温特性限制, 承载力提高的幅度受到影响。另外, 油膜轴承内表面因油膜压力大产生的弹性变形及因轧制力大而产生的轴颈挠度变形都会影响收敛区楔形梯度, 使之变小, 从而使承载力变小。 3 高线轧机的特点对油膜轴承提出的要求 摩根五代高速线材轧机是以高速重载为其主要特点, 它给油膜轴承提出了以下要求: (1) 高速带来的问题是润滑油的温升, 要求油膜轴承具有很好的散热能力。 (2) 重载带来的第一问题是轴颈的挠曲, 要求油膜轴承具有一定的自位能力。 (3) 重载带来的第二个问题是油膜轴承内表面变形的问题, 要求油膜轴承具有一定的抗变形能力。 4 油膜轴承的结构 油膜轴承的结构尺寸主要有外径、宽度、壁厚、轴承油槽、油腔等, 选择油膜轴承结构参数的目的就是要使流入轴承间隙内的润滑油的流量增大, 以带走因高速而产生的温升; 增大投影面积( 油膜轴承内径乘以宽度) 和收敛区楔形的梯度, 以提高承载力。不同机架上油膜轴承的外径和宽度虽有不同, 但其长径比都在017 左右。当轴承外径由轧机辊箱确定之后,壁厚越厚则轴承内径越小, 润滑油流量也越小, 同时投影面积也越小, 最终导致承载力降低, 所以摩根油膜轴承的壁都很薄。另外, 6d摩根油膜轴承的壁厚沿周向从中间向两边逐步减薄, 使油膜轴承的内表面成为一个椭圆, 从而增大了楔形梯度, 提高了承载力。摩根油膜轴承随着高线轧机的轧制速度和轧制力的提高, 其外圆直径和油腔结构也在不断改进。以6d油膜轴承为例, 三代摩根高线轧机为<108mm, 油腔结构见图4, 五代摩根高线轧机为<127mm, 油腔结构见图5。 从图4 的油腔结构可以看出, 只有一个油孔进油, 进入油膜轴承间隙内的润滑油, 首先得通过狭窄的周向油槽再到轴向分油槽, 将润滑油沿周向分开,润滑油流量小、油阻大。而从图5 我们可以发现有四个油孔可以进油, 进入油膜轴承间隙内的油, 立即在油腔内沿轴向散开, 润滑油流量大, 油阻小。所以摩根五代比摩根三代油膜轴承润滑油流量更大, 温升更低, 更适合高速工况。另外, 为了减小由轧制力产生的轴颈挠度变形, 摩根高线轧机在轧辊轴颈上预先加工出了一个锥度。 5 油膜轴承的材料 传统轧机的油膜轴承材料大多采用钢) 巴氏合金二层金属材料, 这是因为巴氏合金具有很好的镶嵌性和顺应性, 同时具有很低的摩擦系数, 但当油膜压力达到14MPa 时, 其弹性变形不可忽略。铜铅合金的摩擦系数同样低, 其抗变形能力和热传导能力均优于巴氏合金, 只是镶嵌性和顺应性不如巴氏合金。如果在铜铅合金上再复合上一层巴氏合金, 则可将巴氏合金和铜铅合金的优点都发挥出来。摩根油膜轴承就是采用这种钢) 铜铅合金) 巴氏合金三层金属材料。实际上复合材料有五层, 在铜铅合金与巴氏合金之间有一层镍栅层, 整个外表面还有一层防护层。巴氏合金层中的锡主要是起抗有机物质的腐蚀, 但锡原子很容易扩散到铜合金层去, 用镍栅层来阻挡, 以提高油膜轴承的抗腐蚀性能。表面防护层是对整个表面起防锈作用。由于整个轧钢过程中, 轧制力是以矩形波的形式出现, 承载力也是以矩形波的形式作用在油膜轴承的内表面, 对巴氏合金层产生一种疲劳工况, 因此巴氏合金层不能太厚, 一般都在0105mm 左右。三层金属材料油膜轴承不仅利用了巴氏合金的镶嵌性和顺应性好的特点, 还利用了铜铅合金抗压性和散热性好的特点, 很好地满足了高线轧机高速重载对油膜轴承提出的性能要求, 因而被广泛地应用地各类高线轧机上。三层金属材料油膜轴承还有一个特点,就是便于工人掌握更换的时机, 油膜轴承如果露铜,就该更换了。 6 油膜轴承使用中应注意的几个问题了解了油膜轴承的工作原理、结构和材料, 我觉 得它并不神秘。国产油膜轴承是完全可能替代进口摩根轴承, 以降低成本, 保证正常生产。但在生产中,还应该注意以下几个问题: ( 1) 油膜轴承在储运过程及装配过程中不许碰伤内表面。 ( 2) 油膜轴承装配应该使用装配工具, 装配间必须配备医用冰箱( - 80 e ) 。装配时, 先将油膜轴承放入冰箱冰冻1h 左右, 迅速取出去, 立即用手轻轻压入导套, 再用压锤在导套内将油膜轴承压到底, 然后, 将导套放到偏心套上对准位置, 用压锤将导套内 的油膜轴承压入偏心套内。切忌用手扶加大锤打的办法进行装配, 否则将可能导致油膜轴承变形, 装不进辊轴。 (3) 油膜轴承装配时一定要先冲洗干净再行安装。切不可将杂质带入辊箱, 否则可能烧瓦。油膜轴承装配完毕, 一定要进行测量, 检查油膜轴承间隙是否满足要求, 同时作好记录。 ( 4) 润滑油要经常进行化验, 检查润滑油中金属杂质的含量是否超标, 检查油水分离情况和润滑油中水的含量, 必要时进行处理。国内高线轧机烧瓦绝大多数情况是由于润滑油中含金属杂质或含水量超标所致。 ( 5) 轧制过程中, 要经常检查润滑油的供油压力。由于供油管不畅或过滤器堵塞而造成供油压力低, 供油流量不够, 形成不了油膜或温升高降低了承载力, 最后会导致烧瓦。 (6) 应该定出合理的检修周期, 定期对辊箱进行检修维护, 及时更换油膜轴承。油膜轴承露铜就应该更换, 这是因为铜铅合金虽然是很好的减磨材料, 但镶嵌性不太好, 如果润滑油中有金属杂质, 就容易烧瓦。另外, 如果更换下来的辊箱, 检修以后不是放回原来的位置, 那最好也要换掉油膜轴承。因为每个机架轧制力、转速等工况都不一样, 轴颈的工作位置也不一样, 膜痕因此也不会一样, 换到另一位置就会增加烧瓦的机会。
在超低温环境下（-X°C，如-60°C、-196°C等），保持轴承的良好性能是确保机械设备稳定运行的关键。以下是一些关于如何在超低温下保持轴承良好性能的方法：一、选择特殊材料1. 合金钢或不锈钢：超低温轴承采用特殊的合金钢或不锈钢材料，这些材料在低温下仍能保持足够的强度和韧性，从而确保轴承在极端寒冷的环境中不易损坏。2. 陶瓷材料：陶瓷材料因其低密度、高硬度、耐腐蚀和优异的热稳定性，成为超低温环境下轴承材料的理想选择。特别是某些高端轴承，如低温陶瓷球轴承，在极低的温度下仍能保持良好的机械性能和耐磨性。二、优化结构设计1. 单列深沟球轴承和圆柱滚子轴承：这两种结构在承受径向载荷和轴向载荷方面具有较高的可靠性，适合用于超低温环境。2. 合理间隙设计：为了减小因温度变化引起的热应力集中，轴承的内外圈及滚动体之间需设计合理的间隙，以确保轴承在低温下的顺畅运转。三、采用特殊润滑系统1. 低温润滑脂或固体润滑剂：传统的润滑油脂在极低的温度下可能会失去流动性，导致轴承运转不畅。因此，超低温轴承需采用特殊的润滑系统，如低温润滑脂或固体润滑剂，这些润滑剂在极低的温度下仍能保持良好的润滑性能。2. 润滑剂选择与更换周期：防止润滑不良导致的轴承损坏，需特别注意润滑剂的选择与更换周期，确保在低温下仍能形成有效的润滑膜。四、制造工艺优化1. 高精度加工：采用高精度的加工设备和工艺，以确保轴承的尺寸精度和表面质量，从而提高轴承的耐磨性和使用寿命。2. 严格检测与测试：对轴承进行严格的检测和测试，以确保其在极寒条件下的可靠性和耐久性。五、应用与维护1. 应用领域：超低温轴承广泛应用于液化天然气、航空航天、深海探测等极端寒冷环境中。在这些环境中，超低温轴承凭借其良好的性能和可靠性，为设备的稳定运行提供了有力保障。2. 定期维护：定期的维护与检查也是保障超低温轴承稳定运行的关键。用户应根据设备的使用情况制定合理的维护计划，包括润滑剂的更换周期、轴承的清洗与检查等。综上所述，通过选择特殊材料、优化结构设计、采用特殊润滑系统、制造工艺优化以及合理应用与维护，可以确保超低温轴承在-X°C下保持良好性能。这些措施不仅提高了轴承的耐磨性和使用寿命，还确保了机械设备在极端寒冷环境中的稳定运行。
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