预精轧机轴承失效分析及结构改进设计

5月 29, 2022 技术支持

通过对某预精轧机传动装置中输入轴上的严重轴承失效以及由此对输入轴上螺旋锥齿轮副的啮合产生的不良影响等故障进行研究, 分析了轴承失效的主要原因, 据此提出了几种相应的结构改进设计方案,并对各改进方案的轴承进行寿命校核及优缺点比较, 找到了最佳的结构改进方案。

某轧钢厂的预精轧机系引进国外生产设备,目前所出现的轮齿磨损及轴承寿命缩短等失效形式主要表现为 :在连续使用一年半至两年的周期之后, 轧机的输入轴承多次发生严重的失效故障, 且由于轴承游隙的原因影响了螺旋锥齿轮的啮合位置, 使得作为关键传动装置的螺旋锥齿轮副的主 、从动轮轮齿表面均产生较大面积的磨损, 严重时甚至会发生轮齿折断现象, 严重影响了生产效率和经济效益的提高。因此, 有必要分析在整个传动装置的失效故障中起主要破坏作用的轴承失效原因, 从而找到相应的解决方案,以实现对预精轧机承载性能和疲劳寿命的改进设计。

根据现场提供的实际参数, 对输入轴螺旋锥齿轮副进行了承载能力计算, 对输入轴轴承进行寿命校核计算, 探讨了轴承失效故障的主要因素, 从理论上提出了若干可行的结构改进方案,并根据实际工况筛选出最佳的改进方案。

根据现场实测参数, 利用锥齿轮承载能力计算公式可以求出输入轴螺旋锥齿轮副主、从动轮的受力情况, 计算得到:

由于事先约定若mx为正则指向齿轮大端,若Fmr为正则指向齿轮轮心, 所以可知 :在实际工况中, 主动小齿轮由于受指向小端的轴向力而有向内移动趋势, 从动大齿轮由于受指向大端的轴向力而有向外移动的趋势 。

因为目前存在的主要问题是输入轴多次发生严重轴承失效故障, 而输入轴所采用的轴承是引进设备中的原装轴承, 则首先考虑应该根据理论计算公式对实际工况下相应的圆锥滚子轴承进行寿命校核, 看其是否能达到实际所需的寿命要求 。根据轴承寿命校核理论计算公式, 考虑输入轴的常用转速( n1=1320r/min), 求得在实际工况参数下, 原设计中使用的双列圆锥滚子轴承寿命为Lh=9.39 年。可以看出, 根据理论计算公式得到的寿命值远远满足预期的3~5年的寿命要求, 这与在实际使用过程中确实存在轴承使用寿命达不到预期寿命要求的失效故障现象存在矛盾。

因此从实际出发, 重新定位分析轴承失效故障的问题所在, 发现输入轴选用了轴承型号为SKF32226的双列圆锥滚子轴承, 查《轴承手册》可知, 该轴承的额定转速为Nmax =1600r/min, 而从原设计的角度来看, 轧机输入轴最大转 速为2200r/min, 从理论上讲已经超过了这种轴承的额定转速(即极限转速), 这意味着不能再利用传统的寿命计算公式对该轴承进行寿命校核, 因为普遍采用的寿命校核公式是在实际转速不超过轴承额定转速的条件下使用的, 否则会出现上面出现的计算结果与实际不符的矛盾现象 。

因此, 从轴承的额定转速出发, 选用额定转速较高的且同样可以承受轴向和径向复合载荷的轴承组合来达到提高轴承寿命的要求。

此外, 从螺旋锥齿轮副的受力状况分析, 由相关机械设计手册可知, 对螺旋锥齿轮副, 当主动轮齿的凹面与从动轮齿的凸面啮合时, 两轮的轴向力均指向各自的大端, 齿侧间隙有增大的趋势, 轮齿不会卡死, 受力状态最佳。而实际工况中的螺旋锥齿轮副在啮合过程中恰恰相反, 是主动轮的凸面与从动轮的凹面相啮合, 且由计算结果可知, 主动轮的轴向力指向锥顶, 使得相互啮合的轮齿齿侧间隙有逐渐减小的趋势, 从而