摘 要：通过对四列组合轴承载荷分布的模拟实验研究，提出了轴承径向载荷分布的检测方法，为宝钢2050精轧机提高工作辊轴承寿命的研究工作提供了可靠的实验手段与试验数据，实验结果对研究轴承破坏机理具有重要参考价值。

关键词：实验研究 测试技术 轴承寿命 轧辊轴承

近年来，随着汽车、家电等行业的飞速发展，用户对钢材质量要求愈来愈高，轧机的板形控制手段也愈来愈强。如目前广泛使用的HC、CVC、PC等技术，均具有很强的板形控制能力。然而，由于上述板形控制技术的应用，使轧机结构更加复杂，工作辊轴承及轴承座受力状态恶化，轴承烧熔事故时有发生。武钢从德国 SMS公司引进的1700连轧机，1981～1984年间轴承烧熔百余套［1］。渤海铝业公司90年代由英国DAVY公司引进的铝箔轧机，在轧机负荷与轧制速度均小于设计能力的情况下，多次发生轴承烧熔。宝钢2050热连轧机精轧机组F4～ F7机架采用进口SKF轴承，其寿命远未达到设计水平，1996～1997年间SKF轴承非正常破坏30余套，造成严重的经济损失。

针对上述情况，许多学者在如何提高轧辊轴承寿命方面进行了理论与实验研究，并采取了相应措施，如提高加工精度、改善润滑条件、增加轴承间隙等。但未从根本上解决问题［2］，轴承烧熔现象依然非常严重。为此，我校轧钢研究所与宝钢热轧厂合作，以2050精轧机F4机架为目标，从理论研究与实验研究两方面对工作辊轴承的破坏机理进行攻关，取得了突破性进展。有关轴承破坏原因的理论分析参见文献［6］，本文主要阐述实验方法与结果。

1 轧辊轴承结构与破坏形式

宝钢2050热连轧机是CVC四辊轧机，工作辊传动侧采用四例圆锥辊子轴承，操作侧采用德国 SKF公司生产的组合轴承，图1显示了轴承的烧损情况。现场统计资料表明，轴承烧熔事故主要发生在轧机操作侧的组合轴承上，破坏形式多为轴承滚动体与外环局部剥落。这种现象说明，在轧机工作过程中， 靠近辊身侧的轴承承受较大的局部接触应力，在该应力的反复作用下产生局部疲劳剥落，造成轴承烧损。因 此，研究组合轴承的载荷分布，找出载荷分布不均的原因，是本次实验研究的重点内容。

2 实验方案设计

宝钢热轧厂属大型连续性生产企业，实验必须地生产条件下进行，在实验中不得有任何影响生产的因素存在。而且工作辊轴承是在高速重载条件下工作，加之大量冷却水的冲击，给实验带来很多困难。为保证现场实测的顺利进行，必须先进行实验室模拟试验，为现场实测奠定基础。

2.1 轴承径向载荷分布测定方案

要准确地测定轴承径向载荷分布，***有效的办法是将传感器安装于轴承座内，使其直接感受各列轴承的径向力，但由于轴承结构与密封要求，这种测试方案具有相当难度，目前尚未见到有关报道。通过深入的理论分析与反复实验，设计了一种埋入式传感器，将其装在工作辊轴承座内，为了保证轴承的正常工作，传感器的设计、安装及轴承座的设计必须满足条件：

①埋入式传感器必须具有较高的灵敏度、良好的密封、较强的抗干扰能力与较长的使用寿命；

②传感器应安装在轴承径向载荷***大的位置，并能够准确地反应载荷的变化；

③由于传感器位于弹性系统中，因此传感器的刚度与轴承座的整体刚度应具有一定的比例关系，以保证传感器的输出灵敏度；

④由于实验在生产条件下进行，安装传感器的轴承座应满足轧机生产的强度与刚度要求。因此，必须按相似理论设计实验机，并进行反复实验，考察实验方案的可靠性。

为了满足上述条件，首先采用边界元法对轴承座进行了分析［3］，为实验方案设计提供了理论依据。 

2.2 模拟实验样机设计

为了使模拟实验更接近实际，依据相似理论设

计了2050轧机工作辊轴承座部件的模拟实验样机，

模型的几何尺寸与材料选择遵循如下规律［4］。

轧机轴承座的材料为ZG270—550，模型亦选择该种材料；轧机的***大弯辊力为1000kN，模拟样机的弯辊力取40kN。实验过程中，由千斤顶向轴承座耳部加载，模拟弯辊力。轴承座被固定在实验台架上，轴承座内安装有芯轴，由电机带动芯轴旋转，模拟轧辊运动，尽可能做到模型的工况与实物工况相似。然而由于2050热连轧机结构复杂，工作环境恶劣，很难做到载荷工况的完全相同。尽管如此，模拟实验结果对研究测试方案的可行性及影响轴承寿命的共性问题仍具有重要的参考价值。 

2.3 测试系统选择

由于被测对象结构复杂，所采用的传感器必须进行专门设计。由应变片与弹性元件所组成的电阻应变式传感器可根据被测物体的结构与受力状态进行设计。被测信号为力参量，因此选用由电阻应变仪与记录仪所组成的测试系统，该系统工作可靠，抗干扰强，适合现场实测。为了提高测试结果的可靠性，在轴承座表面相应位置贴了两组应变花，作为传感器测试结果的补充。传感器的安装位置与测试系统组成如图2所示。

3 模拟实验过程及结果分析

静态模拟实验的目的是为了考察埋入式传感器及应变花对轴承径向载荷的响应情况。静态实验的条件为：模拟样机不旋转，由千斤顶顶住轴承座两侧的凸台，模拟弯辊力的作用效果。载荷大小由位 于千斤顶上的测力压头指示。

3.1 埋入式传感器对弯辊力的响应

图3 （a）、（b）为埋入式传感器装入轴承座后的标定曲线。图3 （a）为1号～4号径向力传感器对弯辊力大小的响应情况（4个传感器的位置见图2）。弯辊力作用点位于轴承座中心线上，横坐标表示弯辊力的变化，纵坐标为各传感器的输出值。由图可见， 当弯辊力变化时各传感器的输出具有良好的线性与较高的灵敏度。

图3（b）为径向力传感器对组合轴承偏载的响应，造成偏载的方法是人为移动加载装置，使其偏离轴承中心线。横坐标表示千斤顶的位置，0点对应于组合轴承的中心线，正值表示向辊身侧偏移，负值表示向操作侧偏移。当千斤顶向辊身方向移动40mm时，1号，2号传感器信号明显增加，反之，3号，4号传感器信号明显增加。说明埋入式传感器对偏载变化反应灵敏，完全可满足轴承径向载荷分布的测试要求。

3.2 应变花对弯辊力的响应

在弯辊力的作用下，轴承座外表面有较大的应力变化。本实验采用45°应变花，1号应变花位于辊身侧，2号应变花位于操作侧。测试点的应力值由式 （1）确定［5］。

随着弯辊力作用位置的改变，两组应变花所测得的应变与应力如表1所示。

表中的中间位置对应图3（b）中的0位，偏离值与图3（b）相对应。由表中数据可见，随着弯辊力作用点的变化，应变花的输出亦有较大变化。当载荷移向辊身侧时，1号应变花的***大主应力明显增加，反之2号应变花的***大主应力值增大，说明轴承偏载可引起轴承座表面应力分布的变化。比较图3（b）与表1可发现，当载荷作用点发生变化时，传感器与应变花的变化规律一致。但从数据结果看，由于轴承座轴向结构不对称，加之安装、约束等多方面因素，两组应变花的输出缺乏规律性，当载荷位置变化时，1号应变花***大主应力变化明显，而2号应变花***大剪应力变化明显，缺乏直观对比性。而埋入式传感器由于相对独立，可非常直观地反应各列轴承的载荷变化，是一种简单可靠的测试方法。

3.3 轴承径向载荷分布的动态模拟

为了验证测试方案在轧机工作状态下的可行性，必须对实验装置进行动态实验。实验装置转速为0～19 r／min，由心轴转动模拟轧辊运动。在心轴转动的同时，千斤顶对轴承座加载，模拟弯辊力作用效果，各种状态下实测数据平均值如表2所示。

由表2可见，动态实验结果与静态实验结果具有一致的规律性，但在动态情况下，尽管所施加的弯辊力比静态实验时小，但传感器的输出却比较大，说明轴承径向力的大小不仅与弯辊力有关，而且还与零件加工精度、装配精度、机构的振动等多种因素有关。因此，静态实验只能作为方案可行性研究的定性分析，而不能作为***终结果取代动态过程。 

4 现场实测效果

采用上述实验方案，课题组于1999年8月及2000年5月间对宝钢2050热连轧机F4机座的下工作辊操作侧轴承载荷分布进行了3次大规模的现场实测，取得了一系列重要数据，根据测试结果所进行的改造已获得明显效果，受到宝钢领导与现场技术人员的充分肯定，为提高大型板带轧机轴承寿命提供了成功经验。由于篇幅所限，仅列举一组数据说明实验结果，更详细的资料参见宝钢2050热连轧机轴承载荷测试报告。

图4 （a）（b），分别显示了使用专利技术“轧辊轴承座自卫装置”对F4轴承座改造前后，轴承径向载荷分布情况，两者的实验条件示于表3中。

图中，4条曲线分别表示4个传感器在一个轧制道次中的受力情况，1号、2号位于辊身侧，3号、4号位于操作侧。改造前，在咬入阶段，1号、2号传感器的受力是3、4号传感器的5倍左右，说明轴承存在严重偏载。而改造后，1号、2号传感器的受力明显降低，4个传感器的受力趋于均匀，说明轧辊轴承座自卫装置具有显著的自卫效果，有效地减轻了轴承偏载。经过近1年的运行考验，轴承寿命明显提高。

自卫装置寿命可靠、运转良好。为此现场决定，热连轧精轧机组F1～ F7机座全部采用自卫装置，对轴承座进行改造。从曲线变化趋势可看出，当弯辊力施加后，空载时轴承所承受的偏载比轧制时大的多， 该结论可通过辊系受力分析得到证实，在此不再详 述。 

5 结论

通过对宝钢2050热连轧机F4机座工作辊轴承载荷分布实验方法的研究与实际应用证明。

（1 ）用埋入式传感器可直接测量轴承的径向载荷分布，而且排除了各列轴承间的相互干扰，提供 了一种新的轴承径向力测试方法。

（2）实验结果表明，在轴承座外表面贴片，亦可检测轴承径向载荷的变化，但由于轴承座与受力不是线性关系，将给数据处理带来很多麻烦。

（3）静态与动态测试结果比较，两者存在较大差异，说明轴承径向载荷不仅与载荷有关，还与轴承安装与运动状态等多种因素有关，因此不能用静态实验结果替代动态过程。

（4）按照相似理论所设计的实验用轴承座与传感器，结构合理、工作可靠，完全满足模拟实验要求。

（5）现场实测结果表明，轴承径向载荷传感器设计合理，实验方案正确，轧辊轴承座自卫装置具有明显的自卫效果，能够有效地缓解轴承偏载，提高轴承寿命。

【参考文献】

1 陈志健.冷连轧机工作辊轴承载荷分布研究：［硕士学位论文］.北京：北京科技大学，1986.

2 Ebaugh R L.Chock and Roll Maintenance and its Effect on Work Roll Bearings．Iron and Steel Engineer， 1978，64～68．

3 束学道.轧辊轴承负荷特性数值解析.重型机械，1999，（1 ）：31～37 .

4 丁汉哲主编.实验技术.北京：机械工业出版社，1983 .21～34.

5 沈久珩主编.机械工程测试技术.北京：冶金工业出版社，1991 .188～193 .

6 黄庆学.宝钢2050轧机组合轴承载荷特性的边界元法解析及实验研究.机械工程学报，2001 ，（2）：43～47 .