轧机用齿轮箱轴承的失效分析

轧机用齿轮箱轴承的失效分析

李明阳

南京高精齿轮集团有限公司  南京  211100

摘要：在设计用于轧钢线上驱动轧机用的齿轮箱的过程中均会校核支撑轴承的基本额定寿命L10h，使其大于行业规定值，以保证齿轮箱有足够的使用年限，但是通常很少会主动校核齿轮箱支撑轴承的最小负荷要求，而该项工作对于滚子轴承非常重要。本文分析了轧钢厂齿轮箱损坏的实际使用案例，以此来说明设计时校核齿轮箱支撑轴承所需最小负荷的重要性。

关键词：齿轮箱、基本额定寿命L10h、最小负荷。

中图分类号：TH12      文献标识码：A

引言

国内某家轧制棒线材的钢厂，其用于驱动轧机的齿轮箱的输入轴游动端支撑轴承的保持架发生多次损坏，致使齿轮箱无法正常运转，导致生产线被迫停产，严重影响了钢厂的生产计划，现对其损坏原因进行分析，用于指导和制定该齿轮箱的维修方案，彻底解决该问题，并避免在以后的设计中类似的问题再次发生。

实际案例分析

该钢厂使用的齿轮箱输入轴系的整体设计结构如下图（一）所示：

图（一）

    该轴系使用两个调心滚子轴承23232CC/W33进行支撑，左端轴承轴向固定，承受径向力的同时还承受了圆柱斜齿轮的轴向力；右端轴承轴向游动，仅承受径向力。驱动电机通过鼓形齿联轴器与该输入轴相连，将动力传递给齿轮箱。电机的实际运行参数及齿轮箱输入轴系的各项设计参数如下：

1.驱动齿轮箱运行的电机实测数值：电压U=660、电流I=400A、转速n=1100rpm；

2.该轴系上齿轮的设计参数：齿数z=19、模数Mn=10、螺旋角β=9°、旋向为左旋L；

3.轴承参数：型号23232CC/W33、基本额定动载荷

C=1220KN、基本额定静载荷C0=1660KN、e=0.35、Y1=1.9、Y2=2.9、参考转速nr=1500rpm；

4.齿轮轮齿的受力分析：切向力Ft=23.83KN、径向力Fr=8.78KN、轴向力Fa=3.77KN。

5.由以上数据计算轴承的受力情况及基本额定寿命L10，其计算结果见表（一）：

表（一）

从表（一）中的计算结果可以看出支撑该输入轴系的两个轴承的基本额定寿命L10h均大于106小时（100万小时），寿命非常富裕（通常要求L10h>2.5万小时），此时需要校核轴承所受的当量载荷是否满足轴承运转所需要的最小负荷。轴承运转所需要的最小负荷是指为使轴承获得良好运行必须承受的最小负荷，该负荷在轴承高速运转（实际运转速度高于参考转速的70%）及润滑剂粘度高时尤其重要。当实际载荷低于轴承所需要的最小负荷时，会使轴承滚子和滚道之间产生滑动运动，造成轴承滚子的歪斜，长时间运行会造成轴承保持架磨损或断裂，最终导致轴承失效，齿轮箱无法正常运转。

轴承所需的最小负荷可以用如下公式估算：

Pm=0.01C0

如按上式估算出的结果不满足轴承运转所需的最小负荷要求，则需要进一步按如下公式进行更加详细的计算：

Pm=0.003C0(1+2)

由估算公式计算可得该轴承所需的最小负荷估算值为16.6KN，详细计算值为11.54KN，因此左端轴承满足该设计要求，右端轴承不满足该设计要求，造成实际使用过程中该轴承多次损坏。观察拆箱后该轴承的实际损坏情况发现，该轴承内外圈滚道完好，保持架侧边有磨损的情况，保持架隔离滚子的兜孔横梁断裂，滚子横置，该损坏特点符合由于滚子歪斜造成轴承失效的情况。

在随后的维修过程中依据该理论原理，将该处轴承更换为内、外径相同窄系列规格的轴承22232CC/W33（nr=2000rpm、C0=1290KN）。由以上两个公式计算可得该轴承运转所需的最小负荷估算值为12.9KN，详细计算值为7.74KN，右端轴承运行过程中的实际当量载荷为11.25KN，大于该轴承所需的最小负荷，满足该轴承的使用要求。具体的维修方案如图（二）所示：

图（二）

结束语

采用以上方案维修后，齿轮箱在运送到客户现场后的实际使用过程中未再发生过轴承损坏的情况，证明了该维修方案的正确性。该案例告诉我们在轧机齿轮箱的设计过程中支撑轴承不能选择的过大，过大的轴承不仅会造成齿轮箱成本的上升，还会造成由于轴承所承受的实际当量载荷低于轴承所需的最小负荷而引起的轴承失效。齿轮箱的设计过程中选择过大或过小的轴承都会降低齿轮箱的使用寿命，只有合理的选择支撑轴承才会使齿轮箱的实际使用寿命达到最佳。

参考文献：

[1] SKF  轴承综合型录

[2] NSK  轴承综合样本 

[3] FAG  滚动轴承型录