活套控制对轧机齿轮箱轴承寿命的影响

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摘  要：针对高速线材生产线上活套调整带来的轧机齿轮箱轴承寿命骤减问题，分别对不同控制环节中的不稳定因素及原因进行了分析，并给出了具体控制措施。经实施后，轧机齿轮箱轴承寿命得到有效延长。 关键词：活套控制；齿轮箱轴承；预防措施0 引言

高速线材生产线生产的活套机构是用于检测和调整相邻机架间速度关系的装置，参与轧制过程中的张力控制，调节金属秒流量平衡，其目的是确保连续层压过程中钢料间的张力稳定，消除机架间的张力波动，实现微张力轧制。轧机齿轮箱由变频电机通过联 轴器带动，经过多级传导，通过万向轴、联轴器，最终将适用于轧制过程的终端速度反映到轧辊转速上。齿轮箱内大多使用调心滚子系列轴承，在使用过程中出现保持架断裂、滚动体损坏等多种故障，检修更换周期较长，技术要求较高，对企业生产组织产生较大影响。本文针对活套控制过程产生的可能导致齿轮箱轴承（以SKF24136CCC3/W33为例）损坏的各类因素及相应的控制措施进行了探讨，并经过现场实践，取得了较好效果。 

1 活套控制产生的影响分析 1.1 活套控制响应

在线材的轧制过程中相邻两架轧机间会出现大于两架轧机间距的轧件，通过对“多余”轧件的测量，实现对轧机速度控制即活套自动控制。为形成最好的活套形式，在实际生产时由起套辊对轧件进行引导，再通过设置在轧制中心线以外的活套热金属光电扫描器对活套高度实时测量，测量出轧件的活套高度值，控制器通过数学运算计算出活套量。轧机控制系统利用活套量进行程序运算，同时把活套调节器运算出的速度信号同设定的轧机速度信号进行对比，反馈至轧机速度调节器，速度调节器将模拟量信号转换为 数字量信号，再送给轧机调速装置，使与轧件相关的轧机速度能够自动地进行调整，以维持活套高度恒定即套量恒定[1] 。二高线轧制过程为升速咬入，轧件咬入下一机架后，机架前活套动作，调整机架间张力，12架前为1号立套，13架前为2号立套，14架前为3号立套，预精轧15/16架前为1号平套，预精轧17/18前为2号平套，精轧机组（19-26架次）前为3号平套。

本文以3号平套信号（LOOPER6）反馈为例，轧件在咬 入或脱离时，3号平套气缸电磁阀信号反馈，起套臂动作，套量检测到信号数值有变化，产生级联控制动作，同步对前1~18架轧机速度进行同步适应调节。 

1.2 齿轮箱传动响应

本文以3架轧机为例，在轧件轧至85%处受到级联反馈调节，总调节时长1.2s，齿轮箱电机输入电流变化幅度-0.08%~75.38%（见图1），该齿轮箱为四级传动减速机，驱动电机为690V，780kW变频电机，其中第三级传动中心距a=850mm，模数Mn=16，速比 i=Z2/Z1=84/20=4.2（Ⅱ轴齿数Z1=20，Ⅳ轴齿数Z2=84）， 螺旋角β=9°，接触安全系数1.88，弯曲安全系数4.8，为整机传动的薄弱环节，每轧制一根钢，产生一 次大幅度的级联调节，平均波动50次/h，年波动达 43万余次。

2 齿轮箱轴承故障现象及预防措施 2.1 轴承故障根本原因

齿轮箱受到频繁的级联调节动作，导致齿轮轴的摆动角度频繁变化，轴承承受负荷频繁变化，最终导致轴承产生微动磨损，大大缩短了轴承的在线使用寿命。相关研究表明：轴的摆角对微动磨损有极大的影响，摆角在1°以内，磨损速度较小，但超过该值后磨损急剧增加，这一倾向在大负荷下尤为显著；内圈/ 滚动体间产生的磨损要比外圈/滚动体间产生的磨损激烈得多，且损伤的形态也不同；虽然切向力滑动和差动滑动都与损伤有关，但在轴的摆角非常小时，切向力滑动为微动磨损的主因；随着摆角增大，差动 滑动成为主因（见图2）。

2.2 轴承故障表现形式

线材轧机齿轮箱轴承损坏形式有多种，本文仅对活套控制下可能导致的轴承损坏形式进行列举分析。 

2.2.1 大幅度、高频次负载波动

活套参与控制后，产生的信号反馈迅速，尤其是轧件头部通过后起套瞬间产生的信号波动数值均被传送到轧机主传控制柜，3架轧机主传电机所在的控制柜对计算后的加速力进行一定时间段的滤波活动，针对伺服驱动器，加速转矩滤波时间常数p1 402.4为1 时，设置p1 517为0ms时可达到最快的速度响应，过短的时间段虽能使得整体反馈控制动作快速响应，但会产生不必要的繁冗调节，导致轧机转速调节频繁，甚至导致齿轮箱电机输入电流变化幅度过大，继而对后部各传动机构造成不可逆的损伤。 

2.2.2 轴承偏心套跑圈

粗轧3架轧机齿轮箱第3级传动结构中，Ⅲ轴为输入轴，Ⅳ轴为输出轴，在活套控制影响下，齿轮箱各齿轮轴会克服自身惯性频繁进行启停、加减速动作，在该齿轮箱结构中，Ⅳ轴整体结构质量最大（5617kg），惯性最大，最易导致固定端轴承外圈配合的偏心套与齿轮箱体跑圈，继而使得与之配对的齿啮合间隙增大，对间隔套、轴承内圈、轴承保持架均有损坏。 

2.2.3 保持架损伤

一对配合的齿轴工作间隙发生变化后，传动平稳性降低，其各自受到的轴向作用力会出现较大变化，加之输入扭矩的频繁波动，使得轴承受到的轴向力频繁变化，滚动体受到的轴向力作用到保持架上，会使得保持架磨损劣化，滚动体摇摆，最终导致保持架变形失效。前期3架齿轮箱、7架齿轮箱常规检查中发现滚动体端面有擦刮伤，即为此原因导致。

2.2.4 微动磨损

调心滚子轴承受到波动的轴向载荷力作用， 其中轴向载荷与径向载荷的比率超过e值（SKF 24136CCC3/W33对应的e常数值为0.37）时，未承担轴向载荷一列的滚动体与滚道之间产生打滑，造成滚道面、滚动体面擦伤，继而产生微动磨损，润滑效果差，颗粒物的混入，或在较大载荷的情况下导致油膜破裂不连续，也可导致擦伤。

2.3轴承故障预防措施2.3.1 减缓轧机主传电机大幅度、高频次负载波动

加速力滤波时间常数（p1 517为[0，…，n]）可对控制柜计算加速力后的滤波活动时间段进行线性控制， 该批次控制柜出厂设置参数为4.00ms。当该值增大为8.00ms时，级联反馈调节总时长减少至0.5s，缩短了58.33%，齿轮箱电机输入电流变化幅度缩小至-0.02%~11.48%，降低了84.77%，调节过程趋于平稳。当该值继续增大时，轧机传动速度反应迟钝，存在拱钢或轧件拉断风险。故而设置p1 517=8.00ms为最佳状态。 

2.3.2杜绝轴承偏心套跑圈

粗轧3架轧机齿轮箱各偏心套均有设置止动销， 往期的齿轮箱维护调整中偏心套与齿轮箱体上设置的销孔位置有所变化，在后期间隙调整过程中，应充分考虑止动销轴向窜动后位置改变，可能会导致止动销止动功能失效，应保证轴向位移长度小于止动有效 长度的50%，确保偏心套与齿轮箱体无跑圈，齿轮副啮合间隙无变化。在后续的齿轮箱常规检查中，应重点关注偏心套与齿轮箱体的相对位置，及止动销的有效性。尤其注意整个齿轮箱惯性最大齿轴的状态变化，做好预知维修工作。 

2.3.3 优化轴承检查方法，提高检查准确率

根据粗中轧齿轮箱工况环境，选择冲压钢保持架轴承用于冲击负荷较高的位置，常规检查仅将齿轮箱窥视孔盖打开检查部分轴承、润滑油路等，但个别轴承不能被有效检查判断，应在日常检查中利用4h以 上的停机检修时间，拆卸位于齿轮箱体上轴承端盖， 可直截了当地观察到轴承的状态，在检查过程中尤其注意滚动体端面情况，轴承保持架的磨损情况，及时更换保持架磨损异常的轴承，对于滚动体端面出现擦刮伤的情况，要测量与该轴承所在的齿轮轴配对的齿轴啮合间隙，并调整到技术参数要求范围内，确保传动平稳性，必要时更换滚动体端面出现擦刮伤的轴承。

2.3.4 创造良好的轴承工况环境

以调心滚子轴承SKF 24136CCC3/W33为例，基本额定动载荷为1190 k N，对应的e常数值为0.37。在工作过程中，当量动载荷不得大于基本额定动载 荷，且轴向载荷与径向载荷的比率不得超过0.37。此外，应对润滑油进行有效控制，粗中轧齿轮箱使用长城4407（320）润滑油，齿轮箱润滑油入口压力保证在0.2~0.4 MPa，流量不得小于90 L/min。润滑系统过滤器压差不得大于50k Pa，过滤精度不得大于50μm，每周检查磁过滤器上附着的金属杂质并及时清理。每月化验一次油品PQ值等参数，保证润滑介质清洁。

3 结语

经过长期实践检验及总结，对以上由活套控制产生影响齿轮箱轴承寿命的各类因素通过措施落实，有效保障了齿轮箱轴承寿命的可靠性，降低了高速线材轧机齿轮箱故障率，提高了设备的稳定性，杜绝高速线材粗中轧齿轮箱轴承烧损的较大设备故障。对于企业生产稳定顺行具有良好的经济价值。

【参考文献】

[1]赵恒.高速线材轧机活套闭环控制系统的研究与应用[J].科技创新与应用，2023，13（12）：106-109.

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