烧结机卡轮用满装圆柱滚子轴承

阮娟，张雪，张钢，王庆祥，白华

(1．上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072； 2．优必胜(上海)精密轴承制造有限公司，上海 200444)

从世界范围来看，由于钢铁生产能力过剩，竞争愈来愈激烈，只有生产出质量高、成本低的产品，才能在市场中立足。烧结作为钢铁生产的第一环节，提高烧结机设备的效率和使用寿命是降低生产成本的重要方面。台车的性能优劣直接影响烧结机的使用，而卡轮又对台车的正常运转起着基础性的作用，为了延长台车的寿命，提高烧结产量，对卡轮结构的改进和研究具有重要的意义。

下文结合某450 m2烧结机生产线台车的实际情况，设计了一种双列满装圆柱滚子轴承，以代替原来的滑动轴承。

1 改造前烧结机台车卡轮结构及工况

烧结机台车是烧结机的重要部件之一，数量居多，在高温多粉尘状况下工作，承载重，受冲击大，工作环境恶劣。台车在烧结机头部装满混合料后向尾部运行，上表面的混合料在点火炉下部点火，在抽风负压作用下，混合料开始被烧结，台车运行至烧结生产线尾部时烧结完成，整个过程中台车的运动通过下部4个车轮的转动驱动。卡轮位于车轮和车体之间，主要作用是在台车头轮上升和尾轮下翻的弯道运动中通过与星轮齿板的啮合传动来带动台车的顺利翻转，并驱动整条烧结机台车生产线运动，其不仅要承受台车上所有的重量和生产线上所有台车的挤压作用力引起的脉动热应力，还要承受头、尾弯道处的冲击[1]。

传统的烧结机卡轮为滑动轴承结构，由轴套、卡轮体和2个隔离环组成，如图1所示。

轴套装在台车体和车轮之间的轮轴上，卡轮体套于轴套上，隔离环位于卡轮体两侧，靠轴端部注脂孔注脂润滑。因工作温度高，卡轮不能采用常规的橡胶密封件对两侧的缝隙进行密封，而且无法加入特殊的密封结构，从而造成大量的灰尘、铁屑从其两侧的缝隙进入卡轮内部，造成润滑脂流失、结焦，注脂孔堵塞等，极易产生干摩擦现象，致使卡轮体和轴套之间的滑动摩擦系数达0.1～0.5，甚至更大，导致动力消耗加剧，运行成本增加，卡轮各个部件间的磨损加快，极易造成轴套、轴颈严重磨损而报废或轴、轴套、卡轮体间的咬死[2]。此外，轴套和隔离环均由锡青铜制造，耐磨性较差，平均使用寿命只有半年，需要频繁更换，严重影响了烧结机的工作效率，维护成本巨大。

1—车轴；2—台车体；3，6—隔离环；4—轴套；5—卡轮体；7—车轮

2 双列满装圆柱滚子轴承

2.1 结构及其特点

根据台车卡轮实际工况开发的双列满装圆柱滚子轴承如图2所示。

1—卡环；2—挡圈；3—注脂槽；4—注脂孔；5—内圈；6—滚子；7—外圈

该轴承由外圈、内圈、滚子、挡圈和耐高温弹簧密封卡环组成。内圈安装在卡轮轴上，与轴过盈配合，内圈轴向方向的中间部位有注脂孔；2个挡圈分别安装在内圈两边，与卡轮轴直接接触；内圈外部注脂孔两侧有2列满装圆柱滚子；外圈两端与2个挡圈接触配合，中间与滚子配合；2个挡圈与外圈配合处各安装有一对密封弹簧卡环。

该卡轮轴承结构的优点在于：(1)耐高温密封件由2件错开布置的弹簧卡环组成，卡环上设有开口，具有一定的径向收缩弹性，便于安装并与挡圈和外圈的贴合更为紧密，卡环开口错开布置，能形成有效的密封，防止灰尘的侵入，润滑脂不易损坏和泄漏，可以实现长时间免维修使用；(2)内圈轴向方向的中间部位有4个注脂孔，可连通注脂槽和滚道，在给卡轮添加润滑脂时，润滑脂通过台车轴上的注脂通道进入内圈的注脂槽，再通过注脂孔进入滚道，可以有效避免在添加润滑脂时将外部灰尘带入卡轮内部，保持轴承内部洁净，减少摩擦，同时也方便了润滑脂的添加和维护；(3)将传统卡轮中的滑动摩擦转变为滚动摩擦，摩擦系数可下降至0.002，减少了动力消耗，使运行成本大大降低。考虑到该卡轮轴承内圈固定、外圈承载大、有冲击、运转速度低的工况，采取去掉保持架，改用挡圈引导的双列满装滚子的形式，并适度减小滚子的直径，增加滚子个数及外圈厚度[3]，从而极大地提高了卡轮轴承的径向承载能力和外圈强度。安装了双列满装圆柱滚子轴承后的新型卡轮结构如图3所示。

1—挡圈；2—外圈；3—滚子；4—注油孔；5—内圈；6—卡环；7—车轮；8—注油通道；

2.2 寿命计算

双列满装圆柱滚子卡轮轴承的基本参数为：外径D=250 mm，内径d=160 mm，滚子直径Dw=6 mm，滚子长度Lw=42 mm，滚子列数i=2，滚子组节圆直径Dpw=187.2 mm。

圆柱滚子轴承额定动载荷为

(1)

式中：bm，fc为载荷系数，查得bm=1.1，fc=67.36。

额定静载荷公式为

C0r=44(1-Dw/Dpw)iZLwDw。

(2)

据此计算出轴承基本额定动、静载荷分别为Cr=496.2 kN和C0r=2 103.6 kN。

依据450 m2烧结机生产线的总体情况估算卡轮轴承所受径向载荷的最大极限为939.68 kN；台车2小时走一圈，卡轮转速约为n=0.008 33 r/min。当量动、静载荷P，P0都取其极限值。对卡轮轴承的静承载能力和寿命进行校核：静载安全系数S=C0r/P0=2.24，大于冲击载荷条件下许用安全系数2。

寿命Lh为

(3)

计算结果为238 118 h，约27年，远远大于10年的设计寿命要求。因此，从理论上讲，该双列满装圆柱滚子轴承不论在安全性能方面还是在使用寿命上都满足了设计要求，比传统滑动轴承有着显著的优势。

2.3 热处理方法

为使该卡轮轴承更大程度地满足耐高温、长寿命的性能要求，对其各个零件选用不同的材料，热处理过程严格控制滚道面及其他工作表面的硬度。外圈选用42CrMo渗碳轴承钢，先整体调质到220～250 HB，然后滚道表面高频淬火到54～58 HRC,其他工作表面高频淬火到45～50 HRC (耐磨和耐冲击)；内圈和挡圈选用GCr15SiMn高铬轴承钢，内圈滚道表面高频淬火到56～60 HRC；滚子选用GCr15，全透淬火到58～62 HRC；最后外圈、内圈、挡圈和滚子都采用250 ℃高温回火处理，来消除淬火附加应力，增加韧性，确保在200 ℃的高温环境中能正常工作。为了防止套圈产生裂纹，热处理过程中必须严格控制淬、回火的加热和冷却速度，过大或过小都将导致套圈的开裂和淬火变形。密封卡环选用65Mn高锰弹簧钢。轴承内加注能承受200 ℃的耐高温润滑脂，注脂量应达到注脂空间的1/3～1/2。

3 应用实例

将试制的20套双列满装圆柱滚子轴承安装在某公司450 m2烧结生产线烧结机上进行试用。为了检验效果，在87，112和159号台车的12个卡轮中安装双列满装圆柱滚子轴承，而其他的台车仍然使用传统的滑动轴承。装有双列满装圆柱滚子轴承的台车良好运行了15个月，整体大修时将换下的轴承拆开，发现其零部件仍然良好；而其他台车中的滑动轴承已经维修了若干次(平均3个月一小修，6个月一大修)，甚至有的铜套由于磨损严重已经更换掉。可见，双列满装圆柱滚子轴承比传统的滑动轴承更具有优越性，能更好地支持烧结机工作。

4 结束语

试用表明，烧结机台车卡轮采用双列满装圆柱滚子轴承比滑动轴承有更大的优越性。该双列满装圆柱滚子轴承具有使用寿命长、密封性能好、承载能力大和耐冲击等特点。由于润滑脂不易被破坏，无需频繁更换，降低了维修成本，提高了烧结机的工作效率，增加了烧结产量，减小了动力消耗，降低了运行成本。