油膜轴承润滑研究及典型案例分析

项丹 李军林

（太原重工油膜分公司 山西太原 030024）

1 前言

轧机油膜轴承是典型的重载全液体滑动轴承，其工作原理是在油膜轴承达到一定转速情况下将具有一定粘度的润滑油卷吸到收敛的楔形间隙中，在锥套和衬套之间形成油膜层［1］，实现了对轧机外载荷的有效平衡。油膜轴承润滑油除了润滑轴承、传输轴承热量，主要作用是承受轧机的外载荷。为了保证润滑油的正常工作，轧机油膜轴承由一套专门的润滑系统提供润滑支持［2］。

轧机油膜轴承润滑系统保证润滑油以确定的粘度、恒定的温度和一定的流量输入到油膜轴承，使轴承始终处于全液体润滑状态下工作。目前针对油膜轴承润滑系统的研究主要集中在润滑特性、故障分析、设计优化等方面［3-5］，缺少维护、使用方面的工程研究。本文从油膜轴承润滑系统的原理入手，结合现场使用经验，分析并总结事故原因，为油膜轴承的设计、操作提供相应的指导和帮助。

2 轧机油膜轴承润滑系统参数分析

轧机油膜轴承的润滑系统主要有两大类：动压润滑系统和静-动压润滑系统。静-动压润滑系统是在动压润滑系统的基础上增加静压润滑系统形成的集成润滑系统［6-7］。

2.1 动压润滑系统

供油量：由油膜轴承设计厂家提供。根据轴承直径、轴承间隙、轧制力、轧制速度、润滑油粘度等参数综合计算得到。

润滑油品种：根据轧制力、轧制速度进行合理匹配。一般轧制力大、速度低的粗轧机、中厚板轧机和精轧机的前机架选取高粘度润滑油，轧制力小、速度高的精轧机、后机架则要选用低粘度润滑油。也可从厂家油品管理的便捷性考虑，整条轧线选择同一种润滑油产品，但是这种设计方案必须经过油膜轴承设计单位对轧机轧制参数进行专门的设计计算，通过改变轴承间隙的途径得以施行，同时这种设计方案也会对轴承的管理带来诸多不便。一般轧机油膜轴承的动压润滑系统设计方案如表1。

表1 动压润滑系统设计方案及要求

2.2 静压润滑系统

静压润滑系统的压力必须根据轧机轴承的承载，经过计算后确定。目前世界上对超高压润滑系统的应用有限，压力等级分级较少，因此供油膜轴承静压润滑系统的备选方案也相对较少。轧机油膜轴承的静压润滑系统主要设计方案如表2。

3 轧机油膜轴承润滑系统结构概述

3.1 贮油装置

油箱，一般轧机油膜轴承润滑系统会设置两个油箱，容积为油膜轴承润滑油总需求量的25～30倍。加热温度75～85℃（多数取80℃）保持24小时自行冷却，目的是让润滑液中的杂质充分沉淀。加热过程中，通过离心分离机分离杂质和水分。使用过程中油箱一个工作，一个备用，工作油箱内装有浮动吸油器，以保证将最澄清的润滑油吸取到系统中［8］。两个油箱每周交替使用一次，如果发生过滤器、油位报警等特殊情况，需要及时更换油箱。另外必须要注意切换工作和接受回油的油箱，否则，容易造成备用油箱大量溢油，工作油箱油位报警，若油位报警失效，甚至会发生轴承断油烧损事故。

表2 静压润滑系统设计指标及要求

3.2 过滤器

在油泵和系统压力控制阀之间装有主过滤器，轧机润滑系统每个机架上配置机架过滤器。过滤装置一般使用带有磁铁元件和高精度不锈钢网栅的双桶式网篮过滤器，上面装有快速切换开关，使过滤器可以实现快速切换，同时过滤装置还需满足泵的流量要求。过滤器配置有压差开关，压差达到规定值（0.04～0.05MPa）发出警报，表明网栅堵塞。提醒操作人员及时切换过滤器，并清洗或者更换过滤网栅。警报信号只用于紧急情况处理，过滤器建议按固定程序切换使用，并作定期检查。

3.3 压力调整装置

3.3.1 系统设置压力罐

系统压力低于设定值时，压力报警，自动切换备用泵。为保证油膜轴承得到足够的供油量，在主供油管路上必须配备压力罐。压力罐不仅能消除泵输出油产生的脉冲和震动，更重要的是通过它可以自动启动备用泵，并能在事故状态或油泵突然断电时，暂时供应油膜轴承所需的润滑油（压力罐容量应为油膜轴承所需流量的1.2倍）。

此外，压力罐内装有油位计、报警器开关等，在启用备用泵的同时由报警器发出报警。报警开关由压力罐内的气压变化操纵，压力罐上装有安全阀。一般安全阀的压力调定在0.5MPa左右，压力罐内油位占压力罐容器的1／3，其余为压缩空气。

3.3.2 系统设置压力控制阀

为保证润滑系统的供油压力恒定，应设置控制压力的溢流阀，安装位置在主过滤器与油冷却器之间，反馈压力信号从油冷器之前取出，恒定压力设定值一般为0.3～0.5MPa。

3.3.3 系统设置减压稳压阀

通过在每一台机架上配置减压稳压阀，从而确定油膜轴承所需油量。因各机架距离油站的位置不等，管路的阻力不一致，对于连轧机来说每个机架的速度不同，所需流量不同，因此每个机架的减压阀的调定压力存在较大差异。为保证轧机稳定性，该压力一经调定后严禁自行调整。

减压稳压阀能有效保证轴承的进油口压力和轴承的进油量，而且要求反应灵敏。当轧机突然增速时，压力瞬间降低，轴承供油不足，稳压阀应迅速升压，及时补充供油，稳定压力。该阀为双向调节平衡阀，阀的出口压力为0.15～0.25MPa。安装位置尽量靠近油膜轴承的进油口部分。

一般减压稳压阀采用膜盒式，以压缩空气为动力，膜盒内的气动压力控制方式，采用喷嘴挡板式。也有使用液压式调节阀，以液体流动压力差实现压力平衡，为了提高响应速度，在反馈回路中不使用系统的润滑油（即非直接反馈式），而是使用了粘度很小的一种工业甘油（70%～80%的水，20%～30%的甘油）。

3.4 各种计量仪表及其它润滑附件

油膜轴承润滑系统根据不同需要配置有多种计量仪表和润滑附件，其中包括压力表、温度计，过滤器的吹清装置，油水分离器，水分检测报警器以及报警器用的低压开关等。

在轧机机架两边的上升管路上安装压力表、温度计及低压报警开关时，要注意仪表的安装位置便于操作者观测。在油膜轴承润滑系统的进油管和回油管之间的适当位置应安装旁通阀，旁通阀用于新安装的轧机试车前的热油循环，预热冷油管，或是在更换过滤装置时将管内的润滑液经回油管流回油箱［9］。

3.5 动力装置

主要包括泵和安全阀，其中，泵的功能是保证动压润滑系统为恒压力供油，通常采用螺杆泵，泵流量为计算流量的1.2倍。供油压力一般为0.3～0.5MPa。安全阀的安装位置是油泵的输出端，阀的压力一般定在0.45MPa。

3.6 温度控制装置

在确定油膜轴承承载能力时，润滑油的粘度是关键参数之一，而油膜轴承的润滑油粘度是靠润滑油的温度和润滑油的粘度指数来保证的。轴承进油温度的变化决定承载能力，因此动压供油系统的温度控制十分必要。

为了保证轴承的进油温度，一般工作油箱温度设置到50℃±2℃，通过润滑系统的油，经冷却器，将油温最后确定下来。冷却器中通入冷却水，通过油冷却器出口油温来控制冷却水的流量，润滑油在进入到油膜轴承前的油温必须严格控制在40℃±2℃。此外，在维护中应注意：油温的检测要准确，并能及时控制，冷却供油系统要保证足够的灵敏性和可靠性。

3.7 轴承的供油喷嘴

由于油膜轴承是集中供油，对连轧机来说从泵到每个轴承供油管路的长度相差很大，为了保证每个轴承供油压力大致相同，且流量充分，则需在每个轴承座进油口前增加定量供油喷嘴。避免油全部涌入下座和离泵比较近的上操作侧，从而造成上传动侧供油不充分的问题。定量供油喷嘴由油膜轴承厂家根据机架所需的流量计算设计。

3.8 静压供油系统

静压润滑系统是在动压润滑系统基础上配备的，工作时静压、动压配合使用。静压系统采用恒流量供油，即流量保持不变，静压系统压力随着轧制压力和动压效应的压力变化而变化，轧辊转速低时，油膜厚度变薄，流量变小，此时静压效应起主要承载作用，静压系统压力升高。当轧辊速度增大，油膜厚度变厚，流量增大，静压系统压力下降或关闭，此时动压起主要承载作用。静压润滑系统为恒流量润滑，泵的工作流量设定，压力随轧制速度而调整变化。

静压系统的工作一般有两种状态，一种是间歇工作，一种是连续工作。间歇工作时，一般规定轧制工作速度低于额定值100m／min，此时静压系统自动启动投入工作，速度一旦达到额定值，静压系统自动关闭，由动压润滑系统单独作用。连续工作则由静压润滑系统协同动压共同作用。系统配有超高压安全阀，用于限制系统最高压力值，保护超高压泵。在使用中，要经常观察高压泵的吸入量是否正常，以判断整个系统的工作状态。诊断超高压供油系统是否正常工作，最简便的方法是观察静压供油系统压力表。一是看压力高低，二是检查压力表的指数是否随轧制速度变化而变化，通过记录显示的规律，以此判断泵是否处于正常工作状态。润滑系统原理图如图1～3。

图1 动压系统原理图

4 案例分析

4.1 润滑系统温度控制问题

天津某新建钢厂，润滑系统和油膜轴承均为国外设计。油膜轴承润滑系统加热后，轴承一直无法启动，轧机也无法试车。经详细检查分析，从设计、安装到零部件的质量均未发现问题，操作程序完全按国外的规程执行。之后，技术人员现场调研润滑系统的配置及工作状态，认定油库的环境温度过低，延程损失过大，造成升温困难，润滑系统油箱的加热装置无法满足高粘度的润滑油升温要求，即加热装置最大加热能力下无法达到现场升温需求。建议给地下油库通暖气，升高室温。环境温度提高后轴承进油温度满足标准油温，油膜轴承正常启动，顺利完成试车任务。

图2 间断工作制系统原理图

图3 连续工作制系统原理图

另一北方钢厂因缺少油膜轴承的基本技术知识，在油膜轴承进油温度20℃时强行启动轧机，轧机空转造成了锥套和衬套烧结，经培训，进油温度升到标准值后启动轧机，未发生烧轴承的问题。

4.2 平衡稳压阀问题

某1780热连轧钢厂新轴承试车时一切正常，正式轧钢时却经常因轴承工作区油液温升速度快而停机。因为轴承要求工作区采集点温度达到75℃时发出警告，温度达到90℃报警停机。该轧机为热连轧机，F1～F5机架一个润滑系统，F6～F7机架一个润滑系统。轧制2mm以下钢板时，F7速度达到18m／s（该轴承设计最大速度20m／s）油温迅速升至报警值，轧完少量钢板，必须停机，待轴承温度降下来继续轧制，极大阻碍了钢厂的产能。技术人员到现场发现轧机轴承进口压力在咬钢瞬间有的机架压力居然降为零，表明咬钢过程中油膜轴承严重缺油，润滑不充分，造成升温过快。通过对润滑系统的分析检查发现平衡阀溢流通道为φ6的铜管，该阀为液体双向平衡阀，较膜盒式气体平衡阀反应速度滞后，且管路太细，限制了调节能力，满足不了时时保压稳压的作用。建议润滑系统设计方将减压稳压阀进行适当改进和更新。修改之后，油膜轴承进油稳定，温度正常，未发生温度过高报警停机的情况。

当然，平衡稳压阀也不是万能的，如果大量润滑油泄漏或进油口快换接头没有打开，平衡阀即使能够自我控制，也会发生轴承烧毁事故。只有在确保轴承进油压力、进油流量充足、且平衡阀响应速度满足要求的情况下，轴承才能正常工作。

4.3 定量供油喷嘴问题

山西某1500热连轧钢厂旧轧机，经常发生上传动侧烧轴承情况，上操、下操、下传都未发生过，经设计人员确认现场，观察油路、供油量没有问题，轧机也不存在偏载情况，测温元件显示上传动侧轴承温度较其他三侧温度升温迅速，直至产生烧轴承情况。调研发现该厂一直没有采用定量供油喷嘴，造成供油时，重力作用下，润滑油优先流入下操作侧和下传动侧，多余润滑油才会流入离泵比较近的上操作侧，最后到达上传动侧，上传动侧供油不充分，咬钢时不能吸入足量润滑油，以至处于半液体摩擦，轴承升温迅速，长时间作用就发生烧轴承情况。设计人员根据该厂轴承所需流量计算设计了定量供油喷嘴，用户安装后，有效的改善了上传供油不充分情况，未发生频繁上传轴承烧损问题。

对于连轧机组也有因定量供油喷嘴节流而造成轴承供油不充分的情况，其原因主要是供油喷嘴孔径设计不合理，因供油喷嘴的设计必须考虑到轧机的速度、润滑油粘度、喷嘴前后的压差等因素，如果其中任一因素发生变化，轴承的流量就会相应地发生改变，误差大时也可能阻碍油膜轴承进油。油膜轴承动压供油系统不属于压力供油，规定的动压供油压力0.1±0.02MPa，仅能保证轴承转动时在动压效应作用下将具有一定粘度的润滑油卷吸入轴承，如果保证喷嘴两端的压差，轴承进油量一般是充足的。但轧钢车间现场因轴承温度升高、轴承可视窗无法及时发现供油不足的问题，用户通常会提高轴承进油压力，甚至提高到0.35MPa（考虑轧机咬钢瞬间会产生压力降，为保证轴承进口最低压力值不低于0.08MPa，压力设定值最大不可超过0.25MPa），提高进油压力供油量会有所提升，但还达不到要求时，用户会要求油膜轴承设计厂将定量供油喷嘴孔径增大，造成喷嘴失去节流控制作用，导致后面机架供油不充分。

上述平衡阀出现问题的用户也是更换一个机架的大孔径喷嘴进行实验，平衡阀不能稳压保压的情况下，增大喷嘴孔径作用不大，在轧机升速时，轴承入口压力下降，轴承卷吸不到充分的润滑油，原孔径小的时候都不能足够充满，现在放大了孔径，能卷吸到的还是原来等量的润滑油。综合分析，定量供油喷嘴必须经过严格设计，不可随意更改孔径。

4.4 润滑油的污染问题

轧机油膜轴承的工作环境恶劣，不仅受到轧制过程中氧化物等污染侵袭，同时经受高压冷却水的冲刷。冷却水及污染物将润滑条件恶化，直接影响油膜形成，甚至损坏轴承，同时也使润滑油乳化变质、寿命缩短。某钢厂连轧机发生过同时五机架烧损轴承的事故，经调查发现该五机架使用同一润滑系统，油箱中润滑油已经乳化变色，经化验结果显示润滑油已经严重变质，不具备油膜轴承抗磨润滑油的基本性能。变质油注入轴承中，不能形成承载油膜，轧机加载时油膜迅速被压溃，造成锥套、衬套直接接触，导致轴承烧毁［10］。

轧机油膜轴承润滑油是一种无酸和不含其他任何杂质的高级油，要求具有较高的抗氧化、抗挤压、抗乳化性能，以及较好的杂质分离性。轧机在轧钢的过程中，油膜轴承在轧油，如果油品性能不能保证，油膜轴承也就失去了承载能力，所以定期对油品进行监测，是使用和维护油膜轴承的一个重要环节。一般要求油膜轴承油的最大杂质不得超过油膜厚度（一般在10～30μm），油的含水量要求小于0.5%。由于润滑油量较大，所以从经济角度来说，不能轻易地报废一批油；但从轧机的寿命、工作可靠性以及整个轧制生产来说，劣化的油会使轴承烧毁，整条轧线被迫停产，从而造成更大的经济损失。综合这两方面的情况，得到这样的结论：其一是要制定严格的润滑油报废标准；其二更换旧油时，务必做好液压元件的清理和维护，保证新油使用充分。

5 结论

本文总结轧机润滑系统基本知识，结合具体工程案例，为轧机油膜轴承使用者及润滑系统设计者提供了一定的参考和指导：

（1）一套完整的润滑系统设备，满足了油膜轴承的润滑与散热需要。还要求应可靠的自监、自控、自调性能，否则很可能造成轴承烧损、润滑油腐败变质、生产停顿等恶劣后果。

（2）保持油的粘度指数、抗乳化、抗氧化、中和值等是润滑系统重要的功能。从设备的设计、安装、清洗到维护、调试每一方面都需严格遵守操作准则，才能有效的避免问题的发生。

（3）选用动压系统供油或静-动压系统供油需要对轧机轧制压力、轧制速度等参数进行校核，并匹配适宜牌号的润滑油，合理设置轴承间隙。