（铁姆肯公司）

　　当前轧机用户的特点主要表现在两个方面，一方面对新设备的投资少，另一方面对产出的要求高。尽管现有轧机逐渐老化，但为增加产能，其工作负载越来越重。这种极端环境连同老旧、过时的轧辊设计是导致两辊轧机工作辊和四辊轧机支撑辊的辊颈发生故障的主要原因。因此，市场需要轧机翻新服务来减少严苛负载条件下辊颈在倒角环区域发生的损坏。而在成功制定翻新方案的过程中，对轴承的选择发挥着至关重要的作用。
　　轧机是一种要求极为严苛的应用场景，轴承和轧辊必须在非常高的工作温度、工作载荷和工作速度下运行。
　　在轧制过程中，轧辊转动的同时载荷通过轴承施加在半成品带材上。辊颈上的某个点主要承受拉应力，Z大值σ_max，而与该点以圆心为中心的对称点承受压应力，Z小值σ_min。当轧辊旋转180°后，两点交换位置和应力，拉应力从σ_max变到σ_min=-σ_max。见图1。这两点材料的应力随时间在两个极限值之间变换多次（每旋转一周发生一次完整变化）。其结果是，辊颈在轴承和辊身之间的区域（圆角半径区域）要承受交替对称的周期性弯曲应力，该应力随轧辊的转动而波动。为了控制应力集中效应，需要通过仔细评估来确定Z大允许应力，并且优化辊颈和辊身直径之间过渡区域的几何特性（例如阶梯形倒角和圆角半径）。

　　铁姆肯公司翻新重载辊颈的解决方案是，为翻新项目提供下列辊颈解决方案工程支持：
　　（1）通过Z大化辊颈直径优化辊颈设计。
　　（2）为复合辊颈圆角半径提供设计支持。
　　（3）选择横截面积减小的轴承，内径更大，外径相同（翻新方案假定使用相同的轴承座，这需要外径相同的轴承）。整体宽度相同或更小，引入一些特性来维持或增加轴承的额定载荷。
　　针对极端载荷对轧辊升级要考虑的因素：
　　1.轧辊设计优化
　　（1）棍颈直径优化
　　重载荷轧辊通常在低速下运转，需要尺寸更大的辊颈来应对更高的弯曲应力。根据这种需求，常规的重型轴承尺寸可能不合适。对于高载荷的应用场景，建议使用横截面更小、外径相同且内径更大的轴承作为重型轴承。横截面积减小的轴承使得辊颈/辊身比（辊颈辊身直径之比约68%）更大，在可能的情况下，更小的轴承宽度也使得压下载荷作用线与辊身端面之间的轴向距离更小。辊颈外径增加同时弯曲力矩减少之后，辊颈在极端载荷下的性能更佳。
　　（2）用复合圆角半径替换现有的圆角半径
传统的辊颈设计在圆角时通常采用简单半径设计。铁姆肯公司在钢铁制造行业的丰富经验表明，这种解决方案可能不适用于重载荷轧机，建议使用复合圆角半径替换简单半径。使用复合半径圆角（或称为“双半径圆角“）的原因是这种设计能让应力在圆角半径区域内更好地分布，见图2。说明为减少辊颈Z大应力，分别根据两个预定圆角长度和高度尺寸r_a和r_b制作复合半径圆角的过程。圆角半径r_c和r_d的长度和高度可以按照下列公式计算：

　　r_a=圆角长度（在实际应用中，r_a小于2.5r_b）
　　r_b=圆角高度
　　r_c=复合圆角的大半径
　　r_d=复合圆角的小半径
　　2.减小轴承的横截面积
　　铁姆肯公司的工程师使用以应用场景为中心的精密计算机程序，为应用场景和操作环境建模，生产专门设计的寿命更长的轴承。为尽可能改善轴承在严酷条件下的性能，铁姆肯公司开发了Timken^®DuraSpexx^®Power Rating系列轴承。DuraSpexx^®轴承完美适用于重载荷工业应用产品，如轧机和齿轮驱动。采用增强特性并减少横截面积之后，这种轴承提高了轴承的额定载荷。Dura Spexx^®利用铁姆肯公司的工程设计知识，将轴承的额定动态载荷提高23%，相比Timken^®标准轴承延长了疲劳寿命，见图3。

　　Dura Spexx^®轴承设计特点：采用更高品质的钢材，洁净度增加，杂质形状经过改进，从而减少了杂质相关的损坏；提高表面光洁度，在高温和润滑不良的环境下减少了剥落和疲劳；表面修型，在高负载和/或偏心的情况下优化接触应力分布。
　　案例研究
　　根据现有的解决方案和问题描述，本产品适用于两辊轧机，但可以推广到四辊轧机的支撑辊上。轧辊载荷和当前圆角半径的细节，见图4。

　　轧机的设计特点和类型：两辊轧机，Z大载荷列调整后的轴承疲劳寿命L10a，达到2800小时。见图5。

　　因为轴承外圈在轴承座中静止，在任何给定时间点，外圈只有一部分承受轧制载荷，我们称该部分为“承载区”。辊颈轴承外圈的大端面和小端面都带有标记用以标明四个象限，外圈端面的标记可以让使用者记录哪个象限一直用于载荷区。一个较好的做法是，安装轴承时让每个外圈的象限1处于承载区，然后在后续检查中通过转动让其他象限也依次处于承载区，重复该步骤，直到象限1再次处于承载区。每次检查时转动外圈都会逐渐地将载荷分布到整个外圈滚道上，从而延长轴承的使用寿命，见图6。倒角区域轧辊Z大应力为352N/mm²，轧辊Z长疲劳寿命为4400小时。

　　根据客户要求，对增加辊颈强度的方案提供支持，让新轴承的疲劳寿命维持在可接受的限度内。调整后的轴承寿命，还未发现任何问题。
　　轧辊升级解决方案，建议将辊颈直径从Ø595mm增加到Ø610mm，并用复合圆角替换当前的圆角半径，从而实现轧辊设计的优化。轴承的外径和宽度维持原值。要注意的是，由于轴承内径更大，轧机盖板和密封件需要更换。
　　（1）增加辊颈直径，从595mm到610mm。
　　（2）用复合圆角半径替换现有的圆角半径。输入r_a=101mm，r_b=50mm。输出r_c=0.036mm，r_d=33mm。设计调整之后，Timken^®标准轴承和Dura Spexx^®轴承的疲劳寿命L10a分别为4500小时和9000小时。见图7。

 

　　轧辊升级的结果：将轧辊Z大应力从352N/mm²降低到318N/mm²，降低9.6%。将轧辊的疲劳寿命从4400小时延长到6000小时，延长36%。将铁姆肯标准轴承的疲劳寿命L10a从2800小时延长到4500小时，延长60%。将新款Dura Spexx^®轴承的疲劳寿命L10a从2800小时延长到9000小时，延长120%。
　　总结和结论
　　当前，辊颈在倒角环区域的损坏导致故障频发，因此市场急需轧机翻新服务。铁姆肯公司在该领域拥有广泛的专业知识，能为优化轧辊设计和减小轴承横截面积提供工程支持。这些措施能降低轧辊的Z大应力并延长疲劳寿命，从而改善轧辊的性能。