基于超声反射系数的轧机辊系轴承油膜分布测量研究.pdf

摘要

轴承是轧机中的重要部件之一，保障着轧机辊系的稳定运行，满足板带轧制

过程中带钢尺寸与板形的要求。由于轧机轴承长期承受轧制力的作用，导致轴承

油膜分布不均，持续工作易使轴瓦与轴颈出现不均匀磨损与烧蚀，增加了生产过

程中质量控制的难度并产生安全隐患。而因轴承拆装过程复杂使得目前的产线多

采用周期间隔较长的定期拆卸检查，难以对轴承使用过程中的状态进行评估与预

测。超声无损检测技术具有无损性、简易性、无危害性、强适应性等优点，近年

来被广泛应用于各种工业机械结构的无损检测与缺陷评估中。结合超声检测的特

点，通过系统的研究可将其应用于热轧产线实现无拆卸的定期对轧机轴承油膜厚

度变化情况检测，并根据油膜厚度情况判断工作状态，实现对轴承使用的不同阶

段进行评估。基于此背景，本文结合有限元仿真与实验检测两种方法，分析了轴

承润滑油膜厚度对超声反射系数的影响，为适应实际生产过程中轧制力与转速变

化引起的温度波动，建立多种轧制力与转速下的声反射系数误差补偿模型以反映

温度对反射系数的影响，为实现无拆卸的轴承工作状态检测提供理论基础与实验

依据。本文主要研究内容如下：

（1）针对某2250mm热连轧机轧辊轴承轴瓦易烧蚀的情况，利用COMSOL

多物理场仿真软件建立相应的轴瓦轴颈有限元模型并进行仿真分析，基于模拟声

波信号，通过离散傅里叶变换得到不同油膜厚度下的频域内波形变化特征，利用

典型声学模型对变换后信号进行处理得到不同油膜厚度范围的适用模型。

（2）搭建油膜厚度的标定实验台，使用超声检测设备测量不同厚度油膜的

反射声波特征，以验证仿真过程的准确性。实验结果表明，不同厚度油膜的反射

声波信号经过离散傅里叶变换后的频域特征与有限元仿真中的特征基本相符，且

通过反射系数计算得到的油膜厚度与初始设定厚度误差在10%以内，故可通过前

述方法实现轴承油膜厚度的测量。

（3）针对实际轧制过程中因轧制工况变化而造成的轴承温度波动，在模型

中添加不同温度的热源，获得对应的声反射系数，但该系数未考虑温度变化对材

料物理性质的影响因此具有较大偏差，为提高计算精度，加入温度补偿策略，通

过对密度与声速的调整减小声波滞后量，得到不同温度下相对准确的反射系数。

（4）考虑到实际轧制中影响温度的主要工艺参数为轧制力与轧辊转速，且

其可实时采集，因此为了满足后续实际使用需求，应将温度变化转换为两种参量

的变化。因此建立液体动压轴承模型，分析不同轧制力与转速下的轴承油膜厚度

与温度，建立轴承压力转速-反射系数，油膜厚度-反射系数之间的数学模型，进

而实现对任意工况下反射系数的补偿，提高油膜厚度检测精度，为轧机轴承在线

监测提供一定的理论与技术支持。

关键词：轧机辊系轴承；轴承油膜厚度测量；声学反射模型；温度补偿

Abstract

Bearingsarecrucialcomponentsinrollingmills,ensuringthestableoperationofthe

rollingmillrollsandmeetingthedimensionalandshaperequirementsofthesteelstrip

duringtherollingprocess.Prolongedexposuretorollingforcesleadstouneven

distributionofthebearingoilfilm,resultinginunevenwearandabrasionbetweenthe

bearinglinerandtheshaftjournal.Thisnotonlycomplicatesqualitycontrolduring

productionbutalsoposessafetyhazards.Duetothecomplexdisassemblyandassembly

processofbearings,currentproductionlinesoftenresorttoinfreque