120t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)減速機(jī)輸出軸軸承失效分析與對(duì)策

張先京

(湖南華菱湘鋼鋼鐵有限公司寬厚板廠 湖南湘潭411101)

1 前言

圖1 傾動(dòng)減速機(jī)傳動(dòng)圖

120t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置采用全懸掛扭力桿平衡型式。它由以下幾部分組成:驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、一次減速機(jī)、二次減速機(jī)和扭力桿平衡裝置等。4 臺(tái)一次減速機(jī)的凸緣固定在二次減速機(jī)上，在其輸出軸上安裝的小齒輪與二次減速機(jī)機(jī)殼內(nèi)懸掛大齒輪嚙合，如圖1 所示。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)采用全正力矩方式，即轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)到任一角度時(shí)都保證是正力矩。其中一次減速機(jī)齒輪和軸承的潤(rùn)滑采用油池飛濺潤(rùn)滑，二次減速機(jī)齒輪和軸承采用強(qiáng)制給油潤(rùn)滑。

工藝系統(tǒng)設(shè)備基本參數(shù)

轉(zhuǎn)爐標(biāo)準(zhǔn)容量:125t/爐 最大容量:135t/爐

最大傾動(dòng)力矩:3720000N·m

機(jī)械齒輪速比:523

一級(jí)減速機(jī)電機(jī)在1. 4r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)矩為172.1N·m

一級(jí)減速機(jī)電機(jī)在0. 14r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)矩為1721N·m

額定轉(zhuǎn)矩:1700N·m

傾動(dòng)速度:(0.14 ～1.4)r/min

傾動(dòng)角度:0 ～360o

交流電動(dòng)機(jī)規(guī)格:型號(hào)ZP355S－8 AC380V，數(shù)量4 臺(tái)，功率132kW，轉(zhuǎn)速735r/min

2 存在問(wèn)題

從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)2014 年3 月至2015 年6 月:轉(zhuǎn)爐一次減速機(jī)輸出軸軸承，平均每3 個(gè)月軸承游隙就超標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開蓋檢查發(fā)現(xiàn)軸承壓蓋的4 個(gè)螺栓全部斷裂，導(dǎo)致軸承外圈退出工作位置10mm，嚴(yán)重影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。由表1 可知:軸承間隙為1.00mm 時(shí)，壓蓋4 個(gè)螺栓已經(jīng)全部斷裂，系統(tǒng)運(yùn)行沖擊力增大，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定。

表1 一次減速機(jī)輸出軸軸承間隙

3 原因分析與措施

3.1 受力原因分析

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)一次減速機(jī)輸出軸如圖2 所示，在其上安裝的小齒輪與二次減速機(jī)機(jī)殼內(nèi)懸掛大齒輪嚙合。軸承端蓋處4 個(gè)M16 的8.8 級(jí)螺栓固定。

圖2 一次減速機(jī)輸出軸

其中

一次減速機(jī)與二次減速機(jī)傳動(dòng)速比

輸出二次齒輪最大傾動(dòng)力矩M:3720000N·m折算至一次減速機(jī)輸出軸:

一次減速機(jī)輸出軸切向力

一次減速機(jī)輸出軸軸向力

當(dāng)工作載荷不穩(wěn)定，有沖擊力時(shí)，工作載荷系數(shù)取C 取(1.5 ～1.8)時(shí)，螺栓受壓力

式中 i2—次減速機(jī)輸出齒輪與二次減速機(jī)傳動(dòng)速比;

d1—次減速機(jī)輸出齒輪分度圓直徑，m;

d2—螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，單位為，mm;

M—輸出二次齒輪最大傾動(dòng)力矩，N·m;

Z2—二次減速機(jī)齒輪齒數(shù);

Z1—一次減速機(jī)齒輪齒數(shù);

M1—一次減速機(jī)輸出軸傾力矩，N·m;

i2—一次與二次減速機(jī)速比;

Ft—一次減速機(jī)輸出軸切向力，N;

Fa—一次減速機(jī)輸出軸軸向力，N;

C—工作載荷系數(shù)，取1.8;

?—螺栓所受應(yīng)力，MPa;

d2—螺桿直徑，mm。

具體參數(shù)如表2 所示。

因此該螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度在安全范圍之內(nèi)，軸承端蓋螺栓受力在正常情況下滿足設(shè)計(jì)要求，但是

表2 傾動(dòng)減速機(jī)參數(shù)

?

3.2 制定相關(guān)措施

3.2.1 操作方面減少減速機(jī)的沖擊力

從電腦畫面傾動(dòng)報(bào)警檢測(cè)得知，其中2014 年8 月，2014 年12 月以及2015 年3 月，每次當(dāng)報(bào)警次數(shù)達(dá)到峰值之后，軸承的端蓋螺栓就會(huì)斷裂，導(dǎo)致軸承間隙超標(biāo)。

從表3、圖3 可知工藝操作是導(dǎo)致該故障原因之一，分析其丁班1 號(hào)爐在2015 年三月報(bào)警達(dá)到峰值，等于其他三個(gè)班操作報(bào)警總和?？梢钥闯鲈谙嗤瑮l件下，丁班操作存在很大問(wèn)題。從現(xiàn)場(chǎng)跟蹤丁班操作情況來(lái)分析，傾動(dòng)減速機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中未停穩(wěn)就反向運(yùn)行，導(dǎo)致沖擊力過(guò)大造成力矩報(bào)警。

表3 傾動(dòng)報(bào)警統(tǒng)計(jì)

圖3 傾動(dòng)報(bào)警趨勢(shì)圖

圖4 操作手柄轉(zhuǎn)速圖

由于傾動(dòng)減速機(jī)操作手柄的操作方向與爐體運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同，速度給定取決于主令控制器的操作手柄推出的角度。操作手柄推出的最大行程為±36°，正反方向各分為6 個(gè)接點(diǎn)輸出，每個(gè)接點(diǎn)的間隔為6°，速度給定共分為5 段。操作手柄檔位與給定速度的關(guān)系見圖4。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)范圍為±360°，傾動(dòng)速度為0.14r/min ～1.4r/min，由于轉(zhuǎn)爐慣性大，而現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)際操作加減速時(shí)間只有3s，即轉(zhuǎn)爐從靜止加速到最高速度的時(shí)間為3s，這樣造成爐體未停穩(wěn)減速機(jī)就反向運(yùn)行，沖擊力過(guò)大。

根據(jù)上述原因，制定相應(yīng)措施:一是操作禁止打反車，對(duì)崗位人員進(jìn)行培訓(xùn)。具體措施:修改搖爐操作的規(guī)定，特別轉(zhuǎn)爐濺渣操作，濺完渣后，搖爐至爐前軌道平齊，停1s 后方可改變搖爐方向。

二是為了防止制動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊，轉(zhuǎn)爐制動(dòng)時(shí)應(yīng)先通過(guò)電力柔性制動(dòng)將電動(dòng)機(jī)減速，當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度接近零時(shí)，制動(dòng)器失電制動(dòng)。具體采用措施:通過(guò)修改程序，制動(dòng)時(shí)間由3s 改為4s。這樣減少設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的沖擊力。如圖5 所示。

圖5 傾動(dòng)轉(zhuǎn)速圖

3.2.2 切向鍵間隙調(diào)整

傾動(dòng)二次減速機(jī)大齒輪切向鍵是連接二次減速機(jī)齒輪與輪轂，圖紙要求配合過(guò)盈量－0.26mm。切向鍵現(xiàn)階段處于磨損階段，測(cè)量數(shù)據(jù)如表4 所示，其中最大間隙達(dá)3.85mm，這樣就導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐在搖爐冶煉時(shí)，造成一次減速機(jī)輸出軸沖擊力過(guò)大，造成軸承壓蓋螺栓過(guò)載斷裂。具體如圖6所示。

圖6 二次減速機(jī)大齒輪切向鍵

表4 切向鍵間隙表

利用停爐時(shí)間，將整體式切向鍵端蓋，改為剖分式，這樣便于檢修將端蓋拆除，為切向鍵緊固創(chuàng)造了條件。檢修時(shí)將轉(zhuǎn)爐爐口朝上，利用爐體自 身重力保持爐體平衡，打開抱閘，用游錘對(duì)其進(jìn)行緊固后，最后在配合切向鍵上鍵焊接止檔。這樣不僅可以有效防止切向鍵退出，造成間隙過(guò)大，而且可以定期開蓋檢查并緊固。

3.2.3 減小大齒輪齒間隙二次大齒輪材質(zhì)為37SiMn2MoV，齒圈調(diào)制處理，處理后磨齒，齒輪硬度HB310 ～340。與其配合的小齒輪材質(zhì)20CrMnTi，齒面進(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層硬度HRC56 ～62，屬于軟硬齒面嚙合?，F(xiàn)場(chǎng)檢查情況為大齒輪塑性變形，磨損量接近10%，如表5 所示。

表5 二次減速機(jī)大齒輪測(cè)量數(shù)據(jù)

原因是轉(zhuǎn)爐在冶煉時(shí)，傾動(dòng)減速機(jī)長(zhǎng)期受重載以及頻繁啟動(dòng)的沖擊，在潤(rùn)滑不良或油膜強(qiáng)度不足的情況下，技藝造成傾動(dòng)系統(tǒng)中較軟的齒面上(大齒輪)局部產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而對(duì)軸承運(yùn)行產(chǎn)生沖擊。

為了減小大齒輪變形量，由于潤(rùn)滑油粘度偏低，潤(rùn)滑不良造成大齒輪輪齒局部塑性。根據(jù)原因制定相關(guān)措施:清理堵塞噴嘴以及更換潤(rùn)滑油牌號(hào);原使用N320 中負(fù)荷齒輪油，現(xiàn)改為N320重負(fù)荷齒輪油。

3.2.4 球絞支撐板間隙調(diào)整

由于球絞支撐板下部存在間隙，使?fàn)t體運(yùn)行在圓周方向上存在擺動(dòng)的情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐揺爐時(shí)異響，進(jìn)而對(duì)傾動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行造成沖擊。

原有球絞支撐板采用直板連接，直板受爐體運(yùn)行擠壓后，鋼板易變形，產(chǎn)生間隙。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，采用楔塊與爐體下部支撐板連接，通過(guò)solidworks 軟件裝配計(jì)算，保證70%接觸面積的基礎(chǔ)上，增加安裝尺寸的范圍。這樣通過(guò)計(jì)算，采用1∶12斜度的鋼板，改造后斜鐵的配合間隙緊密，保證搖爐爐體間隙在5mm 以內(nèi)。改造后轉(zhuǎn)爐運(yùn)行平穩(wěn)，異響消失。如圖7 所示。

圖7 球絞支撐板安裝圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)寬厚板廠120t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)減速機(jī)輸出軸軸承失效原因的分析，提出相應(yīng)對(duì)策實(shí)施后，有效的減少轉(zhuǎn)爐運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期存在的異響，提高傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性與使用壽命，去除了安全隱患，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］宋兆偉. 150t 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)減速機(jī)斷齒原因分析及修復(fù)［J］. 山東冶金，2008，Vol.30 (4):8.

［2］李葉軍，宋美娟，張爽. 杭鋼1 號(hào)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的擺動(dòng)分析［J］. 鋼鐵研究，2009，Vol.37(4):8.

［3］任學(xué)平. 基于ANSYS/LS－DYNA 的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置齒輪動(dòng)態(tài)嚙合分析［J］. 機(jī)械傳動(dòng)，2014，Vol.38(3):3.

［4］陳立德. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第二版). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］濮良貴，紀(jì)名剛，陳國(guó)定，吳立言. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京:高等教育出版社，2006.

［6］戴枝榮，張遠(yuǎn)明. 工程材料(第二版). 北京:高等教育出版社，2007.