高爐水冷傾動齒輪箱偏載分析

余延旺 代霈崧

(武漢理工大學機電工程學院 ，湖北430070)

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高爐水冷傾動齒輪箱偏載分析

余延旺 代霈崧

(武漢理工大學機電工程學院 ，湖北430070)

基于三維設計軟件Pro/E建立水冷傾動齒輪箱模型，通過機械動力學仿真軟件ADAMS建立虛擬樣機，模擬樣機在正常傾動和偏載時輪齒嚙合力的變化。研究得出，傾動狀態(tài)時，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪的嚙合力最大，蝸桿上部小齒輪與大齒輪嚙合時存在較大的震動沖擊，而在偏載時，一側輪齒的嚙合力會增大，但溜槽保持正常的傾動速度。

高爐；傾動齒輪箱；偏載；嚙合力

高爐爐頂水冷齒輪箱是高爐日常生產的重要設備，主要功能是實現對高爐布料的精準控制，對鋼鐵的冶煉起著至關重要的作用。水冷齒輪箱分為上部和下部齒輪箱，上下齒輪箱主要控制布料溜槽旋轉、傾動角度和速度。劉豐偉、徐名濤等人對水冷齒輪箱的動力學特性做了比較系統(tǒng)的研究，并指出當溜槽在高速旋轉和低速旋轉時，溜槽外圈齒輪所受嚙合力相對較??；然而當溜槽傾動運動時，溜槽外圈所受的嚙合力變大，最大值是溜槽旋轉運動時溜槽外圈齒輪所嚙合力的兩倍，說明在溜槽傾動時布料器很不穩(wěn)定[1]。

當前，我國的特大型高爐中無料鐘爐頂的使用已成為一種趨勢，但是無料鐘依賴國外進口，長期以來形成技術壟斷，導致高爐的維修成本一直很高。例如在2005年8月，武鋼5號高爐傾動齒輪箱發(fā)生故障，蝸桿軸承外套轉動將壓蓋磨損，蝸輪齒單面被磨掉5 mm；2012年1月，1號高爐齒輪箱布料溜槽與傾動機箱連接的耳子斷裂，溜槽左右傾動機箱受力不均衡，使傳動齒輪負荷增大，傾動電流增大[2]。

利用Pro/E軟件建立起整體傾動齒輪箱三維模型，模型導入ADAMS多體動力學軟件中，從理論上探討布料溜槽傳動裝置偏載時的載荷變化，對使用和掌握該齒輪箱以及將來的進一步發(fā)展該項技術，改進傳動和控制系統(tǒng)有著重要意義。

1 水冷傾動齒輪箱偏載綜述

如圖1所示，下部傾動機箱主要是由小齒輪Z14，蝸桿Z15，蝸輪Z16，蝸輪齒輪軸Z17，扇形齒輪Z18和傾動軸組成。小齒輪Z14與大齒輪Z13嚙合，再通過蝸輪蝸桿把動力傳到扇形齒輪，傾動機箱終端與溜槽之間通過一根傾動耳軸相連，傾動耳軸傳遞扭矩并帶動溜槽傾動。如圖2(b)所示。

齒輪箱是高爐上料的關鍵設備，其傾動角度定位的精確度直接關系到高爐布料及上部調劑的準確性和有效性，關系到高爐生產的穩(wěn)定運行和爐況維護。如果傾動角度過大，會造成高爐布料偏析，爐溫異常和爐況失常，嚴重的甚至會引發(fā)管道、懸料、爐涼乃至爐缸凍結等惡性后果[3]。高爐傾動齒輪箱是一個中心對稱的傳動機構，分為左傾動和右傾動，左右傾動共同運作來調節(jié)溜槽傾動速度和角度，當齒輪箱發(fā)生偏載時，必定會對溜槽正常運作造成一定的影響。引起齒輪箱偏載的因素很多，水冷齒輪箱在高爐爐頂，安裝過程中易存在較大的安裝誤差，或輪齒間長期磨損，齒側間隙增大，震動沖擊加大都會導致左右傾動不對稱從而引起偏載。另外，爐料在爐面上的下落軌跡是隨機的，對溜槽存在非對稱沖擊載荷。

在國內外，幾乎沒有關于高爐爐頂傾動齒輪箱偏載的研究，對下部水冷傳動齒輪箱的研究主要集中在對溜槽布料傾角的研究，比如利用無抱閘電機和變頻調速裝置來實現對傾角的精準控制[4-5]。而國外學者建立溜槽三維模型，分析爐料軌跡和在溜槽內的受力，通過函數關系建立方程，探索爐料材料和大小對溜槽傾角的影響[6]。

2 建立傾動裝置虛擬樣機

2.1 建模導入

利用Pro/E軟件中齒輪參數化建模，建立齒輪箱三維模型，導出為Parasolid格式后導入到多體動力學軟件ADAMS中，進行運動學和動力學分析。

圖1 水冷齒輪箱傳動系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of the water-cooled gear box drive system

圖2 水冷齒輪箱模型

Figure 2 Water-cooled gear box model

為了提高ADAMS仿真效率，通常在簡化模型后導入。由于水冷齒輪箱結構復雜，導入后約束設置過于繁瑣，仿真時間長，效果不佳，因此，在不影響傳動性能和效率的前提下，本文只把水冷齒輪箱下部溜槽和傾動部件模型導入，并把固定使用的螺栓和螺孔省去。導入后的模型如圖3所示。

2.2 碰撞力參數選擇

在ADAMS軟件中，有兩種計算接觸力的方法，分別是補償法和沖擊函數法，一般使用沖擊函數法求解兩構件之間的接觸力[7]。

ADAMS 軟件中碰撞力為:

MAX{0, K(q0-q) e- C×dq/dt}

式中，q0為兩物體間初始距離,q為兩物體間碰撞過程中的實際距離,q0-q為變形量D。由上式可知：當q>q0時,即兩物體不發(fā)生接觸,其碰撞力值為零；當q≤q0時，表示兩物體發(fā)生碰撞。

根據Hertz 碰撞理論, 兩物體接觸面為圓形時，計算公式為：

式中，K為碰撞系數，由材料和碰撞體結構決定；P為碰撞時法向接觸力；δ為變形量。

圖3 虛擬樣機仿真模型

Figure 3 The virtual prototype simulation model

式中，R1、R2分別為接觸物體在接觸點的接觸半徑；μ1、μ2分別為兩接觸物體材料的泊松比；E1、E2為兩接觸物體材料的彈性模量。

根據齒輪的材料，確定其彈性模量、泊松比。如表1所示。

表1 齒輪材料性能參數

Table 1 Performance parameters of gear materials

齒輪代號齒數模數材料彈性模量/MPa泊松比Z13Z14Z15(蝸桿)Z16(蝸輪)Z17Z18132192(頭數)581383(23)12126.816.8114438CrMoAIA38CrMoAIA38CrMoAIAZQSn10-138CrMoAIAZG35CrMo2112112112112112130.2750.2750.2750.290.2750.286

根據表1，確定選取的參數數值為：K=9.1×105N/mm1.5；d=0.1 mm；C=50 N·S /mm。

考慮碰撞時摩擦，齒輪間采用了潤滑處理，C為阻尼系數。

2.3 設置約束和載荷

由于三維模型導入ADAMS軟件后，零件之間的裝配關系會失效，因此對模型進行必要的簡化后，需要對各零件添加約束關系。ADAMS功能列表中提供多種約束，除了對零件添加3D接觸碰撞力和整體載荷外，仿真需要用到的機械約束有固定副和旋轉副。

(1)添加固定副

在分析傾動時，由于溜槽不旋轉，故可以把上回轉齒圈Z10和下部的回轉體與大地用固定副連接。 左右傾動小齒輪Z14與蝸桿Z15添加固定副。

(2)添加旋轉副

分別與大地之間添加的旋轉副：左右傾動中Z14與Z15整體、蝸輪和扇形齒輪。

(3)設置載荷

考慮溜槽和爐料的重量，在溜槽中心處設置一個豎直向下的力，大小恒定為45 000 N[1]。

3 正常運作時仿真分析

根據高爐正常傾動時電機轉速，在Z12處添加模型輸入驅動為34.4d×t，即恒定轉速34.3°/s。仿真時間t設定為3 s，步數設置為200。仿真結果如圖4所示。

根據仿真結果可看出，在電機啟動一瞬間，輪齒間存在瞬間沖擊，嚙合力均達到穩(wěn)定后均值的兩倍左右。齒輪間的嚙合力在一均值附近上下波動，波動周期和幅度(即齒輪傳動中的動載荷)均表現為一個穩(wěn)定的循環(huán)值，表明漸開線輪齒在嚙合中存在沖擊振動。Z13和Z14嚙合穩(wěn)定時振幅最大，說明存在較大的震動沖擊；Z17與Z18嚙合力最大。由圖4(d)可以看出，傾動布料時，在電機啟動時對溜槽存在一定沖擊，溜槽角速度迅速達到最大，大小為11.47°/s，之后快速下降，并且最終穩(wěn)定在1.309°/s左右。而理論值為1.302°/s，仿真值與理論值十分接近，可以看出虛擬樣機模型約束和各個參數設置比較符合現實中的生產要求，仿真結果具有一定的可信度。

4 左右傾動偏載仿真分析

在實際生產作業(yè)中，由于安裝誤差，齒輪箱左右傾動受力不是完全一樣的，或多或少存在偏載現象，偏載現象使連接溜槽和傾動齒輪箱的耳子負載加大，嚴重時甚至會折斷，影響了高爐生產的正常運行。

正常狀態(tài)下，水冷齒輪箱施加的負載為溜槽上自身的重力和爐料沖擊載荷,取兩者總載荷為G=45 kN[1]。布料過程中，隨著布料傾角和溜槽內料重的不斷變化，考慮到耳軸處于最危險的工作狀態(tài)即布料溜槽傾動角度達到最大53°[9]，已知溜槽與爐料的重心到耳軸的距離為L=2.125 m，等同于左右傾動施加的扭矩T為：

(a)Z13與Z14嚙合力 ( b)Z15(蝸桿)與Z16(蝸輪)嚙合力

(c)Z17與Z18嚙合力 (d)溜槽角速度時域圖

圖4 傾動裝置正常工作仿真時域圖

Figure 4 Time domain graph when simulating the normal operation of tilting device

(a)Z13與Z14嚙合力 (b)Z15(蝸桿)與Z16(蝸輪)嚙合力

(c)Z17與Z18嚙合力 (d)溜槽角速度時域圖

圖5 傾動裝置偏載仿真時域圖

Figure 5 Time domain graph when simulating the eccentric loading of tilting device

而在偏載狀態(tài)下，只需在左右傾動上施加大小不同的扭矩即可。故在偏載仿真時，作以下設置：左傾動上施加負載扭矩T1=40 kN·m，右傾動施加負載扭矩T2=36.5 kN·m。左右傾動仿真結果如圖5所示。

由仿真結果可以看出：偏載時由于左右傾動負載大小不同，左傾動齒輪嚙合力比常態(tài)時稍大，而右傾動齒輪嚙合力明顯減小。溜槽角速度穩(wěn)定后在一均值上下波動，與理論值相比變化不大，能正常進行布料工作。表2為常態(tài)和偏載下嚙合力值和溜槽角速度穩(wěn)定時均值比較。

表2 常態(tài)和偏載下嚙合力、角速度均值比較

Table 2 Comparison of the average values of meshing force and angular velocity under normal operation and eccentric loading

齒輪嚙合力/NZ13-Z14Z15-Z16Z17-Z18溜槽角速度(°/s)角速度相對誤差(%)常態(tài)490350018945571.3090.54偏載左傾右傾51854361533174252397325885381.2871.1

5 結論

通過ADAMS多體動力學軟件建立水冷齒輪箱虛擬樣機模型，著重分析了傾動裝置正常傾動和偏載時輪齒嚙合力變化。在布料方式為傾動狀態(tài)時，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪嚙合力最大，達到94.5 kN，偏載時更大；蝸桿上部小齒輪與回轉齒輪嚙合時存在較大的震動沖擊。而在偏載時，左右輪齒的嚙合力也隨之增大和減小，但溜槽保持正常的傾動，長期偏載，可能會導致傾動齒輪箱發(fā)生故障，影響高爐正常作業(yè)。因此在實際生產中，要加強傾動齒輪箱的監(jiān)測和維護保養(yǎng)，盡可能減少故障的發(fā)生頻率。

[1] 劉豐偉,徐名濤. 高爐爐頂水冷齒輪箱虛擬樣機及力學特征分析[J]. 機械傳動，2015,39(3):129-136.

[2] 沈文衛(wèi),陳征宇. 高爐爐頂水冷齒輪箱原理及故障分析[J]. 山西冶金, 2014,1.

[3] 余少華,羅治平,丁宇. 能耗制動在高爐爐頂傾動角度定位中的應用[C]. 2014.

[4] 焦國宣. 變頻調速裝置在攀鋼四號高爐布料溜槽傾動控制中的應用實踐[J]. 儀表儀器用戶, 2004(5).

[5] 陳明,王文為,李暉實,楊娟. 高爐布料溜槽傾動無抱閘電機的精確控制[J]. 自動化技術與應用, 2009(7).

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編輯 陳秀娟

Analysis on Eccentric Load of Blast Furnace Water-cooled Tilting Gearbox

Yu Yanwang，Dai Peisong

Based on the water-cooled tilting gear box model established by 3D design software Pro/E, virtual prototype has been built by mechanical dynamics simulation software ADAMS to simulate the changes of tooth meshing force when normal tilting and eccentric loading of prototype. The research has been found that when tilting, the meshing force between sector gear and its matched small gear is the largest one, and the violent vibration impact is occurred when the pinion gear on the top of worm is engaged with the big gear, and when eccentric loading, the tooth meshing force increases at one side of gear, but the chute keeps normal tilting speed.

blast furnace; tilting gearbox; eccentric loading; meshing force

2016—03—21

余延旺(1992—)，男，碩士研究生，主要從事齒輪傳動、機械設備運行監(jiān)測。

TF321.3

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