寬厚板熱矯直機壓下蝸輪蝸桿減速機失效分析與改進

趙 崠 吳慶君

(太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024；2．淮南市石油化工機械設備公司技術部，安徽232033)

寬厚板熱矯直機的工作環(huán)境溫度相對較高，電動壓下機構采用調速電機實現快速壓下功能，以滿足輥縫值及時調整。在生產實踐中，僅按滿足蝸輪齒面接觸疲勞強度和蝸桿傳動承載能力條件設計的壓下蝸輪蝸桿減速機，在使用中出現了蝸輪輪齒點蝕、齒面膠合以及過度磨損等失效形式。因此在高溫環(huán)境下，提高壓下蝸輪蝸桿減速機的散熱能力和傳動效率，降低單位時間內由摩擦損耗功率產生的熱量成為解決問題的有效措施。

1 寬厚板熱矯直機電動壓下機構

以一臺十一輥?285 mm×4300 mm寬厚板熱矯直機為例進行說明。

1.1 壓下機構的技術參數

壓下方式：電動壓下

壓下速度：0～0.5 mm/s

壓下電機(2臺)：交流變頻調速，11 kW，1500 r/min

矯直機最大開口度：300 mm

1.2 電動壓下機構

電動壓下機構是由兩臺布置在機架裝配橫梁上的交流變頻電機通過兩臺速比為11.2的直齒圓柱齒輪減速機減速后，輸入壓下減速機的兩套主動蝸桿，經蝸輪實現傳動方向90°旋轉后，由蝸輪輸出；蝸輪為空軸內花鍵連接輸出，轉動四根上部為漸開線花鍵導向，下部是鋸齒形螺紋，底部是球面結構的壓下螺絲，與壓下螺絲配合的壓下螺母固定在機架上，所以壓下螺絲在轉動過程中帶動活動橫梁升降；當兩臺壓下電機同步運轉時，可實現上輥系整體升降，以達到調整輥縫開口度的目的；當兩臺壓下電機分別運轉時，可實現上輥系沿進、出料方向的前后傾動調整功能。

1.3 電動壓下機構技術要求

(1)壓下動作平穩(wěn)可靠，啟、停位置準確。

(2)整體壓下時，四個壓下螺絲調整同步；單獨壓下時，進、出料側壓下螺絲要求分別同步。

(3)機架裝配尺寸有限，機構空間布置要求結構緊湊。

(4)減速比大，傳遞扭矩大。

(5)壓下機構運轉為非連續(xù)工作狀態(tài)，工作持續(xù)率25%。

結合以上技術條件，蝸輪蝸桿減速機具有單級傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)、無噪音的特點，適用于矯直機電動壓下機構的使用要求；同時也存在著傳動效率低，發(fā)熱量大，制造成本高。

2 壓下蝸輪蝸桿減速機的結構形式與性能參數

熱板矯直機電動壓下蝸輪蝸桿減速機為非標減速機，如圖1所示，采用蝸桿側置的結構形式，在同一箱體內有兩套阿基米德蝸桿傳動輸入，蝸輪空軸內花鍵傳動輸出，該蝸桿傳動不需自鎖。

圖1 壓下蝸輪蝸桿減速機Figure 1 Screw-down worm and gear reducer

2.1 蝸輪蝸桿技術參數

蝸輪蝸桿技術參數見表1。

表1 蝸輪蝸桿技術參數Table 1 Technical parameters of worm and gear

2.2 蝸桿傳動嚙合效率

蝸桿分度圓的圓周速度為：

滑動速度為：

由滑動速度查表得當量摩擦角：

ρv=3°10′=3.17°

嚙合效率為：

2.3 壓下蝸輪蝸桿減速機的傳動效率

η=η1η2η3=0.62×0.96×0.85=0.51

式中，嚙合效率η1為0.62；軸承摩擦效率η2為0.96；攪油損耗效率η3為0.85。

2.4 蝸桿傳動熱平衡計算

其中一套蝸桿傳動摩擦損耗單位時間內產生的熱量H1為：

H1=1000P1(1-η)×Jc=1000×11×(1-0.51)×0.25=1347.5 W

蝸桿傳動功率P1=11 kW。單位時間內，壓下減速機兩套蝸桿傳動摩擦損耗產生的熱量H2為：

H2=2×H1=2×1347.5=2695 W

達到熱平衡時箱體內的油溫為：

式中，A為壓下減速機散熱面積A=4.1 m2；KS為散熱系數8.5～17.5 W/(m2·℃)，取KS=13 W/(m2·℃)；t0為周圍空氣的溫度，因受板材熱輻射的影響取t0=50℃。

表2 圓弧齒蝸桿與普通阿基米德蝸桿的傳動比較Table 2 Drive comparison between circle arc teeth worm gear and general Archimedes worm gear

通過以上計算分析，該壓下蝸輪蝸桿減速機的傳動效率為0.51，低于蝸桿Z1=1時，η=0.7～0.75的范圍要求。其損失掉的能量絕大部分轉變?yōu)闊崃浚坏驕p速機閉式箱體散熱不良，使用環(huán)境溫度較高，導致箱體內的油溫t>80℃，潤滑脂變稀，潤滑條件變壞，摩擦急劇增加，從而發(fā)熱量增加。這樣的惡性循環(huán)將使傳動件很快損壞。

由實踐知道，膠合和磨損是蝸桿傳動的主要失效形式。因此，提高壓下蝸輪蝸桿減速機的承載能力、傳動效率和散熱能力，是解決問題的有效措施。

3 電動壓下蝸輪蝸桿減速機改進措施

結合生產實際與使用經驗可以在從幾方面進行設計改進。

3.1 材料重新選擇

蝸桿齒遠比蝸輪齒的嚙合次數多，將其材料由45鋼更換為20Cr，經滲碳淬火磨削后，齒面

硬度為52～62HRC，增加齒面硬度，降低齒面粗糙度，提高齒面耐磨性。

蝸輪圈由抗膠合能力較差的砂模鑄造鋁鐵青銅ZQAl9-4更換為耐磨性好的金屬模鑄造鑄錫磷青銅ZCuSn10P1。

經過蝸桿蝸輪副材料的重新選擇，它們具有了更好的抗膠合和抗磨損的能力，但其價格較貴，相對增加了生產成本。

3.2 提高散熱能力

合理的設計箱體結構，在箱體外側加焊散熱片，可增大散熱面積A=5.6 m2。同時在蝸桿的端面安裝風扇，進行人工通風，加速空氣流動，可提高散熱系數KS=18～35 W/(m2·℃)。

3.3 改變潤滑方式

改變潤滑方式，減少磨損損失，提高傳動效率。由于該蝸桿圓周速度低，可將定期涂脂潤滑改為浸油潤滑。蝸桿浸油深度h1≥1個牙高，但不高于蝸桿軸軸承的最底滾動體中心。傳動件浸入油中的深度要適當，既要避免攪油，又要保證充分的潤滑，油池應保持一定的深度和儲油量。

由于蝸桿的滑動速度≤1 m/s，工作條件按重載考慮，潤滑油的運動黏度選為444(52) mm2/s。(括號內數據為100℃時的運動黏度，括號外面數據為50℃時的運動黏度)。

采用浸油潤滑可提高減速機的攪油損耗效率η3=0.95；需更換密封效果更好，更為可靠的組合密封件，但在實際使用中仍存在著油封過早損壞而漏油的缺點。

3.4 提高傳動效率

采用圓弧齒蝸桿傳動提高傳動效率。圓弧齒蝸桿的軸向剖面齒廓是圓弧形(凹齒)，蝸輪的齒廓是與蝸桿共軛的圓弧(凸齒)，因此，嚙合處的當量曲率半徑大，降低了齒面接觸應力，提高了承載能力；傳動效率與普通阿基米德蝸桿傳動相比，在相同載荷條件下，傳動比i=8～50時，高5%～9%。傳動磨損小，溫升低，承載能力為普通蝸桿傳動的1.25～2.4倍。

但這種蝸桿在加工時需用專用刀具，裝配時對中心距誤差敏感性強，傳動中心距難以調整，對加工精度和裝配精度要求高。

圓弧齒蝸桿與普通阿基米德蝸桿的傳動比較見表2。

3.5 改進后的性能參數

改進后的性能參數為：

η=0.51+0.51×0.09=0.56

H1=1000P1(1-η)Jc=1000×11×(1-0.56)×0.25=1210 W

H2=2×H1=2×1210=2420 W

散熱能力達到要求。

4 結論

通過以上分析，并采取相應的改進措施后，有效地解決了熱矯直機電動壓下蝸輪輪齒點蝕、齒面膠合以及過度磨損等失效形式；但也相應地提高了加工難度、裝配精度的要求，增加了設備的生產制造成本。在實際應用中還應根據設備各自的特點，在滿足使用要求的前提下，采取其中的一項或幾項進行改進，達到經濟實用的目的。