中鋼西重XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱的設(shè)計

楊立江，段小朋，李 棟

(中鋼集團西安重機有限公司， 陜西 西安 710201)

0 前言

水冷傳動齒輪箱(布料器)是爐頂裝料設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)備性能直接影響到高爐出鐵效率。目前，國內(nèi)外水冷傳動齒輪箱主要有兩種：一種是行星差速傳動系統(tǒng)溜槽布料器；另一種是旋轉(zhuǎn)與直線運動合成運動溜槽布料器。旋轉(zhuǎn)與直線運動合成運動溜槽布料器的溜槽傾動通過油缸或鋼絲繩提升來實現(xiàn)，適用于小高爐，占有市場較少。行星差速傳動系統(tǒng)溜槽布料器具有布料方式靈活、設(shè)備重量輕、密封性能好、運行費用低、維護方便、焦比低、產(chǎn)量高等特點。隨著國內(nèi)高爐大型化、爐頂壓力和溫度的不斷提高以及高爐冶煉強度的不斷提高對布料器提出了更高、更嚴格的要求，長壽化、環(huán)保節(jié)能成為布料器的關(guān)鍵要求。

中鋼西重從1987年開始制作水冷傳動齒輪箱，具備350～6 000 m3爐頂設(shè)備自主設(shè)計的能力。中鋼西重水冷傳動齒輪箱按照爐容分三種：緊湊型水冷傳動齒輪箱，適用于300～1 080 m3高爐；標準型水冷傳動齒輪箱，適用于1 500～2 800 m3高爐；加強型水冷傳動齒輪箱，適用于2 800～6 000 m3高爐。在1 000 m3級高爐項目中使用緊湊型水冷傳動齒輪箱能力有所欠缺，而采用標準型水冷傳動齒輪箱又存在能力過剩的問題，為此中鋼西重開發(fā)出了適用于750～1 800 m3高爐的XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱。

1 XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱的設(shè)備組成

如圖1所示，XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱由行星差動減速機、齒輪箱本體、傾動減速機、布料溜槽組成。行星差動減速機安裝在齒輪箱本體上部，為布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動提供動力。布料溜槽傾動由兩個傾動減速機驅(qū)動。

圖1 XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱

2 XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱設(shè)備校核

水冷傳動齒輪箱是爐頂設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，在設(shè)計水冷傳動齒輪箱過程中，對水冷傳動齒輪箱關(guān)鍵零件進行應(yīng)力分析計算，并校核其安全系數(shù)。布料溜槽正常工作最大角度70°工況下，考慮溫度的影響，分別對傾動減速機蝸輪承載力矩、傾動軸強度進行分析計算。

2.1 蝸輪承載力矩

設(shè)置幾何模型的坐標原點位于傾動軸軸線上，不考慮蝸輪輪齒，溜槽在70°時簡化幾何模型如圖2所示。蝸輪1和傾動軸2通過鍵固定在一體，傾動軸2和鎖緊軸5通過螺栓連接固定為一體可以同時轉(zhuǎn)動，傾動軸通過焊接在本體上的圓軸推動溜槽支承板擺動。

圖2 溜槽70°工況下簡化幾何模型

布料溜槽受力分析簡圖如圖3所示。由于中心喉管軸線和Z軸重合，因此料流沖擊力對原點Y軸不產(chǎn)生力矩。故可知溜槽(含支承板)所產(chǎn)生的力矩為：

M=G·L0=16 028 N·m

(1)

式中，G為矢量力；L0為從轉(zhuǎn)動軸到受力點的距離矢量。

圖3 溜槽和支承板受力分析簡圖

蝸輪設(shè)計承載力矩為140 000 N·m，安全系數(shù)為17.46，大于安全系數(shù)1.5，因此是安全的。

2.2 傾動軸等效應(yīng)力

傾動軸等效應(yīng)力分析時設(shè)置相應(yīng)的假設(shè)條件和邊界條件。

假設(shè)條件：

(1)分析是在標準地心引力加速度9.81 m/s2下進行；

(2)不考慮焊縫處材質(zhì)的變化，焊縫材料視為與母體材料相同；

(3)材料為彈性材料，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性；

(4)采用線性靜力學進行分析，認為傾動軸受力瞬間蝸輪輪齒圓柱面靜止不動；

(5)由于水冷傳動齒輪箱內(nèi)部允許最高溫度為55 ℃，故極限情況下假設(shè)參與分析各部件的溫度為55 ℃恒溫。

邊界條件：

(1)約束條件，假設(shè)傾動軸受力瞬間蝸輪輪齒圓柱面靜止，故該圓柱面施加固定約束；傾動軸和鎖緊軸同時轉(zhuǎn)動，因此傾動軸內(nèi)部與鎖緊軸接觸面處施加圓柱形約束，使接觸面徑向自由度固定。傾動軸的載荷約束如圖4所示。

圖4 傾動軸載荷約束

(2)載荷條件，溜槽和支承板受力分析如圖3所示，支承板U形開口處所受推力為F，根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系可知，傾動軸上部的圓柱形突起所受的載荷為

(2)

(3)接觸條件，根據(jù)載荷所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)趨勢，傾動軸和鍵，鍵和蝸輪之間設(shè)置為粘合邊界條件；傾動軸和蝸輪為線性接觸條件，如圖5所示。

圖5 鍵聯(lián)接處的粘合邊界條件

根據(jù)傾動軸的受力情況，傾動軸等效應(yīng)力分析如圖6所示，最大應(yīng)力為204 MPa，位于上部鍵槽根部。

圖6 傾動軸等效應(yīng)力分布

運用材料軟件Jmatpro計算傾動軸材料在55℃時的屈服強度≥470 MPa。

故傾動軸的安全系數(shù)為：

(3)

傾動軸的安全系數(shù)大于1.5，因此是安全的。

2.3 傾動軸理論計算

傾動軸主要用于傳遞扭矩，且軸向尺寸較小，因此忽略彎矩作用時的安全系數(shù)。根據(jù)機械設(shè)計手冊，只考慮扭矩作用的安全系數(shù)按下式計算：

(4)

式中，Sτ為只考慮扭矩作用時的安全系數(shù)；τ-1為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限；Kτ為扭轉(zhuǎn)時有效應(yīng)力集中系數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；ετ為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)；τα，τm為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；ψt為材料扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)。

傾動軸材料為合金鋼，鍛件熱處理方式一般為調(diào)質(zhì)，加工方法暫定為車削，根據(jù)手冊查得：τ-1=185 MPa，Kτ=1.71，β=0.9，ετ=0.68,ψτ=0.21。傾動軸應(yīng)力循環(huán)方式為對稱循環(huán)，因此τm=0。

傾動軸是雙鍵槽形式，危險截面為鍵槽處截面，故：

(5)

式中，T為傳遞的扭矩，8 014×103Nm；d為傾動軸鍵槽截面處外徑，135 mm；d1為傾動軸鍵槽截面處內(nèi)徑，113 mm；b為傾動軸鍵槽寬度，32 mm；t為傾動軸鍵槽深度，為鍵槽面到外圓相應(yīng)象限點距離，7.5 mm。

因此，傾動軸只考慮扭矩作用的安全系數(shù)為Sτ=3.15。安全系數(shù)一般情況取1.5。由此可知，用理論計算的傾動軸危險截面疲勞強度可以滿足。

3 XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱的特點

XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱特點如表1所示，具有穩(wěn)定性可靠、使用壽命長、傳動精度高、布料精準、利用系數(shù)高、閉式加壓水冷冷卻效果好、承載力矩大、維護成本低等特點。

表1 XZ-Ⅳ型水冷傳動動齒輪箱技術(shù)指標

3.1 設(shè)備穩(wěn)定性可靠、使用壽命長

水冷傳動齒輪箱是爐頂上料設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其關(guān)鍵性和應(yīng)用環(huán)境的特殊性對水冷傳動齒輪箱提出了可靠性高、使用壽命長的要求。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱基本原理與中鋼西重標準型水冷傳動齒輪箱相同，是基于中鋼西重標準型水冷傳動齒輪箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。XZ-Ⅳ水冷傳動齒輪箱回轉(zhuǎn)支承、軸承、密封采用進口件，傳動齒輪表面采用氮化處理，使用壽命按照一代爐齡設(shè)計，滿足設(shè)備長壽化要求。另外XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱冷卻水采用閉式加壓冷卻，冷卻效果好，不需要定期維護，滿足高爐一代爐齡使用壽命要求。

3.2 傳動精度高、布料精確、利用系數(shù)高

XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱傳動全部采用齒輪系傳動，由兩個電機驅(qū)動布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動，兩個電機安裝在差動減速機上，通過差動原理實現(xiàn)布料溜槽可以單獨旋轉(zhuǎn)、單獨傾動、也可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和傾動同時動作?？梢詫崿F(xiàn)高爐料環(huán)形布料、螺旋式布料、點式布料，布料靈活，滿足高爐布料工藝要求。靈活的布料方式更適合不同高爐布料工藝要求，可以有效提高高爐利用系數(shù)。MINI型水冷傳動齒輪箱的傾動由一個傾動減速驅(qū)動四連桿機構(gòu)從而實現(xiàn)布料溜槽傾動，傾動減速驅(qū)動角速度恒定，通過四連桿傳遞后，由于四連桿本身的特性，驅(qū)動桿角速度恒定，從動桿角速度非線性，從而導致布料溜槽傾動傳動比非線性比例，布料溜槽傾動角度不準確，布料不穩(wěn)定。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱由兩個傾動減速機驅(qū)動布料溜槽傾動，布料溜槽傾動通過蝸輪蝸桿驅(qū)動傾動軸傳動，全齒輪系傳動，傳動精度高，布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動通過單獨編碼器檢測，旋轉(zhuǎn)和傾動精度可達±0.1°，優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品±0.3°，布料精度達到世界領(lǐng)先水平。

3.3 閉式加壓水冷、節(jié)省氮氣

中鋼西重標準型水冷傳動齒輪箱水冷系統(tǒng)采用半閉環(huán)冷卻方式，齒輪箱內(nèi)裝有上下水槽和冷卻蛇形管，水流因重力從齒輪箱中的上水槽經(jīng)冷卻蛇形管流到下水槽中，通過熱交換帶走箱內(nèi)熱量，冷卻水通過下水槽排到齒輪箱外水冷系統(tǒng)。另外齒輪箱內(nèi)通氮氣密封爐內(nèi)氣流，防止爐內(nèi)灰塵進入齒輪箱。標準型水冷傳動齒輪箱水冷系統(tǒng)主要缺點在于冷卻水與密封用氮氣在齒輪箱內(nèi)不分離而導致系統(tǒng)不夠穩(wěn)定、氮氣消耗量大等問題。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱采用閉式加壓冷卻，齒輪箱內(nèi)部采用閉式蛇形管，冷卻水和氮氣分離；密封形式采用迷宮密封和橡膠密封結(jié)合的方式，節(jié)省氮氣消耗量，通常氮氣用量為200～500 m3/h。閉式加壓水冷，冷卻水流量更大，更有利于齒輪箱在高溫環(huán)境下長時間正常工作，適應(yīng)較高的爐頂煤氣溫度。河北天柱880 m3高爐水量達到27 m3/h，壓力0.35 MPa，可滿足爐頂溫度150～350 ℃工作環(huán)境，適應(yīng)異常溫度600 ℃工作環(huán)境，優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品20 m3/h。另外，全封閉式水冷循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水不被污染且不需要定期維護，減少用戶維護成本與延長維護時間，從而提高設(shè)備使用的安全性和工作效率，延長設(shè)備的使用壽命。

3.4 承載力矩大

XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱布料溜槽傾動采用蝸桿副式雙傾動齒輪機驅(qū)動布料溜槽傾動，兩個傾動減速機同步的安裝在齒輪箱旋轉(zhuǎn)底盤上，安裝時調(diào)整兩個減速機的同步性，保證兩個減速機同步驅(qū)動布料溜槽傾動。與中鋼西重緊湊型水冷傳動齒輪箱的單傾動減速機驅(qū)動布料溜槽傾動相比較，兩個傾動減速機提升能力大幅增加，布料溜槽長度可提高到3.2 m。

3.5 維護成本低、使用維護方便

XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱冷卻水采用閉式加壓冷卻，冷卻水和氮氣分離，冷卻水不被污染且不需要定期維護，減少用戶維護成本與延長維護時間。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱傾動采用雙傾動驅(qū)動，僅有4個潤滑點。中鋼西重緊湊型型水冷傳動齒輪箱，布料溜槽傾動由四連桿驅(qū)動，共有8個銷軸鉸接潤滑點。相比較XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱潤滑點較少，檢修維護方便。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱布料溜槽傾動由兩個傾動減速機驅(qū)動傾動軸轉(zhuǎn)動，與中鋼西重緊湊型水冷傳動齒輪箱相比較，沒有復(fù)雜的四連桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，操作空間大，維護方便，兩個銷軸潤滑點，受三個月檢修周期影響小，潤滑效果好。

4 結(jié)束語

中鋼西重XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱吸收國外同類產(chǎn)品的優(yōu)點，通過理論計算、試驗檢測、生產(chǎn)測試滿足現(xiàn)代高爐工藝技術(shù)和裝備要求。XZ-Ⅳ型水冷傳動齒輪箱在河北天柱880 m3高爐應(yīng)用，高爐水量達到27 m3/h,壓力0.35 MPa；其靈活的布料有效提高高爐利用系數(shù)，高爐日最大產(chǎn)量3 728.26 t，設(shè)備利用系數(shù)達到4.23，利用系數(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平；布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動精度可達±0.1°，布料精度達到世界領(lǐng)先水平。