PS轉爐傳動裝置蝸輪副跑合方案設計與實踐

胡廣生， 昌子達， 袁 歡， 明江勇

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

轉爐作業(yè)時的運轉是靠傳動裝置來完成的，轉爐的操作會對減速器蝸輪副產生影響，尤其是對初次投入運行和(或)未經完全跑合的蝸輪副影響嚴重。本文結合某廠多臺銅锍吹煉PS轉爐傳動裝置運行情況，介紹PS轉爐傳動裝置專用減速器蝸輪副跑合方案設計、過程和結果分析，提出注意事項，成功預防和解決蝸輪副過早出現異常磨損故障。

1 轉爐傳動簡介

大型銅锍吹煉PS轉爐由于其具有熱容量大、作業(yè)周期內溫度變化小、爐襯壽命長等優(yōu)點被廣泛應用[1]，如圖1所示,轉爐主要由爐體、支承和傳動裝置、送風和捅風眼系統(tǒng)以及配套的余熱鍋爐、環(huán)境集煙等組成,其主要技術參數見表1。

1-滾圈和支撐裝置；2-爐口；3-爐體；4-大、小齒圈；5-專用減速器；6-送風系統(tǒng)；7-電機圖1 PS轉爐示意圖

大型轉爐傳動裝置普遍采用蝸輪蝸桿傳動和圓柱齒輪傳動于一體的專用減速器作為簡潔的傳動裝置配置方案[2-3]，由交流和直流電機、專用減速器、制動器、開式齒輪副等組成。轉爐正常生產作業(yè)采用交流電機傳動，交流失電或故障時由直流電機將爐體驅動至安全位置。

其中專用減速器工作原理如圖2所示，主要技術參數為：型號- 3TUG560；傳動比- 108；蝸輪蝸桿傳動中心距560 mm，圓柱齒輪傳動中心距800 mm。

1-斜齒輪副；2-直流電機；3-傘齒輪；4-制動器；5-蝸輪蝸桿；6-交流電機圖2 減速器工作原理圖

2 蝸輪副運行中的問題

轉爐作業(yè)時，常會發(fā)生下列情況：一是在裝料、吹煉、排料等過程中需要頻繁間歇運轉，此時回轉體(含砌體、銅锍)總重達到550 t左右；二是局部砌體如風眼區(qū)需要經常性挖修；三是吹煉過程中產生大量的噴濺物，易形成局部粘接堆積。基于轉爐的結構特點和作業(yè)影響因素，上述情況會導致轉爐回轉體重心與幾何中心不重合(通常在爐體初次安裝時，調整配重使重心處于幾何中心位置)，致使爐體回轉時產生附加力矩[4]，而附加力矩對傳動裝置產生影響，即PS轉爐專用減速器時常在變負載狀態(tài)下運行，這將對于初次投入運行和(或)未經完全跑合的蝸輪副產生嚴重影響。

如果蝸輪副跑合未達到理想狀態(tài)(嚙合接觸面積不足)，當附加力矩成為阻力矩時，可能造成蝸輪副接觸應力大于許用值，甚至導致蝸輪表面直接擦傷，它產生的金屬碎屑夾雜在嚙合面之間，使磨損進一步快速加劇。如此循環(huán)，將導致蝸輪副在短時間內因過度磨損而失效。

近年，某冶煉廠多臺φ4 m×11.7 m大型轉爐相繼投入運行，其中1#轉爐蝸輪副連續(xù)發(fā)生了二次異常磨損而報廢，主要運行故障總結見表2。

表1 PS轉爐主要技術參數

表2 某廠PS轉爐專用減速器蝸輪副主要運行(故障)情況

當轉爐專用減速器蝸輪副發(fā)生異常磨損又未及時發(fā)現時，對正在作業(yè)期的轉爐將可能失去控制而發(fā)生嚴重事故，并產生較大的修理費用和較長的修理時間。轉爐專用減速器蝸輪副異常磨損的發(fā)生，與潤滑或初期跑合技術控制等有關。因此對大型轉爐專用減速器蝸輪副的跑合至關重要，應使跑合完全、接觸良好、承載能力達到規(guī)定值，同時在初期運行一定時間內應納入嚴密的技術狀態(tài)管理。

3 轉爐專用減速器蝸輪副跑合方案設計

蝸輪副制造時會產生加工誤差，一般通過跑合性磨損，可逐漸消除齒面凸點、毛刺[5]，增大有效接觸面積，降低接觸應力，使減速器從“出廠狀態(tài)”過渡到“使用狀態(tài)”，并且達到以下目的：使齒面形成新的和足夠的接觸面，降低嚙合接觸應力；硬化齒面，增強蝸輪表面的機械性能，避免產生破壞性磨損；降低蝸輪表面粗糙度，減少膠合和點蝕。

理想狀態(tài)下，作為大型轉爐主傳動裝置的專用減速器蝸輪副正式投入作業(yè)前，應進行空載和完全負載跑合，即分別以0、25%、50%、75%、100%的額定載荷運轉。每一階段運轉時，以油溫平衡為準，但不得小于2 h，運轉時，應制定檢查記錄標準，并保證潤滑良好，無異常振動和噪音，使蝸輪副形成足夠的嚙合接觸面。

基于大型PS轉爐結構特點，在安裝后的作業(yè)現場往往不能嚴格按照理想載荷遞增的要求進行跑合,通常利用自身的傳動裝置和非生產作業(yè)載荷進行跑合。本文結合現場實際，提出了簡化后的跑合方案，該方案通過了多臺轉爐專用減速器長時間運行驗證。

3.1 無負載跑合

空載跑合，時長4 h。在設備安裝調試完成后，利用現場主傳動裝置，斷開負載聯軸器，先正轉、反轉各30 min，觀察運行電流、減速器油溫等變化情況并記錄相關數據，結束后分別停車檢查蝸輪副嚙合情況。此后，以油池溫升小于60 ℃和最高運行油溫不能超過90 ℃為標準，設置合理的間隙時間，并使正轉、反轉累計運行時間達到4 h。

3.2 負載跑合

3.2.1 轉爐回轉重心和跑合起始位置的確定

如圖3所示，在轉爐正常吹煉作業(yè)時設定位置1、位置2、位置3、位置4，分別對應爐體刻度0°、90°、180°、270°，并在位置1設置角度指示器，設定爐體順時針旋轉時為正轉，逆時針旋轉時為反轉。

圖3 轉爐吹煉位置示意圖

為了使跑合載荷從小到大逐漸增加，應正確確定爐體重心位置(注意：對于經過作業(yè)的爐體，由于吹煉過程中噴濺粘結物的形成導致轉爐爐體重心是變化的)。

通過對爐體360°旋轉，正轉時重心在通過位置1和位置3將產生最大的動力矩和最大的阻力矩，對應點運行電流將為最小和最大值。那么在對爐體進行360°旋轉時，記錄電機運行電流的最大和最小值時爐體對應位置即可標定爐體回轉重心位置。

若將回轉體重心調整到位置2并當爐體正轉時，附加力矩將按正弦函數變化。跑合時，考慮滿足跑合載荷逐步增加的原則，可將回轉體重心調整到位置2或位置4附近，設置此時爐體在角度指示的位置為0°，并作為跑合起始點。

3.2.2 負載跑合方案

為了實現跑合過程施加給蝸輪副的載荷均勻增加和控制實際嚙合范圍，以蝸輪副旋轉1周作為運行控制單元，可以通過式(1)計算出蝸輪副回轉一周時爐體所轉動角度。

θ=360°/(i1×i2)

(1)

式中：θ為爐體旋轉角度；i1為開式齒輪傳動比；i2為專用減速器斜齒輪傳動比。

根據設備參數，計算得：θ=360°/(8.764 7×2.16)=19.02°(取20°)，即爐體回轉約20°時，蝸輪副回轉約1周。同時，可以得出每回轉20°時的有效嚙合時間t，見式(2)。

t=(θ/(r×360°))×60+t1=(20/(0.606×360)×60)+2=7.5 s

(2)

式中：t1為制動器慣性運轉時間，2 s；r為爐體轉速 (rpm)。

跑合的第一步，使爐體在0°至+20°范圍內運行。先從0°運行到+20°，停機3 min；再從+20°回轉至0°，停機3 min；如此反復運行30次。并進行運行電流檢測，即I運行，見式(3)。

I計算=I空載+(I滿載—I空載)×(30%～40%)

(3)

比較電機實際運行電流與計算電流值：當I運行≤I計算時，執(zhí)行跑合方案一，見表3；否則，執(zhí)行跑合方案二，見表4。

表3 跑合方案一

表4 跑合方案二

4 PS轉爐專用減速器蝸輪副跑合實例

某廠1#轉爐2014年建成，投入運行后不久先后發(fā)生二次蝸輪副異常磨損(表2)，在第二次更換蝸輪副后，至今運行正常，跑合過程和數據整理如下所述。

4.1 空載跑合

空載跑合時，先進行了正、反轉各30 min運行，檢查后進行正、反轉各90 min運行，累計運行4 h。運行電流、減速器油池溫度、嚙合情況見圖4～6。圖6中圖中高亮部分為實際嚙合面，并提示蝸輪副有效接觸面較少。

4.2 負載跑合

4.2.1 跑合起始角度0°角的確定

對于剛剛完成的耐火襯砌體，往往需要進行一次吹煉掛渣作業(yè)以保護砌體在跑合運轉過程中的安全，此時爐體重心往往與幾何中心不重合(對于經過多次吹煉作業(yè)的爐體可能尤為明顯)，將爐體正轉、反轉360°，分別記錄電流最大值和最小值對應位置，重心處于其連線上。

測得，正轉時，185°Imax=132 A，350°Imin=120 A，反轉時，10°Imax=132 A，190°Imin=122 A，可知爐體重心在近似刻度10°附近。在正常生產過程中，主要傾轉角度為0°至130°，實際跑合時爐體重心處于最下端。因此，按照設計方案，跑合的第一步傾轉角度為100°至80°，如圖7所示。

4.2.2 跑合方案的選擇

在完成第一步跑合后，實際運行電流為：119～131 A(正轉)和121～130 A(反轉), 且電流多處于130 A左右。

根據式(3)，且范圍30%～40%選取30%(結合實際運行電流即負載情況，優(yōu)先采用小角度范圍作為跑合方案)，則：I計算=I空載+(I滿載-I空載)×30%=88+(217 A-88 A)×30%=126.7 A。即I運行>I計算，執(zhí)行跑合方案二。即跑合角度確定為100°至80°、80°至60°、60°至40°、40°至20°、20°至0°。跑合時控制蝸輪副有效嚙合時間達到4 h，表4中方案二有效嚙合時間為20 min，需通過重復跑合來確保效果。

圖4 空載運行時間電流曲線

圖5 空載跑合時間油溫曲線

4.3 數據分析和比較

4.3.1 1#轉爐實際跑合數據

2015年1月，某廠1#轉爐蝸輪副蝸輪實際接觸面情況(選取n次跑合后)和運行電流如圖8所示。

圖6 空載嚙合接觸面情況

圖7 跑合起始位置

4.3.2 跑合結果與分析對比

經過重復方案二13次跑合后，1#轉爐投料運行，經過定期檢查發(fā)現和比對，轉爐正常生產時，爐體正轉時電機運行電流平穩(wěn)，反轉時由于粘接物的阻力矩作用運行電流偏大但均小于額定電流。同時，1#轉爐蝸輪副表面光滑，其接觸面進一步緩慢擴展，運行穩(wěn)定，電流波動較小。

某廠作業(yè)轉爐正常作業(yè)時交流電機運行電流情況見表5，蝸輪副接觸面情況見圖9。

圖8 跑合n循環(huán)后蝸輪接觸面和運行電流

圖9 轉爐蝸輪嚙合情況

4.3.3 跑合方案簡化

在以蝸輪副旋轉整數圈原則下，逐步擴大載荷變化范圍進行跑合，設計了表6簡化跑合方案，該方案可以通過編制跑合程序自動運行和記錄有關數據，見圖10，注意事項同前。實踐表明，簡化后的跑合方案是可行的。

表5 轉爐正常作業(yè)時運行電流(運轉角度0°～120°)

注：3#、5#轉爐數據來源就地電流表；“*”處數據超出電流表量程，沒有顯示。

表6 簡化后轉爐跑合方案

圖10 轉爐自動跑合記錄(+15°～+140°)

5 結束語

實踐表明，本文中設計的簡化后跑合方案可以滿足PS轉爐傳動裝置專用減速器后續(xù)安全穩(wěn)定運行的要求，避免蝸輪早期異常磨損。但應注意以下問題。

1)無論新建和檢修后的減速機，在投入負荷運行前均需要跑合完全，使得蝸輪副嚙合面光滑、均勻，接觸面積達標；跑合完畢后一段時間內應納入嚴格技術管理，即定期檢查嚙合面情況。

2)跑合前，應要進行負荷評價，確認爐體重心位置，將重心調整到爐體中心線的正上方或者正下方，并作為跑合的起始點。

3)跑合前，編制跑合計劃和檢查記錄表。按照規(guī)定的時間(如每一段程序運行結束)檢查和記錄實際運行電流、嚙合情況、電機溫升、油池溫度變化等的情況。

4)跑合時，確保蝸輪副工作面有效嚙合時間大于4 h，每一運行周期以蝸輪旋轉圈數整數倍來設置旋轉角度?？梢酝ㄟ^編制PLC程序自動運行簡化跑合過程管理。

5)跑合時，應定期檢查各部連接螺栓緊固情況、耐火襯完好情況、引起載荷變化的運轉情況(如萬向接頭、制動器)。當發(fā)現運行電流異常時應及時停車，檢查并排除異常后方可繼續(xù)跑合。

6)跑合時，如果嚙合面出現非跑合性磨損，應立即評估運行載荷，調整跑合方案(在負荷最小區(qū)域內運行跑合過程消除非正常磨損)。

7)當跑合性磨損消失后，應對潤滑油進行處理。跑合后需定期對蝸桿和直流輸入軸的軸向竄動間隙進行檢查，避免定距環(huán)異常磨損；再次，定期對低速軸的軸向竄動和徑向跳動進行檢查，避免軸承異常磨損。