冶金環(huán)境下齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)備改造應(yīng)用

朱澤華，金 洋

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000）

1 冶金齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)備概述

1.1 原理概述

齒輪傳動(dòng)裝置主要起動(dòng)能傳輸和機(jī)械聯(lián)接的作用。 具體使用過程中，首先要設(shè)定齒輪的轉(zhuǎn)速以及力矩，確保齒輪設(shè)備要滿足冶金設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。 其次必須要結(jié)合具體的工藝要求和產(chǎn)品規(guī)劃，確定合理的動(dòng)能傳動(dòng)路線，并對(duì)產(chǎn)品具體的傳遞方向、傳遞位置做好規(guī)劃。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

從具體應(yīng)用情況來看，目前所應(yīng)用的齒輪零部件一般都會(huì)選用滲碳，磨削以及淬火等制造工藝，目前齒輪強(qiáng)度＜HB300 規(guī)格的傳動(dòng)齒輪已經(jīng)被逐步淘汰。 目前齒端修整工藝已經(jīng)趨于成熟，齒輪傳動(dòng)裝置選配方面，精度水平達(dá)到85%以上。 在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用中，還可以根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及尺寸空間，選用單一式齒輪傳動(dòng)裝置或分流式齒輪傳動(dòng)裝置，這一做法能夠確保齒輪傳動(dòng)裝置在固定的環(huán)境下，盡可能的輸出較大的傳送力矩。

1.3 性能參數(shù)

大型冶金機(jī)械設(shè)備在設(shè)定齒輪傳動(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)下列問題重點(diǎn)考慮：即傳動(dòng)齒輪配置是否滿足荷載需求、配置方案是否滿足高速均衡條件、各齒輪的荷載壓力分布是否位于荷載限位之內(nèi)。 只有當(dāng)上述要素能夠得到保障，才能夠確保齒輪傳動(dòng)裝置達(dá)到預(yù)期規(guī)劃效果。 齒輪參數(shù)和選配方案確定需關(guān)注以下要點(diǎn)：

一是要關(guān)注到中心距和齒數(shù)比的問題。 大型冶金機(jī)械設(shè)備齒輪中心件在設(shè)計(jì)過程中需要針對(duì)加工。 在齒輪齒數(shù)比配置過程中，傳動(dòng)機(jī)單齒數(shù)比一般都會(huì)控制在4－6 區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的兼顧。

圖1 齒輪中心距、齒數(shù)比計(jì)算參考要素

二是需要參考齒寬系數(shù)核定公式來確定比值。目前常用的核定公式為ψd ＝bd1，其中b 代表有效齒寬值，d1 為小齒輪分度圓的直徑值。 以鞍鋼2030 軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪參數(shù)方案為例，其中ψd 值＝bd1 ＝0.82—0.44。

1.4 主要零部件

冶金設(shè)備傳動(dòng)裝置的作用效能是借助兩個(gè)齒輪的輪齒嚙合，來搭載一條傳動(dòng)力的傳輸渠道。 因此從軸線相對(duì)位置區(qū)分，可以區(qū)別為平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)三種。

齒輪傳動(dòng)模式之所以能夠在大型冶金機(jī)械設(shè)備當(dāng)中得到有效應(yīng)用，關(guān)鍵在于齒輪傳動(dòng)模式具備傳動(dòng)平穩(wěn)性和精準(zhǔn)性特點(diǎn)，工作穩(wěn)定性水平相對(duì)較高且結(jié)構(gòu)緊湊，功率、速度、尺寸的可選范圍具有顯著優(yōu)勢(shì)。 而目前常見的齒輪傳動(dòng)功率已經(jīng)可以達(dá)到5w—數(shù)十萬Kw，齒輪最高轉(zhuǎn)速記錄300 m／s；齒輪直徑區(qū)間為3 mm—27.46 m。

2 傳動(dòng)齒輪性能優(yōu)化改造的制造技術(shù)

2.1 材料以及熱處理技術(shù)

各類大型冶金機(jī)械所搭載的傳動(dòng)裝置，最為關(guān)鍵的就是軸齒輪以及焊接齒輪圈等零部件，而此類零部件所選用的原材料都是性能極強(qiáng)的合金鋼優(yōu)質(zhì)材料。 如常見的38SiMnMo、42CrMo4、35CrMo等，這些齒輪材料的結(jié)構(gòu)硬度處于HB280－360 之間。 另外，滲碳淬火齒輪主要材料是20CrMnMo、20CrNi4、20CrNiMo、25Cr2Mov 等。

重型承載齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、硬度要求水平，相較于一般的小型齒輪而言，在參數(shù)需求和規(guī)格方面有著顯著差距。 在齒輪搭載方案初期規(guī)劃階段，往往就會(huì)根據(jù)擬定的產(chǎn)線強(qiáng)度和工況環(huán)境，進(jìn)行齒面應(yīng)力分布情況的預(yù)計(jì)算。 在配置傳動(dòng)齒輪時(shí)，還會(huì)進(jìn)行最大剪應(yīng)力條件下齒輪深度值的核定計(jì)算，而這一計(jì)算結(jié)果將作為齒輪參數(shù)配置、齒輪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)水平的關(guān)鍵參考依據(jù)。

2.2 漸開線齒輪修整技術(shù)

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)設(shè)備、軋機(jī)主減速機(jī)等核心部件的齒輪需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，一般以齒向修型、齒高修型兩種工藝為主。

上述當(dāng)中修正方法在具體操作時(shí)，都需要借助專業(yè)化的修整設(shè)備，對(duì)齒輪齒面進(jìn)行一次磨削來達(dá)成。 如寶鋼2050 熱軋機(jī)驅(qū)動(dòng)副齒輪在確定修整方案時(shí)，就對(duì)淬火、調(diào)質(zhì)等修整工藝進(jìn)行了反復(fù)對(duì)比與研討，最終結(jié)合齒輪配置方案的具體情況，選用了滲碳淬火的齒輪修正方案。 而沙鋼1075 軋鋼設(shè)備驅(qū)動(dòng)齒輪組的修整方案，則是選用了齒輪調(diào)質(zhì)的修整工藝。 之所以要對(duì)齒輪進(jìn)行修整，關(guān)鍵是為了確保齒輪齒根曲線相切關(guān)系能夠穩(wěn)固，來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的集中消除，避免應(yīng)力積累和間隙釋放導(dǎo)致齒輪形變。

2.3 配套軸承

冶金機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)裝置減速機(jī)在齒輪配置方案確定過程中“滾動(dòng)軸承”的配置方案相較于其他配置模式而言，往往更受青睞。 而這一選擇傾向的關(guān)鍵在于滾動(dòng)軸承配置模式，能夠有效應(yīng)對(duì)不同條件、環(huán)境下的“齒輪→軸系比”變化問題，在穩(wěn)定性和適用性上更具優(yōu)勢(shì)。 配套軸承的作用效能是通過各元件之間的滾動(dòng)接觸，來提供零件轉(zhuǎn)動(dòng)所需效能的有效傳輸。 滾動(dòng)軸承之所以在冶金機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)齒輪裝置中得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樵撦S承模式具有顯著的摩擦阻力小、功率消耗少、起動(dòng)容易等特點(diǎn)。 當(dāng)然需要指出的是，滾動(dòng)軸承也會(huì)因間隙調(diào)整不當(dāng)?shù)染壒剩霈F(xiàn)過熱變色、銹蝕、紋裂等損壞情況，因此需要對(duì)齒輪及軸承設(shè)備間隙進(jìn)行合理掌控和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.4 偏心套方案

傳統(tǒng)齒輪位置調(diào)整方法，由于步驟繁瑣和受外界環(huán)境干擾較大等客觀因素的存在，往往會(huì)在調(diào)整過程中給冶金機(jī)械設(shè)備的日常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來顯著干擾。即由于減速機(jī)本身軸承孔加工過程出現(xiàn)誤差，或者齒輪制造設(shè)計(jì)失誤等，從而最終使得實(shí)際齒輪嚙合位置達(dá)不到設(shè)計(jì)所需要的狀態(tài)。 國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界及研究人員針對(duì)這一問題進(jìn)行了深入探討，最終經(jīng)過綜合論證與實(shí)踐反饋，并借助計(jì)算機(jī)編程技術(shù)進(jìn)行了精準(zhǔn)計(jì)算，最后偏心套式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式。 這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式使得齒輪減速機(jī)的正確位置嚙合水平得到有效保障。

圖4 齒輪偏心套結(jié)構(gòu)示意圖

減速機(jī)齒輪傳動(dòng)裝置的裝配和調(diào)試過程中，應(yīng)當(dāng)借助偏心套結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試和不斷調(diào)整，從而使得齒輪嚙合得到盡可能的最優(yōu)狀態(tài)。 借助于科學(xué)的偏心套位置調(diào)整方案和具體方法，能夠?qū)鹘y(tǒng)齒輪設(shè)計(jì)、裝配模式過程中出現(xiàn)的齒面傾斜、摩擦情況進(jìn)行有效改善。 此外通過調(diào)整單個(gè)偏心套的操作，還能夠確保一根齒輪的導(dǎo)輪軸兩側(cè)偏心套轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同且方向相同，能夠改變齒輪嚙合的中心距，從而調(diào)整齒輪完成嚙合的側(cè)面縫隙，最終才能夠?qū)崿F(xiàn)減速機(jī)齒輪嚙合設(shè)計(jì)所要求的理想狀態(tài)和最佳精度。

3 冶金環(huán)境下齒輪傳動(dòng)裝置的改造提升要點(diǎn)

3.1 齒輪強(qiáng)度進(jìn)一步提升

主流的齒輪方案在確定過程中，一般都會(huì)傾向于硬齒面鑄造工藝。 占到了全部齒輪應(yīng)用情境的95%以上。 而隨著國(guó)內(nèi)外關(guān)于材料科學(xué)和機(jī)械設(shè)備研究領(lǐng)域的不斷深入，齒輪鑄造工藝將會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，因此，大型冶金機(jī)械設(shè)備當(dāng)中所運(yùn)用的齒輪傳動(dòng)裝置零部件強(qiáng)度將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

3.2 吻合精準(zhǔn)度水平有效提升

目前，各類大型設(shè)備在安裝和調(diào)試過程中，一般都會(huì)采用磨齒和著硬刮削等修整工藝，對(duì)齒輪設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和修整，從而進(jìn)一步提升齒輪吻合精準(zhǔn)度水平。 目前冶金齒輪粗糙度在Ra0.8－1.6 左右，從而使得齒輪轉(zhuǎn)定穩(wěn)定性水平得到有效提升，并且齒輪摩擦噪音得到了明顯降低。 近年來以漸開線修整技術(shù)為主要代表的齒輪調(diào)配工藝，能夠使得齒輪的嚙合性能、重疊系數(shù)、傳動(dòng)效率、彎曲強(qiáng)度等工藝水平得到進(jìn)一步強(qiáng)化，并且以直齒圓柱齒輪、螺旋齒輪和人字齒圓柱齒輪等齒輪結(jié)構(gòu)造型為主的鑄造工藝不斷優(yōu)化，將會(huì)使得齒輪吻合精準(zhǔn)度水平得到明顯提升。

3.3 齒輪性能得到明顯加強(qiáng)

近年來，國(guó)內(nèi)冶金齒輪裝置的發(fā)展方向，開始不斷朝著更大的模數(shù)以及更少的齒數(shù)方向發(fā)展。各類冶金設(shè)備的傳動(dòng)方案在設(shè)計(jì)過程中也開始紛紛應(yīng)用柔性均載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，從而進(jìn)一步保障和提升了所應(yīng)用傳動(dòng)齒輪裝置的平均承載力水平。齒輪加工技藝進(jìn)一步朝著集成化、穩(wěn)定化和多元化方向前進(jìn)，并且隨著相關(guān)配套工藝的成熟，以及材料學(xué)、力學(xué)等工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域研究成果的不斷出現(xiàn)，將會(huì)進(jìn)一步提升冶金齒輪傳動(dòng)裝置的性能水平。

3.4 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜程度進(jìn)一步提升

齒輪傳動(dòng)裝置自身所具備的可選擇性和帶動(dòng)性特點(diǎn)，是其他結(jié)構(gòu)模式和零部件所無法比擬的，因此在冶金機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 而隨著精密加工技藝的不斷優(yōu)化，以及冶金設(shè)備聯(lián)合產(chǎn)線方案的不斷成熟，對(duì)于齒輪傳動(dòng)裝置聯(lián)合性、系統(tǒng)性的水平要求將會(huì)更高。 而隨著齒輪傳動(dòng)裝置力學(xué)研究的不斷深入，也將會(huì)支持著冶金機(jī)械設(shè)備齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜度水平進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

本文以齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)備為對(duì)象。 首先對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)備適用原理、性能參數(shù)、主要零件及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹；其次研究了冶金傳動(dòng)齒輪改造的制造材料和技術(shù)，包括鑄造材料優(yōu)化、漸開線齒輪修整技術(shù)、配套軸承以及偏心套調(diào)整方案等；最后對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的改造進(jìn)行了研究。 隨著材料學(xué)、力學(xué)等學(xué)科研究的深入以及齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)備的實(shí)踐優(yōu)化，冶金機(jī)械設(shè)備所應(yīng)用傳動(dòng)齒輪的強(qiáng)度、精度、穩(wěn)定性水平以及系統(tǒng)集成水平將會(huì)得到進(jìn)一步提升。