高爐罐式爐頂齒輪箱故障分析及改進(jìn)措施

李 強(qiáng)，趙玉軍，賈友劍

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010；2萊蕪鋼鐵股份有限公司，山東 萊蕪271126）

高爐罐式爐頂齒輪箱故障分析及改進(jìn)措施

李 強(qiáng)1，趙玉軍1，賈友劍2

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010；2萊蕪鋼鐵股份有限公司，山東 萊蕪271126）

高爐罐式爐頂齒輪箱主要故障點是旋轉(zhuǎn)支撐、傾動箱及行星減速機(jī)。旋轉(zhuǎn)支撐承受載荷大，通過增加滾動體、均勻內(nèi)部間隙等措施，優(yōu)化回轉(zhuǎn)支撐；傾動箱蝸輪齒易局部磨損、蝸輪軸與溜槽掛架易抱死，通過在蝸輪花鍵軸處增加氮氣吹掃與冷卻、加強(qiáng)密封、強(qiáng)制干油潤滑等，消除了傾動箱故障；行星減速機(jī)各軸承因各種雜質(zhì)形成回轉(zhuǎn)卡阻，通過加設(shè)稀油冷卻及油過濾裝置、及時清理油污等，防止了軸承失效。優(yōu)化改造后，齒輪箱運(yùn)行穩(wěn)定性提高，隱患部位大幅度減少。

爐頂齒輪箱；故障；旋轉(zhuǎn)支撐；傾動箱；行星減速機(jī)

1 前言

高爐罐式爐頂齒輪箱是罐式爐頂?shù)暮诵脑O(shè)備，由氣密箱與行星減速機(jī)兩部分組成，其零部件加工工藝復(fù)雜、裝配精度高，在重載、壓力高、多粉塵溫度高的爐內(nèi)工作，負(fù)責(zé)完成高爐正常生產(chǎn)所需要的各種布料模式，其運(yùn)行狀態(tài)好壞直接影響著高爐設(shè)備的穩(wěn)定順行。氣密箱直接位于高爐爐喉頂部，通過殼體支撐在高爐爐頂鋼圈上，氣密箱頂蓋支撐著行星減速機(jī)。為了保證齒輪箱內(nèi)部的軸承等傳動零部件的正常工作，要求氣密箱工作溫度＜70℃，因此在氣密箱旋轉(zhuǎn)底盤的外側(cè)（面向高爐爐內(nèi)的一側(cè)），裝有隔熱耐高溫材料，并在旋轉(zhuǎn)底盤的內(nèi)側(cè)裝有冷卻水管，由冷卻水將爐內(nèi)傳入熱量帶走。同時，向齒輪箱通入高于爐內(nèi)壓力0.01 MPa、流量＜500 m3/h的氮氣，使含有大量粉塵的臟煤氣不能進(jìn)入齒輪箱，起“密封”作用。氮氣溫度遠(yuǎn)低于爐內(nèi)煤氣溫度，能對箱內(nèi)的傳動機(jī)構(gòu)起到冷卻作用，而行星減速箱處于大氣環(huán)境中工作，不必進(jìn)行冷卻［1］。

齒輪箱在密閉環(huán)境下運(yùn)行，早期故障不易發(fā)現(xiàn)，很多故障即使發(fā)現(xiàn)也不易檢修，給高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定帶來了諸多不利影響，現(xiàn)在已逐漸成為制約高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的瓶頸。主要問題：1）齒輪箱在使用一段時間后，出現(xiàn)α角（布料溜槽傾動角度，即布料溜槽與高爐中心線的夾角）不傾動，β角（控制布料溜槽旋轉(zhuǎn)角度）旋轉(zhuǎn)卡阻等故障。2）蝸輪軸與溜槽掛架抱死現(xiàn)象存在較為普遍。3）在實際生產(chǎn)中，蝸輪、蝸桿及軸承的壽命達(dá)不到一代爐齡的壽命要求。4）在惡劣環(huán)境下長期運(yùn)行的行星減速機(jī)，易出現(xiàn)內(nèi)部各軸承回轉(zhuǎn)卡阻及軸頭泄漏等故障，是引發(fā)齒輪箱故障的主要故障點。為此，對故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 齒輪箱回轉(zhuǎn)支撐分析及改進(jìn)

通過分離旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支撐，觀察到內(nèi)外圈滾道均存在磨損侵蝕痕跡，痕跡出現(xiàn)的位置較為集中且個別位置較為明顯。隨機(jī)抽取20個滾動體進(jìn)行尺寸測量及觀察，發(fā)現(xiàn)滾動體外觀均有不同程度的麻點及磨損痕跡，個別情況較為明顯，尺寸均在誤差范圍之外；保持架保持較好，沒有明顯磨損痕跡。

2.1 失效分析

1）旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支撐承受載荷較大，最大的載荷來自于旋轉(zhuǎn)吊架與旋轉(zhuǎn)底盤帶來的重力作用。在周長為5 423 cm的滾道中只有115個滾動體成十字形式分布，內(nèi)部間隙較大，極易產(chǎn)生局部承載空白。滾動體是回轉(zhuǎn)支撐中直接受力的承載體，其單個滾動體承受載荷較大，與內(nèi)外旋轉(zhuǎn)體相對運(yùn)動中會產(chǎn)生劇烈摩擦，在低速、重載摩擦力的作用下滾動體、滾道會產(chǎn)生剝離及壓痕，致使?jié)L動體及滾道不同程度損壞（見圖1），造成回轉(zhuǎn)支撐故障。

圖1 滾道及滾動體損壞狀態(tài)

2）旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支撐上部只有42條M24高強(qiáng)螺栓與箱體連接作為支撐固定點。在正常情況下，螺栓強(qiáng)度足以承受外力作用。當(dāng)由于旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)進(jìn)入異物（如焦炭、礦石等）造成卡阻時，螺栓在承受剪切力較大的情況下，極易被切斷。

2.2 改進(jìn)措施

1）在回轉(zhuǎn)支撐現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加滾動體2個，減少單個滾動體承載重量，增大有效接觸面積。

2）定期改變溜槽轉(zhuǎn)動方向，盡可能使回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)部間隙均勻，減少局部承載空白時間。

3）從部件情況看，通過增加螺栓數(shù)量來改善設(shè)備，情況不允許，采用增大螺栓直徑，并增加防松方式達(dá)到加固支撐的目的。

4）優(yōu)化回轉(zhuǎn)支撐使用方案。常用回轉(zhuǎn)支撐的結(jié)構(gòu)型式有：單排球式、交叉滾柱式、雙排球式、三排柱式。根據(jù)經(jīng)驗和計算，相同外形尺寸的回轉(zhuǎn)支撐，單排球式的承載能力高于交叉滾柱式和雙排球式；在傾覆力矩1 568 kN·m載荷以下，選用單排球式回轉(zhuǎn)支撐其性價比高于三排柱式回轉(zhuǎn)支撐；當(dāng)傾覆力矩高于1 568 kN·m時，優(yōu)先選用三排柱式回轉(zhuǎn)支撐［3］。

3 傾動箱分析及改進(jìn)

傾動箱安裝在溜槽傳動箱內(nèi)部，是實現(xiàn)α角傾動的最終傳動部分。在現(xiàn)場拆分過程中較為費(fèi)力，蝸輪軸與溜槽掛架配合較為緊密；蝸桿上部軸承有損壞跡象，與蝸桿接觸的蝸輪齒磨損痕跡明顯；蝸桿上部軸承損壞。

3.1 失效分析

1）由于長期處于高溫、粉塵的復(fù)雜環(huán)境中，蝸輪軸與溜槽掛架抱死現(xiàn)象存在較為普遍，萊鋼1 880 m3高爐在更換氣密箱時就出現(xiàn)過多次，且檢修困難。

2）從傾動箱結(jié)構(gòu)來分析，蝸輪、蝸桿及蝸桿下部軸承損壞后，在爐頂上無法更換。左、右傾動箱輸出軸與爐內(nèi)的溜槽掛架用花鍵聯(lián)接，若左、右傾動箱再損壞后無法拆卸，則左、右傾動在爐頂上也不能整體更換，這就要求左、右傾動箱的使用壽命必須達(dá)到一代爐齡8～10 a的設(shè)計要求。但在爐頂高溫多塵惡劣條件下，蝸輪、蝸桿及軸承的壽命不可能達(dá)到一代爐齡的壽命，因此傾動箱在設(shè)計方面存在問題。

3）傾動箱輸出軸與爐內(nèi)溜槽掛架相聯(lián)接，輸出軸與旋轉(zhuǎn)筒體的軸套間有相對運(yùn)動，即有間隙。這樣，爐內(nèi)高溫氣流將沿輸出軸軸向直接沖刷傾動箱輸出軸密封圈，密封圈長期在高溫氣流的沖刷下，易老化失效。溜槽傳動箱內(nèi)采用淋浴式循環(huán)水冷卻，冷卻水在高溫氣流作用下，沿軸向通過失效的密封圈沿輸入蝸桿軸流進(jìn)傾動箱，造成蝸輪副潤滑失效，導(dǎo)致蝸輪副磨損加劇。

4）蝸輪齒局部磨損主要是因為溜槽傾動角度17°～52°，蝸輪轉(zhuǎn)動角度受溜槽傾動限制，只有約6個齒長期與蝸桿做相對運(yùn)動所致。

5）蝸桿上部軸承損壞的主要原因是潤滑不良。傾動箱蝸輪副采用浸油式潤滑，在正常工作狀態(tài)下，α角在17°～52°范圍內(nèi)往返工作。但是在設(shè)計上，蝸輪副的嚙合部分在工作范圍內(nèi)潤滑不到位。即溜槽在52°時，蝸輪有1.5個齒潤滑不到；在17°時，蝸輪有5個齒潤滑不到。

3.2 改進(jìn)措施

1）在蝸輪花鍵軸處增加氮氣吹掃與冷卻，改善運(yùn)行條件，防止產(chǎn)生抱死，為今后維修提供條件。

2）改進(jìn)輸入、輸出軸密封，增加擋水圈，防止冷卻水進(jìn)入箱體，加強(qiáng)密封效果。

3）改進(jìn)蝸輪裝配形式，定期將蝸輪向相同方向旋轉(zhuǎn)36°，避免蝸輪局部磨損嚴(yán)重，影響使用壽命。

4）對傾動箱上部軸承進(jìn)行強(qiáng)制干油潤滑，定期人工加油。

4 行星減速機(jī)分析及改進(jìn)

觀察α軸下部軸承，發(fā)現(xiàn)油污、灰塵已充滿軸承，使軸承失去作用。β角軸內(nèi)孔積灰、雜質(zhì)較多，上盤軸承與大齒輪結(jié)合較緊，下盤軸承在箱體內(nèi)。將α角軸上端軸承取出后發(fā)現(xiàn)外皮已斷裂，經(jīng)觀察不是新碴，排除因拆卸損壞。α角軸清理較為輕松，下部密封取出后發(fā)現(xiàn)有部分損壞，決定整體更換。油孔通暢，軸內(nèi)油通道內(nèi)有黃油，應(yīng)是組裝時所加，下部軸承清理后較好。在箱體吊裝過程中，β角軸下部軸承自行脫落，經(jīng)觀察，軸承外皮有明顯轉(zhuǎn)動卡痕。

4.1 失效方式與分析

行星減速箱安裝在溜槽傳動箱上部，其作用是為溜槽傳動箱的旋轉(zhuǎn)和傾動提供動力，并將這2種運(yùn)動隔離，以使溜槽的復(fù)合運(yùn)動（旋轉(zhuǎn)和傾動）能夠分別調(diào)節(jié)和控制。根據(jù)損壞情況分析：

1）行星減速機(jī)故障原因是行星減速機(jī)各軸承因各種雜質(zhì)較多形成回轉(zhuǎn)卡阻。由于β角輸出軸下部軸承箱無排油孔，行星減速箱長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承所在位置均為所在平面的低洼處，軸承箱內(nèi)油垢增多，不宜排出形成阻礙，加上在裝配過程中雜物進(jìn)入未清理，所處環(huán)境粉塵較多且易進(jìn)入箱體等原因，造成軸承旋轉(zhuǎn)困難或損壞，致使β角不轉(zhuǎn)。

2）α角軸上部軸承外圈斷裂。①制造問題，軸承廠家生產(chǎn)時材料裂紋就存在而沒有及時發(fā)現(xiàn)，有幾種原因：原材料有裂紋；外圈磨削裂紋或熱處理的微裂紋；外圈熱處理內(nèi)應(yīng)力消除不好，加之磨削應(yīng)力過大，這時有外力施加就很容易產(chǎn)生裂紋。②安裝方式不當(dāng)，在安裝時采用較大的沖擊載荷導(dǎo)致外圈產(chǎn)生裂紋［4-5］。

3）β角軸下部軸承外圈的明顯卡痕，說明軸承在使用過程中由于雜物較多，滾動體被卡死不能進(jìn)行轉(zhuǎn)動，在裝配間隙較大的情況下，β角軸旋轉(zhuǎn)力帶動外圈做圓周方向運(yùn)動。

4.2 改進(jìn)措施

1）改進(jìn)潤滑方式［6］，加設(shè)稀油冷卻和油過濾裝置，增加油的清潔度及清洗能力。

2）在行星減速箱立軸上加工斜排污孔，通入立軸中下部孔，用絲堵封住，休風(fēng)時拆下絲堵，排放清理行星減速箱下部的油污。

3）在無塵環(huán)境下清洗裝配，安裝前現(xiàn)場清理，加強(qiáng)安裝過程中的管理，避免雜物進(jìn)入箱體。

通過對齒輪箱一系列優(yōu)化改造后，設(shè)備隱患部位大幅度減少，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，合理控制設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備管理、日常維修、日常點檢工作量明顯減少，滿足了生產(chǎn)工藝要求，降低了設(shè)備故障率。

［1］ 王平.煉鐵設(shè)備［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［2］ 丁康，李巍華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［5］ 顧永泉.機(jī)械密封實用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［6］ 關(guān)子杰.潤滑油與設(shè)備故障診斷技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2007.

Fault Analysis and Improvement Measures of Pot-type Furnace Top Gear Box

LI Qiang1,ZHAO Yu-jun1,JIA You-jian2
（1 Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2 Laiwu Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271126,China）

Main troubles of the pot-type furnace top gear box were the rotary support,tilting box and planetary reducer.Because of powerful support force,we adopt some measures to improve rotary support:increasing rolling elements,homogenizing internal clearance and so on.Because worm gear of tilting box produced partial abrasion easily and worm shaft with chute rack stuck easily,we adopt some measures to eliminate troubles of tilting box:increasing nitrogen purge and cooling,strengthening seal,enforcing grease lubrication and so on.Because impurities caused each bearing of planetary reducer jamming,we adopt some measures to prevent bearing failure:adding thin oil cooling and filter,cleaning oil stains timely.After these optimization measures,gear box’s stability raises and hidden parts reduces significantly.

furnace top gear box;fault;rotary support;tilting box;planetary reducer

TF321.3

B

1004-4620（2010）04-0009-03

2010-03-31

李強(qiáng)，男，1959年生，2009年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，工學(xué)博士。現(xiàn)為內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長，教授，從事高校教學(xué)研究工作，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計，制造業(yè)信息化技術(shù)。