150T鋼包傾翻裝置的國產(chǎn)化改進設(shè)計

□ 馬麗君 □ 馮 萍

哈爾濱船舶鍋爐渦輪機研究所 無錫分部 江蘇無錫 214151

柔性傳動裝置（即懸掛安裝柔性傳動）是一種用途十分廣泛的低速、大轉(zhuǎn)矩、大減速比且結(jié)構(gòu)緊湊的傳動裝置，其結(jié)構(gòu)主要有3大特點：懸掛安裝、多點嚙合和柔性支承［1］。

上海寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠的150T電爐鋼包傾翻裝置，是由法國DURAND公司引進，采用拉桿式（BFT型）、半懸掛、兩點嚙合的柔性傳動設(shè)備。整個設(shè)備主要包括第一、二級蝸輪蝸桿減速器，第三級齒輪傳動，彈簧重量平衡器和扭桿轉(zhuǎn)矩平衡裝置及兩個成對角線布置的拉桿（見圖1）。該設(shè)備從1996年投產(chǎn)使用至2001年，靠近驅(qū)動側(cè)的第二級傳動的蝸桿出現(xiàn)斷齒，蝸輪出現(xiàn)嚴重點蝕、剝落。2003年10月，該設(shè)備又發(fā)生扭力軸兩端斷裂的事故。經(jīng)過對該設(shè)備傳動系統(tǒng)負荷測試以及上述故障的分析，對原設(shè)計第一、二級蝸輪蝸桿副以及扭力軸兩端花鍵的強度進行校核后，國產(chǎn)化設(shè)計了蝸輪蝸桿傳動副以及扭力軸。

1 設(shè)備改進技術(shù)指標

（1）鋼包的負載總重由原設(shè)計82 t提高10%。

▲圖1 150T電爐鋼包傾翻裝置簡圖

（2）每天清理鋼包30只，使用壽命大于10年。

2 對蝸輪蝸桿副、齒輪副的故障分析及改進設(shè)計

2.1 原蝸輪蝸桿副、齒輪副的強度校核復(fù)算

原機第一級、第二級蝸輪蝸桿副（阿基米德蝸桿）強度、剛度計算結(jié)果見表1。

蝸輪蝸桿副的強度校核復(fù)算（表1）是依據(jù)參考文獻［1］上冊第2章第4節(jié)進行的。從表1中得出，原第一級蝸輪蝸桿副強度、剛度均滿足要求，第二級蝸輪蝸桿副齒面接觸疲勞強度雖滿足要求，結(jié)果卻偏低,其蝸桿軸剛度明顯不足。表1列出的數(shù)據(jù)主要與國產(chǎn)化改進設(shè)計后的數(shù)據(jù)作比較。

2.2 原蝸輪蝸桿副、齒輪副點蝕、剝落及斷齒情況失效分析

表1 原蝸輪蝸桿副強度、剛度校核復(fù)算結(jié)果

蝸桿軸剛度不足將嚴重影響齒的嚙合，造成偏載，加劇磨損和發(fā)熱［2］。蝸桿齒根部本身是個應(yīng)力集中源，長期在交變應(yīng)力的作用下，蝸桿齒部產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著疲勞裂縫的擴展，導(dǎo)致蝸桿輪齒斷裂破壞。由于兩嚙合點間的載荷不可能達到完全相等，靠近驅(qū)動側(cè)的第二級傳動蝸桿比另一側(cè)的蝸桿在任何情況下受到的載荷更大一些，所以靠近驅(qū)動側(cè)的第二級傳動的蝸桿首先出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象 （見圖2所示）。

蝸輪齒面出口處本身存在二次接觸區(qū)，蝸輪旋轉(zhuǎn)一周，這里接觸兩次，載荷作用的頻率高，久而久之，齒面或齒面以下很淺處的疲勞裂縫擴展導(dǎo)致點蝕、剝落（如圖3所示）。

材料上的缺陷和熱處理質(zhì)量差，潤滑系統(tǒng)處理不好，裝配方面的失誤，使用和維護方面的失誤同樣也能造成輪齒折斷、齒面點蝕和剝落［3］。

由中冶集團北京冶金設(shè)備研究總院2002年9月編寫的《寶鋼電爐鋼包傾翻裝置負荷測試分析報告》第5.1條：在3#工況（鋼包自水平位置停留后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動到倒立位置，即鋼包底部朝上的位置）開始階段，由于電動機帶載起動，引起較大的扭矩沖擊，扭矩峰值達1.197 kN·m，是額定扭矩0.877 kN·m的1.36倍，是起動前水平負荷的1.74倍，這是本次測試中高速軸出現(xiàn)的最大動態(tài)扭矩。

報告第6.3條：當(dāng)傳動系統(tǒng)帶載起動時，將出現(xiàn)較大的扭矩沖擊，使傳動系統(tǒng)過載。由于鋼包水平位置負載最大，因此在生產(chǎn)中應(yīng)避免在水平位置起動。

在本鋼包傾翻裝置生產(chǎn)過程中，實際上并沒有正確按照操作規(guī)程執(zhí)行，操作員經(jīng)常在鋼包處于水平位置時直接轉(zhuǎn)至倒立位置（此時轉(zhuǎn)矩最大），如此瞬間或因系統(tǒng)運行不穩(wěn)定使載荷發(fā)生急劇變化，輪齒不斷受到強力沖擊，使齒輪載荷嚴重集中，局部應(yīng)力過高，導(dǎo)致齒面的點蝕乃至失效。

生產(chǎn)設(shè)備上的齒輪傳動發(fā)生失效事故時，對輪齒的失效進行科學(xué)而周密的觀察和測量，不僅可以找出改進齒輪傳動工作能力和質(zhì)量的措施，還可以給齒輪傳動的研究、設(shè)計、制造和維護使用等方面提供重要的資料。

2.3 對蝸輪蝸桿副的改進設(shè)計

▲圖2 原機驅(qū)動側(cè)第二級蝸桿斷齒圖

▲圖3 原機驅(qū)動側(cè)第二級蝸輪輪齒點蝕圖

因鋼包的負載總重提高了10%，為提高承載能力，提高加工精度以及齒面硬度，蝸桿齒形由原阿基米德齒 （ZA型）改進為圓弧齒（ZC1型），蝸桿表面滲碳淬火，中心距和模數(shù)適當(dāng)加大，從而提高傳動性能，達到提高蝸輪蝸桿副的接觸疲勞強度極限和蝸桿軸剛度的目的。

另外，除了采用本系統(tǒng)中左右傳動架下的彈簧重量平衡器及轉(zhuǎn)矩平衡裝置以達到自動平衡外，在加工裝配中，也通過精確調(diào)整左右兩臺第二級蝸輪蝸桿副的側(cè)隙，使其左右兩邊的側(cè)隙基本一致，并且確保大齒輪與兩小齒輪軸的中心位于同一水平線上，公差要求±1 mm。如此，使左右兩嚙合點載荷分配均衡。

2.4 改進設(shè)計后蝸輪蝸桿副、齒輪副強度計算結(jié)果

改進后第一級、第二級蝸輪蝸桿傳動副強度、剛度計算結(jié)果見表2。

表2 改進后蝸輪蝸桿副的強度計算結(jié)果

從表2強度計算結(jié)果可以看出，齒面接觸強度以及蝸桿軸剛度有了明顯的提高，同時也達到了項目技術(shù)指標的要求。

3 對扭力軸兩端花鍵的故障分析及改進設(shè)計

3.1 原扭力軸兩端斷裂的原因分析

扭力軸是轉(zhuǎn)矩平衡裝置的重要組成元件。扭力桿除了平衡轉(zhuǎn)矩外，還起到隨時均衡兩小齒輪載荷的作用。2003年10月，扭力軸兩端發(fā)生斷裂 （如圖4所示），首先當(dāng)鋼包從水平位置直接轉(zhuǎn)至倒立位置時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，這時最容易發(fā)生事故。同時當(dāng)左右兩嚙合點載荷出現(xiàn)嚴重不平衡，超過扭力軸所能承受的轉(zhuǎn)矩，也會發(fā)生事故。通過對原扭力軸兩端花鍵強度的校核復(fù)算（見表3）可知，在3種情況下擠壓強度也都無法滿足要求。

3.2 對扭力軸兩端花鍵的改進設(shè)計

針對扭力軸兩端花鍵，其材料由原來的50CrVA改為40CrNiMoA（調(diào)質(zhì)），原矩形花鍵改用漸開線花鍵，通過對漸開線花鍵的強度計算（見表4），可知其滿足設(shè)計要求。

表3 矩形花鍵的擠壓強度校核結(jié)果（計算方法按參考文獻［1］第2卷第三章第3.2節(jié)進行）

表4 漸開線花鍵的擠壓強度校核結(jié)果（計算方法按參考文獻［1］第2卷第三章第3.2節(jié)進行）

4 結(jié)束語

（1） 通過該設(shè)備的國產(chǎn)化改進設(shè)計，使新設(shè)計裝置在安裝尺寸及機械接口與原裝置保持不變的情況下，大大提高了承載能力，與原引進設(shè)備相比，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。

（2）正確的操作維護也是提高設(shè)備壽命的因素之一。對于本設(shè)備，專門編制了運行維護使用說明書，特別指出，在任何情況下，禁止在鋼包水平位置直接轉(zhuǎn)至倒立位置。同時設(shè)備每次拆卸后重新裝配，各項內(nèi)容必須按裝配要求調(diào)整準確。

▲圖4 原機扭力軸軸端斷裂圖

［1］ 成大先主編.機械設(shè)計手冊［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 齊麟編著.蝸桿傳動設(shè)計［M］.北京.機械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 中國機械工程學(xué)會，中國機械設(shè)計大典編委會編著.中國機械設(shè)計大典［M］.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.