精軋機組同步齒輪箱改造

余新望

武漢鋼鐵集團鄂城鋼鐵公司 湖北鄂州市

1.概述

鄂鋼高線廠于2000年9月建成投產，采用當時國內外先進的工藝裝備技術，其中關鍵的機械設備如精軋機組、吐絲機等引進英國阿希洛技術，設計速度110m/s，保證速度90m/s，精軋機組某些部件轉速達到9000r/min以上。

精軋機組同步齒輪箱承擔精軋機組的所有負載。在2002年到2007年間發生多起軸承燒損故障，其中2004年、2006年每年檢修約耗時120h，嚴重制約高線廠的生產和經營。為此，決定利用2007年中修對精軋機組進行改造，徹底解決問題。

在同步齒輪箱維修過程中，發現箱體高度相差1mm左右，而根據外方的箱體圖紙要求其平面度誤差<0.01mm，因此，在工作過程中，箱體變形嚴重使其運行精度大大降低，在運轉時產生非常大的振動和噪聲，嚴重影響軸承的使用壽命。從如下幾個方面進行分析：（1）求出箱體所受的力，校核軸承壽命；（2）在采用座漿法安裝情況下，校核液壓扭矩扳手產生的垂直向下的力是否使箱體變形；（3）校核軸承在最大負載時，潤滑油是否充足。

2.改造設計計算

根據設計要求，用 1～7 編號齒輪和軸，即齒輪 1、2、3、4、5、6、7；軸 1、2、3、4、5、6、7，其中軸 1、7 輸入軸，輸入功率 P=2×1200kW，轉速n=700/1400r/min；軸2、6輸出軸，n6=3343r/min，n2=2711r/min。

由設計可知，齒輪3、4、5和軸3、4、5起到調向和聯動作用，對箱體作用力較小（故在結構設計中設置1條肋板），而輸入輸出軸對箱體作用力較大（故在結構設計中設置3塊肋板）。輸入輸出軸由于被動軸和齒輪的差別，軸1、2對箱體的作用較大。根據最大力原則，只計算軸1、2對箱體的作用力及箱體變形，即可滿足要求。

被動軸：d2=387.69mm，m2=127kg（左旋），軸 m2=94kg；主動軸：d1=750.77mm，m1=520kg（右旋），軸 m1=148.4kg；α=20°，β=12.8387°。

（1）求解作用在箱壁上的力。箱壁前后支點反力相同，前后箱壁所受外力相等。

齒輪上的受力如圖1所示：

圖1 齒輪、軸受力圖

由徑向力引起的水平反力Fr1x=32.63/2=16.3kN

由軸向力引起的水平反力

所以齒輪1和軸1所受水平力為：

對應的箱壁受力如圖2所示。

（2）校核輸入軸軸承的設計壽命是否滿足使用要求。在校核箱體剛度和潤滑油是否滿足要求時，選取電機功率最大，轉速最低時的轉矩來進行計算；進行軸承壽命校核時，按照日常實際工作中實際最大轉矩進行計算。

圖2 箱體受力圖

實際應用的當量動負載：

由上述計算可知，軸承壽命在實際最大負載作用下壽命可達到7.7年左右，而根據不同產品規格的不同，精軋機的轉速、轉矩也是不同，軸承的負載還會不斷變小，軸承的壽命還將延長。因此軸承的設計壽命能滿足現場使用要求，軸承的選型沒有問題。

（3）校核安裝時箱體底部的變形力。由于在同步箱安裝過程中沒有安裝設備底座，而是直接將箱體安裝在水泥基礎的墊鐵上，在安裝過程中很容易造成某一塊或幾塊墊鐵與箱體底部接觸不實，在此情況下，求出使箱體變形最小力[Fz]，與安裝時使用的液壓扭矩扳手所產生的向下的力N進行比較（圖3），簡化成簡支梁的情況計算。

對于碳鋼，彈性模量 E=2×1011，截面慣性矩 I=30.16×10-6m4，則使箱體變形的最小力[Fz]=251.333kN，實際使用的液壓扭矩扳手產生的向下力為N=264.86kN，N>[Fz]，因此在此種情況下箱體容易變形。由上述計算可知，箱體的變形主要是由安裝原因引起的。

（4）校核軸承潤滑油是否充足。噴嘴面積S=3.9mm2，設計要求噴嘴孔為 Φ5mm， 所 以 S實=19.625mm2，故 S實＞S，即油量充足。

由上述計算可知，箱體軸承故障的發生主要是由于在安裝時采用座漿法安裝，沒有設計設備底座，直接將箱體安裝在墊板上，當二次灌漿層中有空隙時在液壓扭矩扳手正常工作的壓力下，使箱體逐步變形，從而使軸承孔所需的同軸度喪失，引起較大的邊緣負載，使軸承壽命大大降低。因此，改造措施是給箱體增加一個剛性大底座，改變其地基上的安裝方式，從而增加箱體的整體垂向剛度。

圖3 軟件系統數據流程

3.同步箱設備底座設計與施工

底座設計如圖4所示，由于箱體結構成長條型，在縱向容易變形；輸入輸出軸承載了大部分的傳動負載，在箱體的相應部位的負載也應最大，因此在底座設計時在其相應的位置設計了肋板，增加剛度，并增加底座與水泥基礎的附著力。

基礎沒有考慮安裝底座，水泥基礎沒有安裝底座的位置，必須對原基礎作進一步的處理，打掉一部分水泥基礎，按照安裝高度安裝完底座和箱體以后，在底座與基礎之間再進行二次澆灌。在二次澆灌時必須保證澆灌空間沒有空氣，這樣可以保證底座與水泥基礎牢固結合，以保證底座的穩定性。

圖4 設備底座

4.改造效果

通過以上改造，高線廠同步齒輪箱運行平穩，振動、噪聲比改造前大幅降低，其輸出軸垂向振動均方根速度值由3.8mm/s降低到2.5mm/s，自2007年9月改造以后一直使用正常，改造取得較好效果。