齒輪減速機在直進式拉絲機中的應用

方法興

（杭州杰牌傳動科技有限公司，杭州311223）

齒輪減速機在直進式拉絲機中的應用

方法興

（杭州杰牌傳動科技有限公司，杭州311223）

從四大系列減速機在直進式拉絲機中的實際應用出發，研究了減速機選型的合理性，總結了減速機在直進式拉絲使用時產生的各種失效形式，并提出了多種改進對策和解決方案，為今后直進式拉絲機選擇減速機時提供參考。

四大系列減速機；直進式拉絲機；應用

0 引言

拉絲機加工的硬化鋼絲有極廣的民用與工業用途，如彈簧、鋼絲繩、琴弦、焊芯、鋼簾、輪胎鋼絲等等，故拉絲機在工業界有很重要的位置。拉絲機的種類按進線及結構型式的不同，可分為直進式、舞輪式和倒立式拉絲機。本文只研究減速機在最常用的直進式拉絲機上的使用。

直進式拉絲機是由多個拉拔頭組成的小型連續生產設備，通過逐級拉拔，可以一次性地把大直徑鋼絲冷拉到所需的規格，所以工作效率比較高。每個時刻通過拉模的鋼絲的秒流量體積不變,通過每一級的拉拔后，鋼絲的線徑發生了變化，每個拉拔頭工作線速度也有相應的變化。減速機是通過帶動卷筒旋轉為拉絲機提供拉拔力，是拉絲機設備上重要傳動裝置。

目前應用最為廣泛的中小功率齒輪減速機是斜齒輪減速機、斜齒輪傘齒輪減速機、平行軸斜齒輪減速機和斜齒輪蝸輪蝸桿減速機，在減速機行業中被稱為四大系列減速機，以高度模塊化設計為主要特征，通用性非常強。本文中如無特殊說明，減速機均指四大系列減速機。

1 減速機的失效形式及原因

減速機在拉絲機上使用時，常見的失效形式是齒根斷裂、齒面磨損、軸承早期失效和油封失效。其原因如下：

1）減速機齒根斷裂和齒面磨損的主要原因是減速機過載，多是由于拉拔力的計算不準確，偏小的拉拔力使減速型號選擇過小而致。

2）輸入軸軸承早期失效的主要原因是輸入軸徑向力過大，而過大的徑向力是由于過大的皮帶輪張緊力引起的。輸出軸軸承早期失效的主要原因多是潤滑不良。

3）油封失效的主要原因是雜物侵入油封唇部導致唇口破損。這是多粉塵工況以及鋼絲表面脫落的碎片落入油封檔處所致。

一般拉絲企業生產線都24 h連續生產，只要生產中多臺減速機中的一臺出現故障，就會導致整條生產線的癱瘓，所以減速機的可靠性尤為重要。

下面就正確計算拉拔力的方法，改進減速機的局部結構以增加軸承壽命和可靠性進行介紹。并提出新的防止油封失效與漏油的方法，以及輸出軸軸承潤滑的方法。

2 問題的解決

2.1 拉拔力計算

拉絲機設計時，減速機的選型非常重要，大型號不但增加了減速機成本，也增加了由于減速機體積增大而導致整個拉絲機體積增加的成本；減速機型號選小了，就不能保證拉絲機正常運行。這就需要準確地計算減速機的輸出轉矩。要計算輸出轉矩，必須對鋼絲拉拔力進行科學計算。

拉拔鋼絲的機理是，單位拉拔力必須大于鋼絲進入變形區時的屈服點σ0而小于鋼絲從變形區引出時的屈服點σ1，鋼絲的單位拉拔力為拉拔力P與鋼絲的橫斷面積Fx之比。拉拔力計算方法很多，其中古伯金公式的計算最為準確，公式如下：

其中：P為拉拔力，kg；σn為材料抗拉強度，kg/mm2；Fx為鋼絲的出口截面積，mm2；μ為延伸系數，拉伸后的長度/拉伸前的長度；θ為?？坠ぷ麇F半角；f為摩擦系數；Л為變形金屬的周長，mm；l為定徑帶長度，mm。

根據鋼絲在拉拔過程中體積流相等的原理，計算每道的拉拔速度和每一個輥筒的轉速；根據經驗，平均壓縮率取22%左右，具體計算時適當修正；材料抗拉強度與線徑變化之比的平方根成正比：

式中：σn-1為初始材料抗拉強度；D為初始材料直徑；d為拉伸后材料直徑。

2.2 輸入結構的改進

在拉絲機中，減速機動力輸入多是由電機通過皮帶輪輸入。理論計算的皮帶徑向力本身就大，實際安裝中，加上人工調整張緊輪的差異也造成額外的徑向力。過大的皮帶輪張緊力是導致輸入軸軸承早期失效的主要原因，因此需根據實際輸入軸徑向力正確選擇輸入軸軸承。

圖1 通用型拉絲機減速機輸入部分

圖1是一種通用型拉絲機減速機輸入部分的結構圖，從圖1中我們發現：1）軸承4所受徑向力偏大，計算壽命偏小，要改變這一缺陷，必須加大軸承型號，但這與中心距產生矛盾；2）軸承4與皮帶輪9有一定距離，在皮帶輪9受到較大徑向力時，齒輪軸8會產生撓度，由于輸入轉速一般在2 000 r/min以上，油封6處很容易漏油；3）在拉絲機中，各個減速機的速比均不同，當速比較大時，齒輪軸8齒部直徑就偏小，在皮帶輪9受到較大徑向力時，齒輪軸8齒部會產生撓度，影響齒輪正常嚙合。

圖2 改進后的拉絲機減速機輸入部分局部結構圖

圖2為改進后的拉絲機減速機輸入部分局部結構圖，軸承4、5經過補強后壽命能達到要求。油封保護蓋8與輸入軸6的間隙很小，防止大顆粒雜物進入，油封保護蓋8與油封7之間加填高溫油脂，以阻止小顆粒雜物進入，這樣可有效防止油封7因異物進入而導致的破壞。這種結構的不足之處是雖然能有效規避因速比改變而導致對軸系的影響，但不能完全消除撓度對油封 7的影響；減速機內雜物容易在軸承5處聚集，而且軸承5處的潤滑油為死油，不容易更換，容易造成軸承5的早期失效。

圖3 全新設計的減速機輸入結構圖

圖3是一套全新設計的減速機輸入結構圖，皮帶輪9的徑向力通過軸承8和聯接盤1作用在減速機箱體上，軸承5和軸承13僅承受來自齒輪2的軸向力和徑向力，不承受皮帶輪9的徑向力。輸入軸10與皮帶輪9通過花鍵11傳遞轉矩。整個拉絲機配置統一的循環供油系統，由進油口14壓力供油，每分鐘供油一次，每次5 mL，油品為昆侖0號潤滑脂或相似性質的潤滑脂，一路潤滑脂通過軸承5和軸承13由出油口6排出；另一路潤滑脂通過3個并排軸承8由出油口6排出。

圖2和圖3所示的的輸入結構，均已在拉絲機上使用，圖3的結構雖然成本略高于圖2的結構，但性能與可靠性遠優于圖2的結構。

2.3 滲漏油的防護

減速機在拉絲機中是輸入輸出軸豎直安裝的，處于潤滑油油面之下的油封就容易滲漏油，主要是顆粒潤滑劑和鋼絲表面脫落的碎片所致，其次是這些油封往往在減速機的相對底部，容易聚集顆粒雜質。這些異物一旦進入油封唇口，就會加速油封唇口和軸的磨損，從而造成滲漏。對于減速機內部的顆粒雜質，對策是在油封周圍設置磁鋼，磁鋼固定在放油螺塞上以吸附減速機內部的金屬雜質。對于油封外部的顆粒雜物，應在油封結構設計中加入阻止顆粒雜物進入的結構。圖4與圖5是兩種防滲漏油的結構。

圖4 防滲漏油的結構（一）

圖5 防滲漏油的結構（二）

圖4中，油封5和油封7都為單唇油封，面對面安裝。蓋板4與軸6之間的間隙很小，用于阻止大顆粒雜物的進入。定期從油杯1處注入的油脂可以潤滑油封5的主唇口，同時阻止從蓋板4與軸6之間進入的雜物。

圖5中，蓋板3與軸4之間的間隙很小，用于阻止大顆粒雜物的進入。油封5為雙唇油封，用于阻止從蓋板3與軸4之間進入的雜物，油封7為單唇油封，兩油封間注入潤滑脂，可潤滑油封唇口并阻隔雜物。

2.4 軸承的潤滑

在拉絲機中減速機是輸入輸出軸豎直安裝的，處于油位上方的軸承無法實現浸油潤滑。通過對飛濺潤滑、油脂潤滑和強制潤滑3種設計方案反復實驗后，改進設計采用飛濺潤滑的方式，適當提高油位，通過飛濺潤滑的方式對減速機上方的軸承進行潤滑，實踐證明該方案是解決上部軸承失效問題的最經濟最有效的方法。

3 算例

以一臺8道次拉絲機為例計算拉拔力，已知皮帶傳動比1.4，進線直徑2.2 mm，出線直徑0.8 mm，輥筒直徑400 mm，材料初始抗拉強度1 200 MPa，拉拔速度18 m/s，總壓縮率為86.77%，平均縮率和為178.76%，平均壓縮率為22.34%，工藝縮率和為178.72%。

表1 LZ8-400設計參數

由公式（1）～公式（5）的拉拔力計算，電機計算功率、減速機速比、拉拔轉矩計算結果如表1。

本算例拉絲機2010年起在東南亞地區使用，采用文中所述改進措施，至今未有任何異?，F象。

4 結語

在拉絲機行業，經過數年的研究與現場實驗，成功地解決了拉絲機減速機的可靠性問題，使國產減速機成功替代了進口減速機，為我國減速機行業做出了貢獻。

（編輯：立 明）

TG 356

B

1002－2333（2014）04－0184－03

方法興（1974—），男，工程師，從事四大系列減速機的研發、應用工作。

2014-01-07