齒條式上料推鋼機的設計開發

李永峰（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

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齒條式上料推鋼機的設計開發

李永峰
（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

摘要：為滿足鋼坯加熱工藝要求，根據單根坯料的體積、推鋼速度及滿負荷水平推力要求，結合現場實際情況，設計開發了齒條式上料推鋼機。重點介紹了齒條傳動機構參數的設計校核以及零件的設計制造。齒條式傳動機構具有結構簡單，傳動比準確、可靠，傳動效率高、壽命長、布局緊湊等特點，應用表明，該推鋼機運行平穩，滿足了鋼坯上料要求，綜合維護、運行成本消耗量降低40%以上。

關鍵詞：推鋼機；傳動機構；齒條傳動；參數設計；零件制造

1　前言

山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹脂錨桿鋼筋為主要產品的棒材生產線。在生產過程中，需要頻繁的使用行車將鋼坯吊運到加熱爐上料輸送輥道，配合加熱爐上料系統將鋼坯送入蓄熱式加熱爐進行工藝加熱。為滿足生產現場的實際需求，最初引進了1臺45T雙推桿式液壓推鋼機，采用機、電、液一體化的液壓傳動機構。液壓式推鋼機雖然承載能力大，操作自動化水平高，但存在整機結構復雜、現場占用空間大、維護工作量大、運行成本高的缺點，不但需要配備完整的液壓泵站系統，一次性投資成本高，而且液壓傳動介質對工況環境的要求較高（油品的清潔度NAS7級，油溫50℃以下），需配備專門的加熱及冷卻系統，耗電量及耗水量較高，維護程序復雜、繁瑣，工作量大。

齒條式傳動機構具有傳動比精確、傳動效率高、承載能力大、結構緊湊、壽命長的特點，結合現場實際工況，山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間設計研發出了一款結構簡單、運行平穩可靠、壽命長、操作維護方便的齒條式上料推鋼機。

2　齒條式上料推鋼機結構簡介

齒條式上料推鋼機由原動機、傳動機構和執行機構3部分組合而成。原動機采用YZR250M-8 37 kW電機，其具備過載能力大、機械強度高的顯著特點，特別適用于像加熱爐推鋼機這種工況惡劣、短時連續運轉、啟動制動頻繁、有過載負荷及顯著沖擊振動的場合。

傳動機構選用標準軟齒面二級嚙合減速機ZQ650-2-40.17傳遞運動和扭矩。此種兩級展開式圓柱齒輪減速機通用性強、結構簡單、運行可靠，輸出軸具有較大強度與剛度，易于跑和，傳動平穩性好。

執行機構采用齒輪—齒條嚙合傳動的結構形式，通過一個主動小齒輪與被動長齒條的外嚙合來傳遞運動及扭矩。此種機構相對簡單、可靠，齒條壽命長，應用區域廣泛，可方便地將齒輪的徑向圓周運動轉化為齒條的縱向進給直線運動，并傳遞水平切向力。齒條式上料推鋼機運動結構見圖1。

圖1　齒條式上料推鋼機運動結構

3　齒條傳動機構參數設計及校核

3.1滑動摩擦力的計算

單根鋼坯的橫截面尺寸為150 mm×150 mm，長度3 000 mm，單根坯料的體積為6.75×10-2m3；單根坯料質量為526.5 kg。考慮到現場行車的實際上料能力及滑軌設計的有效工作行程，要求上料推鋼機在最大滿負荷工作狀態下必須提供足夠大的水平推力，同時推動40根（150×150×3 000）的熱鋼坯，以0.25 m/s的滑移速度在滑軌上移動。熱鋼在金屬上的滑動摩擦系數［1］為0.4～0.6，取中間值（0.5）計算滑動摩擦力。則推鋼機在滿負荷工作狀態下所需要提供的推力（即鋼坯在鋼軌上的滑動摩擦力）為103.2 kN（0.5×526.5×9.8×40）。

3.2電機輸出功率的計算

由推鋼機輸出的水平推力與切線速度可知，推鋼機所需輸出的名義功率Ps［2］為：

（103.2 kW×0.25 m/s）/1 000=25.8（kW）。

整個傳動機構由1臺雙級圓柱齒輪減速機、2個鼓型齒聯軸器、1對齒輪齒條嚙合傳動、2對滑動軸承和1臺電機組合而成，傳動機構總的機械效率η［1］：

η=η1η22η3η42=0.95×0.992×0.94×0.942=77.3%，則由電機傳輸給傳動機構的功率Pr［2］為：

Pr=Ps/η=33.38（kW）。

因此，動力源選用YZR250M2-8型電機［3］，額定功率37 kW（＞33.38 kW），額定轉速n為720 r/min，執行機構設計選用標準二級嚙合減速機ZQ650-2-40.17，速比i為40.17。

3.3減速機輸出軸轉速及扭矩的計算

減速機輸出軸的轉速n1：

n1=n/i=720/4017=17.92（r/min）；

減速機輸出軸角速度ω：

ω=n1π/30=1.88（rad/s）；

減速機輸出軸的功率（即主動小齒輪的輸入功率）［3］P1：

P1=Prη22η1=33.38×0.992×0.95=31.08（kW）。

則減速機輸出軸的扭矩（即主動小齒輪所傳遞的扭矩）［3］：

T1=9.55×106×P1/n1=16.56×106（N·mm）。

3.4主動小齒輪模數及齒數的設計

由于本設計采用的是開式漸開線齒輪的嚙合接觸，因此輪齒的齒根彎曲疲勞斷裂及齒面磨損是其主要失效形式。初始設計先按彎曲疲勞強度設計輪齒的模數，并綜合考慮補償因磨損而造成的輪齒強度削弱，設計模數適當加大10%～15%［4］。

根據現場實際工況，齒條式上料推鋼機每天在線工作20 h，每年工作300 d，設計預期壽命10 a，因此實際工作時間為th=60 000 h。小齒輪的轉速（即減速機輸出軸的轉速）n1=17.92 r/min，齒輪單周期嚙合次數r=1，則主動小齒輪的應力循環次數［2］：

N=60n1rth=6.45×107。

查圖表可知小齒輪的彎曲疲勞壽命系數YN= 0.93，尺寸系數YX=0.94，選用高可靠度安全系數SF= 2。小齒輪材質選用合金鋼鍛35CrMo，齒坯經調質熱處理（HBS 240～280）后7級精度切齒，齒面高頻感應電流加熱淬火（HRC 45～50）。查表可知齒輪材料的彎曲疲勞強度極限σFlim=720 MPa。因此主動小齒輪的彎曲疲勞許用應力［2］：

[σ]F=σFlimYNYX/SF=314.7（MPa）。

標準直齒輪的最少齒數不應少于17齒。開式齒輪傳動為了使傳動節構緊湊，避免傳動尺寸過大，齒輪的齒數不宜過多，一般取17～20齒。在本設計中，考慮到現場機加工及裝配的工藝性和經濟性，并盡量縮小齒輪傳動機構的幾何尺寸，減少安裝空間，同時避免齒根的根切，主動小齒輪選用Z1= 17齒。原動機采用電機驅動，載荷平穩，選用使用系數KA=1，齒間載荷分配系數Kа=1.1（假設KAFt/b≥100 N/mm），由齒寬系數查齒向載荷分布系數Kβ= 1.08，初選動載系數Kv=1.1。

則載荷系數K=KAKVKβKα=1.31。由減速機的輸出扭矩（即小齒輪所傳遞的扭矩T1）、小齒輪齒數Z1查圖表可知，主動小齒輪齒頂的齒形系數YFa=2.98，齒根應力修正系數Ysa=1.525，重合度系數Yε=0.67。為了降低齒向載荷分配的不均勻性，在不影響承載能力的情況下，齒輪的齒寬系數ψd可適當取小，并采用“分段式雙齒同軸”的優化設計方案以增大承載能力。設計選用ψd=0.6［1］。

因此主動小齒輪的設計模數［2］：

考慮到齒面磨損及設計安全系數較高（SF=2），設計選用主動小齒輪模數m=14。

由以上計算分析可得出主動小齒輪的5大端面參數：齒數17，模數14，分度圓壓力角20°，齒頂高系數1，頂隙系數0.25。

4　零件設計及制造

4.1主動小齒輪軸

由于主動小齒輪選用的齒數較少（17齒），小齒輪基圓直徑較小，導致其漸開線的綜合曲率半徑較小，形狀比較彎曲，工作齒廓接觸面積小，齒面接觸應力大，因此主動小齒輪所采用材質的綜合力學性能必須要高于齒條，齒面硬度也要適當加大。考慮到現場機械加工和熱處理工藝性的要求，主動小齒輪選用綜合力學性能好、韌性好、耐沖擊的合金鋼鍛35CrMo材質。齒坯經調質熱處理（HBS 240～280）后直接7級精度切齒，齒面淬火（HRC 45～50），最后磨齒處理，精度等級7-6-6，齒面粗糙度1.6［3］。由于小齒輪齒頂圓直徑較小，將齒輪設計成實心結構，并將齒輪與軸用同一種材料制成“聯體結構”雙齒對稱布置的齒輪軸。主動齒輪軸結構見圖2。

4.2被動齒條

齒條相當于齒數無窮多的大齒輪，由于基圓半徑趨于無窮大，因此其漸開線齒廓也變成了兩條傾斜方向相反的斜直線，齒形設計相對簡單，機械加工的工藝性較好，容易加工制造，精度易保證。由于齒條齒廓工作段嚙合點的綜合曲率半徑大，接觸區域廣，齒面接觸應力小，有利于提高其齒面的接觸疲勞強度，具有齒根齒厚大、抗彎性好、彎曲疲勞強度高的特點。為降低機加工成本，延長配對小齒輪的使用壽命，齒條材質選用普通碳素鋼ZG310-570。齒條毛坯正火處理后8級精度切齒，機加工后表面火焰淬火熱處理（HRC 40～45），輪齒加工精度等級8-7-7，齒面粗糙度3.2。被動齒條零件圖如圖3所示。

圖2　主動齒輪軸結構

圖3　被動齒條零件圖

4.3滑動軸承

主動小齒輪軸在與齒條嚙合的過程中承受過節點、垂直于水平速度方向并指向齒輪中心的徑向載荷。此徑向力作用于齒輪軸上，隨著水平輸出推力的增加而增大，并由主動齒輪軸兩側的軸承所承擔。綜合各方面的因素，軸承設計時選用了采用油脂潤滑的剖分式徑向滑動軸承。這種滑動軸承雖然徑向游隙較大，低速狀態下的旋轉精度不如滾動軸承，但軸承的徑向結構尺寸小、承載能力大、軸向結構緊湊、抗振性好、壽命長、裝配及拆卸方便、對環境要求的敏感性低，比較適宜于惡劣環境下的低速重載工況。為了便于現場拆裝與調整，與滑動軸承座相配的軸瓦也采用剖分式軸瓦結構。考慮到滑動軸承的磨合性、順應性、嵌藏性，本設計采用了低硬度、高塑性、小彈性模量的鉛青銅ZCuPb30材質。滑動軸承裝配圖見圖4。

4.4平托輥

推鋼機滿載工作狀態下，齒條嚙合所受的徑向分力直接垂直作用在其下方的平托輥上，輥身與齒條下底面剛性緊密接觸的同時會承受較大的徑向壓力，單位面積接觸壓強高，極易使輥面產生塑性變形而影響到機構運行的平穩性。在齒條下方采用平托輥機構既可以降低齒條水平運動的摩擦力，使滑動摩擦轉化為滾動摩擦，減少功率損耗，提高機構的機械效率，又可以提高齒條的抗彎剛度，改善其傳動性能，延長使用壽命。為滿足上述要求，平托輥設計采用了整體框架式的上下插裝式結構方案，機座采用整體式剖分設計，兩側的正方形凹形卡槽可在一次裝卡中完成定位加工，確保了機座孔的同心度及裝配同軸度，平托輥設計成軸承內嵌式單元結構，輥身、轉軸、軸承組合成整體的運動單元，由上方直接插入機座卡槽中，并用上壓蓋固定。采用這種設計方案，徑向結構緊湊，現場裝配、維修方便，機構的整體剛性及安裝精度較高。平托輥裝配結構見圖5。

圖4　滑動軸承裝配結構

圖5　平托輥裝配結構

5　結語

設計開發的齒條式推鋼機于2014年10月加熱爐年修改造時上線使用，1 a多來一直運行平穩、可靠。相較現階段廣泛使用的液壓式推鋼機，采用齒條式傳動結構的上料推鋼機，具有傳動比精確、傳動效率高、承載能力大、結構緊湊簡單等特點，一次性投資建設費用較低，對現場惡劣工況環境適應性好，其綜合服役壽命可延長30%，常規維護、運行成本消耗量降低40%以上，非常適用于中小規格棒線的加熱爐上料系統。

參考文獻：

［1］東北大學機械零件設計手冊編寫組.機械零件設計手冊（上冊）［M］.3版.北京：冶金工業出版社，1994.

［2］吳宗澤.機械設計［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1997.

［3］吳宗澤.機械設計課程設計手冊［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1999.

［4］張世民.機械原理［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1993.

Design and Development of Feeding Rack Type Pusher

LI Yongfeng
（The Bar Plant of Laiwu Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271200, China）

Abstrraacctt:: To meet the technical requirement of billet heating, based on the actual situation, the feeding rack type pusher was developed. According to the single billet volume, feeding speed and full load horizontal pushing force, this thesis mainly introduces design and check of rack gear unit parameter. The rack gear unit is of simple structure, accurate transmission ration, reliable, efficient, long life and compact. It’s shown by the application that the machine runs well and it can meet the feeding requirement. The comprehensive maintenance-running cost was reduced by more than 40%.

Key worrddss:: billet pusher; drive gear; rack and pinion; parameter design; part manufacturing

作者簡介：李永峰，男，1976年生，2000年畢業于山東廣播電視大學機械設計制造專業。現為山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間設備組組長，工程師，從事設備管理維護工作。

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TG307

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0048-03