高爐爐頂齒輪箱傾動裝置的均載系數

代霈崧，余延旺

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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高爐爐頂齒輪箱傾動裝置的均載系數

代霈崧，余延旺

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

為分析影響高爐爐頂齒輪箱傾動裝置均載系數最大的因素，基于三維建模軟件UG建立了高爐爐頂齒輪箱傾動裝置的三維模型，并將其導入多體動力學仿真軟件ADAMS中進行動力學仿真，求出不同類型誤差作用下左右傾動裝置輸入輪所受嚙合力大小，然后計算出均載系數。通過對比均載系數得出結論：初始齒側間隙差對均載系數影響最大。

高爐爐頂 傾動裝置 偏載 均載系數

0 引言

高爐爐頂布料器齒輪箱的傾動裝置是由一套對稱的傳動裝置組成，左右兩側傾動裝置同時驅動溜槽左右耳軸旋轉，使溜槽完成傾動運動。然而，由于齒輪上存在不可避免的制造誤差以及安裝誤差，導致左右兩側傾動裝置所承受的載荷不均衡，經過一定的運行時間，受載較大的一側將會提前出現疲勞失效的現象，導致整個設備出現故障停運[1]。

導致傾動裝置偏載的原因分為兩種，一種是由制造誤差、安裝誤差引起的齒輪嚙合誤差，一種是由于旋轉布料時，物料在沿溜槽流下的同時受到柯氏力的作用，偏向溜槽的一側，導致溜槽左右兩側載荷大小不同。無論是哪種原因引起的偏載現象，都將對高爐的生產帶來負面影響[2]。

通過分析NGW型行星齒輪機構的均載機理，提出了當量嚙合誤差、等效嚙合剛度的概念，并給出了載荷不均勻系數的計算公式和計算方法。均載系數為：

即均載系數為嚙合力的最大值和平均值之比[3-4]。

本文將利用ADAMS軟件對布料器進行運動學仿真，求出不同情況下的均載系數，研究在不同原因作用下，偏載的大小與各偏載誘因之間的關系。

1 齒輪嚙合誤差引起的偏載

1-差動行星減速器；2-上回轉齒圈；3-下回轉齒圈；4-左傾動裝置；5-右傾動裝置；6-回轉套筒及底座；7-布料溜槽圖1 布料器三維模型

圖1和圖2為布料機的三維圖及原理圖，在布料器齒輪箱中，下回轉齒圈上的Z13同時與Z14、Z15嚙合，構成一個多齒并聯齒輪傳動機構。多齒輪并聯傳動機構是利用一個大齒輪驅動多個小齒輪，形成功率分流，是一種多點嚙合傳動機械系統，適用于大扭矩，低轉速的應用場合。但是，這種并聯傳動方式在生產裝配過程中，易產生制造和安裝誤差，造成不同小齒輪與大齒輪的中心距大小不一致，產生偏載，嚴重的偏載會造成生產事故[5]。齒輪嚙合誤差通常由安裝誤差與制造誤差組成，下面將分別分析安裝誤差與制造誤差對偏載的影響。

1.1 安裝誤差對偏載的影響

本文通過改變齒輪間中心距的方法，來模擬齒輪的安裝誤差，用ADAMS來求出在不同誤差值情況下，齒輪嚙合力大小，從而求出均載系數。將Z13與Z14、Z13與Z15(圖2)的輪齒在啟動前的齒側間隙定義為初始齒側間隙。在此誤差形式下，將討論兩種情況，第一種為僅中心距改變，初始齒側間隙的大小隨中心距大小的變化而變化；第二種為在已有中心距誤差的情況下，通過旋轉齒輪Z14來改變Z14與Z13的初始齒側間隙，從而討論在中心距不變的情況下，初始齒側間隙的大小對偏載大小的影響程度。

圖2 布料器傳動原理簡圖

首先討論第一種情況，僅中心距改變。此時，Z14與Z13的中心距誤差范圍取+5μm～+40μm，以5μm為單位遞增。Z15與Z13無安裝誤差。將Z14與Z13的嚙合力設為F1，Z13與Z15的嚙合力設為F2。下面分別用ADAMS動力學仿真對各誤差值時的齒輪嚙合力做求解，結果如表1。

表1 各誤差值下齒輪嚙合力

分別帶入嚙合力最大值和平均值計算，各誤差值下均載系數的情況如圖3所示。

圖3 各誤差值下的均載系數

由仿真結果圖線可以看出，帶入嚙合力最大值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加而增加。帶入嚙合力平均值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加并沒有明顯的變化，總體趨于穩定。

由于嚙合力最大值產生于齒輪嚙合時輪齒間的碰撞，而隨著誤差值大小的增加，Z13與Z14的中心距也變大，齒側間隙的大小隨之增加，從而導致齒輪嚙合時，輪齒間的相互碰撞更加劇烈，因此，當帶入嚙合力最大值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加而增加。然而，當碰撞結束，兩齒輪處于平穩嚙合時，嚙合力大小主要取決于從動輪所受負載的大小，因此帶入嚙合力平均值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加并沒有發生明顯的變化，總體趨于穩定。

現在討論第二種情況，中心距不變，僅改變初始齒側間隙大小。具體方法為：以齒輪Z14的旋轉中心O1為起點引一條射線A與Z14的齒廓相切，再以O1為起點引另外一條射線B與Z13的齒廓相切，然后用UG中的分析功能測量出射線A、B的夾角α，將α等分為8份，分別用ADAMS求解在8個不同的初始齒側間隙下，Z13與Z14、Z15的嚙合力大小，從而得出均載系數隨初始齒側間隙變化的規律。

表2 各誤差值下齒輪嚙合力

分別帶入嚙合力最大值和平均值計算，各誤差值下均載系數的情況如圖4所示。

圖4 各誤差值下的均載系數

由仿真結果圖線可以看出，帶入嚙合力最大值計算均載系數時，均載系數除在第6組、第8組兩點處，基本趨于平穩。帶入嚙合力平均值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加呈變大趨勢。

1.2 制造誤差對偏載的影響

此處將采用使小齒輪Z14偏心的方法來模擬其制造誤差。由于此處模擬的誤差為小齒輪Z14的偏心誤差，因此需保持Z14所在的軸空間位置不變，僅改變Z14中心線的位置。因此在導入ADAMS之前，需要在UG中改變Z14的位置，然后將新的模型導入ADAMS中求解。

此時，Z14的偏心距范圍取5 μm～40 μm，以5 μm為單位遞增。Z15偏心距為零。將Z14與Z13的嚙合力設為F1，Z13與Z15的嚙合力設為F2。下面分別用ADAMS動力學仿真對各誤差值時的齒輪嚙合力做了求解，結果如表3。

表3 各誤差值下齒輪嚙合力

分別帶入嚙合力最大值和平均值計算，各誤差值下均載系數的情況如圖5所示。

圖5 各誤差值下的均載系數

由仿真結果圖線可以看出，帶入嚙合力最大值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加而增加。帶入嚙合力平均值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差大小的增加并沒有明顯的變化，總體趨于穩定。

2 物料分布不均引起的偏載

在布料器進行旋轉布料時，物料在流經溜槽時會受到柯氏力的作用，從而偏向溜槽的一側，導致溜槽與物料共同的質心(后簡稱為質心)偏離溜槽中心線[6]。本節將討論質心偏移距離的大小與偏載系數之間的關系。由于質心偏移后，溜槽與物料質量的和沒有發生變化，因此無需改變此前施加的負載的大小，只需將負載的作用點坐標進行修改，得到質心偏移的模型。

具體實施方法為：在ADAMS中選取負載F的作用點，對其坐標進行編輯，然后定義新的F作用點。此處誤差從20 mm開始取值，以20 mm為單位遞增，共取8組數據，分析結果如表4。

表4 各誤差值下齒輪嚙合力

分別帶入嚙合力最大值和平均值計算，各誤差值下均載系數的情況如圖6所示。

圖6 各誤差值下的均載系數

由圖線可以看出，帶入嚙合力最大值計算均載系數時，均載系數的大小隨著誤差由小變大并無明顯的變化規律。在誤差值由20 mm～40 mm時均載系數減小，在誤差值由40 mm～80 mm時呈連續上升趨勢，在誤差值由80 mm～160 mm時呈連續下降趨勢。在帶入嚙合力平均值進行計算時，均載系數的大小隨之誤差值的變化基本呈穩定趨勢。

3 結論

本文分析了可能造成布料器傾動裝置偏載的幾種原因，分別評估了每種原因對偏載大小影響程度的高低。

在分析齒輪的制造誤差以及安裝誤差對均載系數大小的影響后，分析了物料在溜槽中的運動對均載系數大小的影響。通過改變施加在溜槽上的負載F的作用點坐標，模擬物料在溜槽中偏向一側的情況。結果表明：無論帶入嚙合力最大值還是平均值計算，均載系數的大小隨著誤差值的增大并無逐漸增大或減小的趨勢，并且在帶入嚙合力平均值計算時，均載系數大小趨于穩定。

通過分析不同的誤差形式對均載系數大小的影響，將不同誤差形式對均載系數的影響進行了量化計算，對今后減輕甚至避免布料器傾動裝置的偏載現象，降低高爐故障率，提高高爐工作效率具有指導意義。

[1] 邵曉榮.齒輪制造及安裝誤差對行星齒輪均載系數的影響[J].東北重型機械學院學報,1994,18(4):306-309.

[2] 沈文衛,陳征宇,等.高爐爐頂水冷齒輪箱原理及故障分析[J].山西冶金,2014,37(1):80-81.

[3] 余少華,羅治平,丁宇.能耗制動在高爐爐頂傾動角度定位中的應用[C].全國中小高爐煉鐵學術年會，2014.

[4] 肖鐵英,袁勝治，等.行星齒輪機構均載系數的計算方法[J].東北重型機械學院學報,1992,16(4):290-295.

[5] 劉豐偉,徐名濤.高爐爐頂水冷齒輪箱虛擬樣機及力學特征分析[J].機械傳動,2015,39(3):129-136.

[6] Nag S, Koranne V M. Development of material trajectory simulation model for blast furnace compact bell-less top[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2009, 36(5): 371-378.

[7] MSC公司.Using ADAMS/Postprocessor.

[8] 吳昊.高爐無料鐘爐頂溜槽合適長度的研究[J].金屬材料與冶金工程,2015,43(1):31-36.

Load-balancing coefficient of the tilting device in the gearbox in the blast furnace top

DAI Peisong, YU Yanwang

In order to find out the factor that has the greatest influence on the load-balancing coefficient of the tilting device in the gearbox in the blast furnace top, we established the 3D model of the tilting device with UG NX 10.0, then carried out dynamic simulation of the model in ADAMS. We obtained the values of the meshing force on the gears of the tilting device under different working situations, then calculated the load-balancing coefficient. Through comparison, we concluded that the initial backlash difference had the greatest influence on the load-balancing coefficient.

blast furnace top，tilting device，unbalanced load，load-balancing coefficient

TH132.425；TP391.9

A

1002-6886(2016)05-0046-04

代霈崧(1991-)，男，湖北武漢人，漢族，碩士研究生，主要研究方向：齒輪傳動、機械設備運行監測。

2016-03-25