SAM16-180S 混砂機(jī)齒輪箱的國產(chǎn)化研究及應(yīng)用

（東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠，湖北 十堰 442013）

SAM16-180S 混砂機(jī)是丹麥DISA 公司制造的一款轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)，自2002 年工廠引入使用至今。在近20 年的使用期間，一些易損件逐漸損壞，為了降低采購成本，大部分機(jī)械非標(biāo)易損件在更換過程中均已進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，這其中包含全套轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子輸入軸、大小同步帶輪、轉(zhuǎn)子軸承座以及轉(zhuǎn)子攪拌器）、卸料門、壁刮板、底刮板、主軸及軸承座等，國產(chǎn)后的使用效果都比較理想。但是，在使用過程中，混砂機(jī)齒輪箱同樣出現(xiàn)多次損壞，損壞的齒輪軸及齒輪也經(jīng)歷過多次更新修配，但是使用效果一直不夠理想。為了進(jìn)一步提高該混砂機(jī)的穩(wěn)定性，很有必要開展齒輪箱國產(chǎn)化改造方面的研究。

1 混砂機(jī)齒輪箱存在問題

1.1 混砂機(jī)工作原理

圖1 SAM16-180S 混砂機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

圖1 所示為SAM16-180S 混砂機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，其工作原理為：主料及輔料分別通過主料稱以及輔料稱按照設(shè)定的值加入混砂室，在主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，底刮板及壁刮板繞主軸軸心旋轉(zhuǎn)；在轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，固定在傳動(dòng)橋上的轉(zhuǎn)子攪拌器在繞自身軸心自轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞主軸軸心進(jìn)行公轉(zhuǎn)。型砂在底刮板、壁刮板以及轉(zhuǎn)子攪拌器的作用下在混砂室混制，待型砂檢測裝置確認(rèn)型砂合格后，通過卸料裝置放空混砂室，然后再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。

1.2 齒輪箱工作原理

齒輪箱是SAM16-180S 混砂機(jī)一個(gè)重要的組成部分，原齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡圖見圖2，原齒輪箱的基本參數(shù)見表1.

圖2 原齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)圖

表1 原齒輪箱基本參數(shù)表

齒輪箱的工作原理為：齒輪箱一級齒輪副的輸入軸在主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過二級齒輪副以及三級齒輪副的傳動(dòng)，最終由三級齒輪副的大齒輪帶動(dòng)輸出軸將扭矩傳遞至傳動(dòng)橋，帶動(dòng)壁刮板、底刮板以及轉(zhuǎn)子攪拌器繞主軸旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，二級齒輪副的齒輪軸連接一齒輪泵，齒輪泵的吸油口位于齒輪箱底部，從箱體內(nèi)部吸油，在溢流閥、過濾器、壓力繼電器等液壓元件的控制下輸送至齒輪副的嚙合點(diǎn)以及各級齒輪軸的上端軸承，對其進(jìn)行潤滑，這種潤滑方式稱之為內(nèi)循環(huán)潤滑。

1.3 原有齒輪箱存在的問題

原有齒輪箱主要存在以下幾方面的問題：

1）從圖1 可以看出，混砂機(jī)各零部件的布局非常緊湊，齒輪箱的分布空間因此受到一定的限制，而從圖2 可以看出，原有的齒輪箱各級齒輪副的軸心分布于一條直線上，在此基礎(chǔ)上完成三套齒輪副的布局，只有盡可能壓縮各級齒輪副的外形尺寸，因此在最初的設(shè)計(jì)上，各級齒輪副的安全系數(shù)取值都相對較低。由于強(qiáng)度得不到保證，最終導(dǎo)致在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷軸及斷齒現(xiàn)象。

2）從圖2 可以看出，原有的齒輪箱潤滑系統(tǒng)采用的是內(nèi)循環(huán)潤滑系統(tǒng)，由二級齒輪副的齒輪軸直接帶動(dòng)齒輪泵從箱體內(nèi)部吸油輸送到各潤滑點(diǎn)，這種潤滑方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要為潤滑系統(tǒng)增加單獨(dú)的動(dòng)力元件，但缺點(diǎn)也非常明顯，油泵輸入軸直接與齒輪軸相連，由于齒輪箱運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，導(dǎo)致油泵輸入軸經(jīng)常出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。

2 齒輪箱技術(shù)改造方案

為了解決上述問題，需要對齒輪箱進(jìn)行更新改造，此次更新改造的總體設(shè)計(jì)原則如下：

1）齒輪箱外形尺寸基本不變，以適應(yīng)現(xiàn)有的安裝空間：

2）齒輪箱與各相關(guān)零部件的連接尺寸不變，保證其他相關(guān)部件可以繼續(xù)使用；

3）在前兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高各級齒輪副的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，以此提升各級齒輪副的強(qiáng)度；

4）齒輪箱的潤滑方式由內(nèi)循環(huán)改為外循環(huán)，減少潤滑系統(tǒng)的故障頻率。

通過多次技術(shù)討論，比較了多種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了一套齒輪箱的改造方案，確定從齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方面和潤滑系統(tǒng)方面進(jìn)行改進(jìn)，下面將對此改造方案進(jìn)行介紹。

1958年，鹽湖上的一聲吶喊喚醒了沉睡億萬年的戈壁荒灘，拉開了中國鉀資源開發(fā)的序幕。1978年，改革開放的春風(fēng)吹遍了神州大地，中國鉀肥工業(yè)從小到大、從土到洋、從弱到強(qiáng)。

2.1 齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案

2.1.1 齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)問題解析

圖3 原齒輪箱各級齒輪副布局簡圖

如圖1 所示，整臺(tái)混砂機(jī)各零部件在裝配時(shí)都具備一定的關(guān)聯(lián)性，在考慮整體布局時(shí)，齒輪箱也需要考慮與其他零部件的相對位置關(guān)系。圖3 為原齒輪箱各級齒輪副布局簡圖，齒輪箱的原始設(shè)計(jì)思路是3 套齒輪副呈一條直線分布，由于受空間上的限制，在保證輸入軸、軸出軸以及安裝底孔之間的相對位置關(guān)系的前提下，3 套齒輪副的總中心距基本上不能超過785 mm.因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)各級齒輪副，無論是在接觸強(qiáng)度還是彎曲強(qiáng)度方面，安全系數(shù)都相對較低。通過對原始齒輪箱各級齒輪副的核算發(fā)現(xiàn)，各級齒輪副的各類參數(shù)分別如表2 所示。

表2 原出廠設(shè)計(jì)齒輪箱齒輪副的各類參數(shù)和強(qiáng)度分析

從表2 可以看出，在選材方面，各級齒輪副的選材比較合理，因?yàn)?7CrNiMo6 的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為865 MPa 和1 180 MPa～1 420 MPa，在合金鋼材料中屬于高強(qiáng)度材料。但是，由于外形尺寸的限制，三套齒輪副無論是小齒輪還是大齒輪，其接觸強(qiáng)度系數(shù)都偏小，尤其是三級齒輪副，其接觸強(qiáng)度系數(shù)尚不及安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（最小許用接觸強(qiáng)度安全系數(shù)值為1.0），二級及三級齒輪副的彎曲強(qiáng)度系數(shù)也相對偏小，由此帶來的問題就是打齒和斷軸。

2.1.2 齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)措施

為了解決齒輪箱的打齒及斷軸問題，在不改變齒輪箱整體外形尺寸以及與混砂機(jī)其他零部件的關(guān)聯(lián)尺寸的前提下，可以考慮改變各級齒輪副的布局。由于原齒輪箱在設(shè)計(jì)時(shí)各級齒輪副呈直線分布，而各級齒輪副的外形尺寸是逐步增大，其中輸出軸上的齒輪為最大外形尺寸，而前幾級齒輪在寬度方向還有足夠的空間可以利用，因此可以考慮將中間兩根齒輪軸的軸心向原中心線的兩側(cè)偏移，各齒輪軸的軸心連線呈折線分布，以此增加各級齒輪副的總中心距，從而在設(shè)計(jì)上可以考慮增加各級齒輪副的外形尺寸，以此來提升齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

圖4 新齒輪箱各級齒輪副布局簡圖

圖4 為新齒輪箱各級齒輪副布局簡圖，在充分利用齒輪箱的空間的前提下，齒輪副的總中心距可以由原來的785 mm 增加至939 mm，在此思路下設(shè)計(jì)齒輪副，通過計(jì)算，最終各級齒輪副的各類參數(shù)如表3 所示。

表3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后齒輪箱齒輪副的參數(shù)和強(qiáng)度分析

從表3 可以看出，重新設(shè)計(jì)的齒輪箱各級齒輪副無論是在接觸強(qiáng)度系數(shù)還是在彎曲強(qiáng)度系數(shù)方面，都有比較大的提高，按此設(shè)計(jì)方案來制作齒輪箱，各級齒輪副的強(qiáng)度均有不同程度的提高，使用壽命也會(huì)因此增加。另外，按此方案進(jìn)行改進(jìn)，不僅總的傳動(dòng)比與原齒輪箱基本相等，而且安裝尺寸也與原齒輪箱保持一致，符合總體設(shè)計(jì)原則。

2.2 齒輪箱的潤滑問題

如圖5 所示，齒輪箱的潤滑采用的是一套自驅(qū)動(dòng)的潤滑系統(tǒng)，其潤滑泵的動(dòng)力源為齒輪箱的二級齒輪副齒輪軸，由于齒輪之間的嚙合存在的振動(dòng)較大，而潤滑泵輸入軸與齒輪軸之間采用的是剛性連接，這種振動(dòng)直接傳遞至潤滑泵的輸入軸，而該軸由于軸徑較小，強(qiáng)度相對較低，在長時(shí)間的激振力作用下，潤滑泵輸入軸極易斷裂，潤滑泵出現(xiàn)問題后齒輪箱無法正常工作，混砂機(jī)只能停機(jī)維修。

圖5 改進(jìn)前齒輪箱的潤滑系統(tǒng)

2.2.2 潤滑系統(tǒng)改進(jìn)措施

原有的齒輪箱采用的是一種內(nèi)循環(huán)的潤滑方式，即潤滑泵從箱體內(nèi)吸油再回到箱體內(nèi)，只是潤滑泵不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而潤滑系統(tǒng)的問題就出在潤滑泵的動(dòng)力元件上。為了解決潤滑系統(tǒng)的動(dòng)力問題，可以為潤滑泵增加一套動(dòng)力元件，解決原有動(dòng)力源存在的問題。具體方案如圖6 所示。

改進(jìn)后的潤滑系統(tǒng)的工作原理為：在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，油泵從吸油口吸入潤滑油，通過溢流閥調(diào)整壓力至設(shè)定值，經(jīng)過過濾器過濾后分別輸送至各需要的潤滑點(diǎn)，包含一級及三級齒輪副嚙合點(diǎn)的潤滑，輸入軸、二軸、三軸以及輸出軸上端軸承的潤滑。當(dāng)潤滑油壓力超過設(shè)定值時(shí)，溢流閥開啟，潤滑油會(huì)通過溢流口流入箱體內(nèi)，當(dāng)壓力低至設(shè)定值后，壓力繼電器會(huì)把信號反饋給電氣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示操作人員進(jìn)行處理。

圖6 改進(jìn)后齒輪箱的潤滑系統(tǒng)

由于二級齒輪副及各軸的下端軸承本身就處在潤滑油液面以下，因此不需要另行潤滑。經(jīng)過各潤滑點(diǎn)的潤滑油在自身重力的作用下再流回箱體內(nèi)，如此反復(fù)循環(huán)。

改進(jìn)后的潤滑系統(tǒng)，潤滑泵相對獨(dú)立，不會(huì)受到齒輪箱工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)干擾，因此以前出現(xiàn)的輸入軸斷裂的現(xiàn)象不會(huì)再次出現(xiàn)，潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)因此提高。

3 技術(shù)改造后的使用效果

改造后的齒輪箱在不改變外形尺寸及與其他零件連接尺寸的前提下，各級齒輪副的強(qiáng)度得到了大幅度的提升。另外，采用相對獨(dú)立的潤滑方式，潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提高。從投入使用至今，齒輪箱基本沒有出現(xiàn)重大問題，原有的齒輪副斷軸、打齒以及潤滑泵斷軸的問題都得到了解決，總體效果非常理想，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖7 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從圖7 改進(jìn)前后的齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在改進(jìn)前后有明顯的不同，改進(jìn)后箱體內(nèi)有限的空間得到了充分的利用，各級齒輪副的強(qiáng)度不僅得到了大幅度提高，而且齒輪箱的裝配也較改進(jìn)前方便了很多。

4 結(jié)論

DISA 公司在鑄造領(lǐng)域，尤其是砂處理方面在國際上享有很高的知名度，研發(fā)的鑄造設(shè)備基本上可以代表國際領(lǐng)先水平，這一點(diǎn)勿容置疑。但即便如此，有些設(shè)備在一些細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)也會(huì)存在或多或少的不足。對國外先進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)是一種大膽的嘗試，通過此次嘗試也說明了一個(gè)問題，國外能做到的，通過自己的鉆研，國內(nèi)同樣也可以做到，而且還可以在國外的基礎(chǔ)上做的更好。這種對國外設(shè)備改造的嘗試，今后也會(huì)在其他設(shè)備上進(jìn)行推廣。