入爐輥道進口減速電機國產化改進和性能提升

謝尚軍

（寧波東力傳動設備有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

輥道減速電機是現代冶金行業廣泛應用的傳動設備，其運行狀態直接關系到整條產線的生產效率和生產成本[1-2]。輥道減速電機的工作環境溫度高、沖擊大且帶載荷頻繁啟動，對穩定性和使用性能要求較高，因此鋼廠很大一部分設備所配的輥道減速電機長期被進口品牌壟斷。在一些特殊工況下，由于前期設計選型對實際使用工況了解不夠充分，或為了降低設備成本等原因，輥道減速電機選型偏小導致其不能正常工作，甚至引起停產或安全事故。例如，國內某鋼廠熱軋項目使用的進口輥道減速電機，在生產過程中頻繁出現斷軸、打齒、箱體開裂和燒電機等問題。

1 現場使用工況及相關參數校核

1.1 現場使用工況

輥道減速電機輸出軸通過聯軸器與輥子相連，輥子兩端各有一個軸承座支撐固定（圖1）。減速電機轉動帶動輥子旋轉，從而帶動輥子上的鋼坯移動[3]。鋼坯對輥子的沖擊力通過聯軸器傳遞到減速電機，該設備24 h 單向運行，環境溫度較高，沖擊較大[4-6]。由于運送的鋼坯受熱不均導致鋼坯頭、尾普遍存在彎曲叩頭現象。偶爾出現變形較大的鋼坯，例如1 個鋼坯僅由2 個輥子支撐，鋼坯中間的幾個輥子與鋼坯接觸很少甚至不接觸，此時會出現輥子轉動而鋼坯不動，操作人員發現后用夾鉗將不動的鋼坯吊離輥道。有時來不及將不動的鋼坯吊離，后面過來的鋼坯就會撞擊前面不動的鋼坯，推動鋼坯向前運動。這種情況對輥道減速電機的沖擊最大，其過載遠遠超過電機可承受的過載范圍，這也是導致該部位輥道減速電機頻繁損壞的原因之一。據了解，該生產線投產1 年左右，該部位50 多臺輥道減速電機頻繁損壞，其平均使用壽命為2 個月。輥道減速電機頻繁損壞，嚴重影響鋼廠的正常生產，并且大大增加了備件的修復費用。

圖1 入爐輥道輥子及傳動結構

1.2 進口輥道減速電機技術參數校核

該進口輥道減速電機所配電機為YGP180L1-4-11 kW，減速機速比為27.58，兩級傳動，電機與減速機采用直聯結構（圖2）。齒輪按常用材料20CrMnTi 滲碳淬火進行強度計算（表1）[7-8]。

圖2 兩級傳動減速機

根據《機械設計手冊》可知，許用最小接觸安全系數應大于1.25，許用最小彎曲安全系數應大于1.6[9]。從表1 的計算結果可知，該減速電機的第一級齒輪接觸強度和彎曲強度勉強滿足工況要求，第二級齒輪接觸和彎曲強度嚴重不足。

表1 進口輥道減速電機技術參數

由以上計算數據可知，進口輥道減速電機選型偏小是其在生產過程中頻繁出現輸出軸斷軸、齒輪打齒、箱體開裂的直接原因。直接加大機座號是能夠解決問題，但是安裝尺寸需要全部加大，改造周期和費用超出業主預期，只能根據現場安裝條件，對減速電機進行非標設計以達到現場使用的要求。

1.3 選型校核

原始選型參數由業主提供[10-11]。

已知，輥間距L=1600 mm，鋼坯線速度V=1.0 m/s，輥子直徑D=350 mm，鋼坯規格220 mm×1250 mm×10 000 mm，單個鋼坯重m≈22 t。

根據現場使用工況，要分兩種情況：

（1）在鋼坯不變形的情況下，單根鋼坯需要n 個輥子支撐：n=10 000/1600=6.25 個。即在鋼坯不變形的情況下，由6 個輥子同時支撐1 個鋼坯（此種情況與現場實際不符）。單個輥子承受鋼坯的重量m1=22/6=3.67 t。

（2）在鋼坯變形的情況下，例如變形最大時，即1 個方坯由2個輥子支撐[12]，單個輥子承受重量m2=22/2=11 t。

以鋼坯變形最大進行計算。鋼坯在輥道上穩定運行時的靜力矩[13]：

式中 Mj——輥道穩定運行時的靜力矩，N·m

Q——該組輥道上鋼坯壓力，110 000 N

C——由1 臺輥道減速電機所驅動的輥子數目，1

G1——單個輥子的質量，kg；取800 kg

μ——滾動軸承的摩擦因數；取0.005

f——鋼坯在輥子上的滾動摩擦因數；熱鋼錠為0.002

代入式（1）得Mj=270 N·m

由于鋼坯由0 加速到1 m/s，除鋼坯穩定運行時的靜力矩外，還要考慮輥子和鋼坯的動力矩：

式中 Md——輥道穩定運行時的動力矩，N·m

D——輥子直徑，mm；取350 mm

μ1——鋼坯打滑時的摩擦因數；熱鋼坯為0.3

代入式（2）得Md=6187 N·m

反饋源于控制論，是指作為輸入信號、回應系統的控制器的輸出。[1] 教學環境中的反饋被定義為：“提供給學習者以告知其學習或表現的實際狀態的所有后期反應信息”[2]127，是教學的重要因素和有效學習的基本原則。 “反饋是寫作過程法的一個基本要素”[3]294。

所以輥道在啟動時所需的力矩：

當鋼坯在輥道受阻停止時，驅動輥道的靜力矩達到最大值Mmax。鋼坯在移動時碰撞到輥道側面板，或受到前面鋼坯、擋板的阻擋使其停止移動，而輥子還在繼續轉動，輥子與鋼坯間發生打滑，此時，輥子與鋼坯間的滾動摩擦變成了滑動摩擦。

代入式（4）得Mmax=5870 N·m，M＞Mmax。

在輥道啟動時，為了保證鋼坯能在輥道上移動，所選擇的電機啟動轉矩M啟應滿足以下條件：

式中 Mmax——電機最大轉矩，N·m

i——輥道減速電機的減速比

η——傳動效率；取0.96

式中 Me——電機額定轉矩，N·m

K——電機最大過載倍數，≤2.5

原進口減速電機所配輥道電機為YGP180L1-4-11 kW，電機轉速1470 r/min，輥道轉速53 r/min，減速比i=27.58，Me=71.7 N·m。

由式（5）和式（6）得：

所以K=3.15＞2.5。

由此可知，出現燒電機就是在鋼坯變形最大時發生，即只有2 個輥子支撐1 個鋼坯重量時。

將電機增大到YGP180L2-4-15 kW 時，根據上述算式計算得出K=2.1＜2.5，即在載荷最大的情況下，電機功率加大到15 kW就可滿足現場使用。

2 國產化改造的可行性

2.1 改造思路

由于該項目為局部改造性質，所以改造方案必須結合現場實際條件：①結合現有傳動條件，減速機由兩級傳動改為三級傳動；②結合現場安裝空間，要想大幅提高減速機的強度，必須加大中心距和齒輪模數；③安裝尺寸盡可能保持不變，尤其是減速機的中心高尺寸不能改變，但是高度方向尺寸沒有限制。因此，減速機由同軸式傳動改為平行軸式傳動，這樣才能保證優化改進后的減速機承載力大幅提高（圖3、圖4）。

圖3 兩級同軸式傳動

圖4 三級平行軸式傳動

2.2 改造方案

基于上述思路，確定相關技術參數[14]并計算（表2）。

由于所配電機功率需要加大到15 kW，改造后的減速機地腳孔尺寸需要由Φ26 mm 加大到Φ33 mm，輸出軸直徑由Φ70（m6）mm加大到Φ90（m6）mm，其余安裝尺寸保持不變，減速機箱體采用焊接件或鑄鋼件。由表2 可知，國產化技術改進后的減速機每一級齒輪接觸和彎曲強度安全系數都達到或超過要求的最小值。

表2 優化改進后的技術參數

2018 年3 月國產化技術改造的輥道減速電機第一批8 臺上線，使用一年后無任何問題。2019 年5 月把該部位余下40 多臺全部改造完畢，使用至今無任何質量問題。改造后的輥道減速電機使用性能大幅提高，有力保障了該項目生產線的可靠運行，為該鋼廠節省了大量的改造和備件費用。

3 結語

據了解，國內冶金設備配套的進口減速電機存在類似問題很多，該部位輥道減速電機國產化的成功改造，為國內冶金設備國產化改造積累了一定的成功經驗。進口設備國產化是一項對技術有很強要求的工作，需要根據實際使用工況，科學選擇國產化項目和性能優良的國產備件，并不斷提高技術人員理論水平和實踐經驗，才能保證進口設備國產化工作的順利進行。實踐表明，進口設備國產化改造只有在尊重科學、大膽創新和充分了解設備的實際使用工況下，才能使國產化工作邁向新臺階，企業的設備管理工作才會得到大幅度提高。