研究聯(lián)合減速機(jī)設(shè)計過程的特點

    1　概述

    線、棒材廠粗中軋機(jī)主傳動系統(tǒng)是保證軋制正常進(jìn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。主電機(jī)帶動主減速機(jī)，再通過齒輪機(jī)座和萬向接軸帶動軋輥實現(xiàn)軋制。主電機(jī)帶動聯(lián)合減速機(jī)，再通過萬向接軸帶動軋輥實現(xiàn)軋制。

    由上述兩種結(jié)構(gòu)的對比可以看出，所謂的聯(lián)合減速機(jī)就是將主減速機(jī)和齒輪機(jī)座合二為一，使之既減速又分速的一種裝置。聯(lián)合減速機(jī)有以下優(yōu)點：①縮短了軋機(jī)機(jī)列長度，有利于工廠設(shè)計；②降低機(jī)列重量；③減少備品備件；④節(jié)省投資和維護(hù)費(fèi)用。

    聯(lián)合減速機(jī)具有以下結(jié)構(gòu)特點：①減速和分速相結(jié)合；②由于工作條件惡劣，如低速重載、嚴(yán)重沖擊負(fù)荷、連續(xù)工作制、變速變載等，所以要求它有高的強(qiáng)度、精度和可靠性；③齒輪一般為經(jīng)過精加工的硬齒面或中硬齒面漸開線圓柱齒輪；④軸承均采用滾動軸承；⑤采用稀油集中循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑齒輪和軸承。由于這些特點，聯(lián)合減速機(jī)的設(shè)計過程和一般通用減速機(jī)有許多不同。筆者結(jié)合近年來參加多個線棒材廠工程的粗中軋機(jī)聯(lián)合減速機(jī)設(shè)計工作的實際，談一談聯(lián)合減速機(jī)的設(shè)計特點。

    2　設(shè)計計算

    2.1　計算依據(jù)計算的依據(jù)是軋鋼工藝專業(yè)提供的車間工藝平面布置圖及最難軋鋼種的軋制程序表。根據(jù)這兩份資料，明確以下參數(shù)：①原動機(jī)類型、功率、轉(zhuǎn)速；②軋制力矩；③軋輥轉(zhuǎn)速；④聯(lián)合減速機(jī)的安裝方式；⑤相鄰軋機(jī)間距；⑥車間跨距；⑦其它特殊要求（包括用戶要求）。

    2.2　計算的準(zhǔn)備

    1）根據(jù)計算依據(jù)，確定聯(lián)合減速機(jī)的下列參數(shù)：

    （1）使用壽命：一般取8～10年，年工作小時為5500小時。

    （2）齒輪精度：一般硬齒面聯(lián)合減速機(jī)取6級精度，中硬齒面聯(lián)合減速機(jī)取7級精度。這點和通用減速機(jī)不同。通用減速機(jī)的齒輪精度等級與齒輪副的圓周速度有關(guān)，而聯(lián)合減速機(jī)的齒輪精度一般要比按圓周速度確定的精度要高，目的是在合理的加工費(fèi)用的前提下，充分發(fā)揮材料能力，降低設(shè)備重量，減小噪音。

    （3）潤滑方式及潤滑油品：均采用稀油集中潤滑循環(huán)系統(tǒng)，油品一般為N320或N220工業(yè)齒輪潤滑油。

    （4）軸承壽命：一般大于6000小時，即能滿足一個大中修使用周期。

    （5）齒型、齒面硬度、齒輪材料及熱處理方法。

    2）減速級齒型一般為漸開線圓柱斜齒輪。分速級齒型有兩種選擇：若齒面為硬齒面，則可用斜齒輪；若齒面為中硬齒面，由于分速級中心距受軋機(jī)規(guī)格限制，一般用人字齒輪，以保證承載能力。

    （1）齒面硬度、齒輪材料及熱處理方式的選擇比較復(fù)雜。首先，采用硬齒面可以減小聯(lián)合減速機(jī)的外型尺寸，減輕設(shè)備重量（經(jīng)測算，一般可減輕20%～30%以上），縮短機(jī)列長度，對軋機(jī)間距要求不嚴(yán)。但是需要滲碳淬火或表面淬火，需要磨齒，機(jī)加工費(fèi)用較高。而采用中硬齒面，則可以減少機(jī)加工難度，降低機(jī)加工費(fèi)用，但帶來的問題是設(shè)備外型尺寸較大，設(shè)備重量較大，增大了機(jī)列長度，對軋機(jī)間距要求較嚴(yán)，甚至有可能影響到工廠設(shè)計。

    （2）其次，對硬齒面齒輪，若采用表面淬火熱處理工藝，則齒輪材料為中碳合金鋼。但中碳合金鋼的焊接性能較差，使制造減速級大齒輪時的焊接難度加大。若采用滲碳淬火熱處理工藝，則齒輪材料為低碳合金鋼，大齒輪的焊接性能較好，但需要大型的滲碳爐，機(jī)加工費(fèi)用較高。

    （3）再次，對中硬齒面齒輪，必須采用中碳合金鋼。

    由于其熱處理工藝相對簡單，一般機(jī)械廠都能加工，機(jī)加工費(fèi)用低。但制造大齒輪時焊接性能不好，而且當(dāng)中碳合金鋼調(diào)質(zhì)處理硬度為HB300～350時，其芯部的其他機(jī)械性能指標(biāo)，如σs、δs、Ak等都受到影響，特別是韌性指標(biāo)有一定的下降，必須嚴(yán)格控制。

    3）由于目前國內(nèi)中硬齒面聯(lián)合減速機(jī)的加工費(fèi)用一般比硬齒面聯(lián)合減速機(jī)的加工費(fèi)用便宜一半左右，所以，在選擇齒面硬度的原則是：尊重用戶的選擇，在軋機(jī)間距和機(jī)列長度許可的前提下盡量不用滲碳淬火熱處理工藝，盡量不用高檔材料，盡量降低齒面硬度，以適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的需要。但隨著國內(nèi)機(jī)加工能力的提高，加工費(fèi)用的進(jìn)一步合理，聯(lián)合減速機(jī)采用滲碳淬火硬齒面齒輪、大齒輪采用焊接結(jié)構(gòu)將是發(fā)展的方向。

    2.3　齒輪計算

    正確而合理的計算是保證聯(lián)合減速機(jī)性能可靠，體積和重量合理，工藝性好的前提。齒輪計算的大致步驟是：先按體積最小原則進(jìn)行速比分配，再初算齒輪傳動的幾何參數(shù)，最后按GB/T3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》進(jìn)行接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度校核。整個計算過程與通用減速機(jī)設(shè)計計算相似。這里僅介紹其不同之處。

    1）聯(lián)合減速機(jī)的輸入扭矩不是按電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速計算出來的，而是按軋制程序表中最難軋鋼種的實際軋制力矩和轉(zhuǎn)速反算過來的。以某線材廠第一架Φ420中軋機(jī)為例，其電機(jī)功率P為239kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速n為690r/min，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩T為：T=9550P/n=9550×239/690=3308N.m而實際上，軋制最難軋鋼種時的軋制力矩反算到電機(jī)軸上僅為2195N.m.可見，如果按輸入扭矩為3308N.m設(shè)計計算聯(lián)合減速機(jī)，則聯(lián)合減速機(jī)將過于安全。

    2）使用情況系數(shù)KA全部按嚴(yán)重沖擊取值，一般取KA=1.75.接觸強(qiáng)度安全系數(shù)SH為1.1～1.3，彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF為1.5～2.0.若進(jìn)行強(qiáng)度校核后SH和SF超出這一范圍，則相應(yīng)調(diào)整齒輪參數(shù)，重新校核。

    3）齒寬系數(shù)Φd的選擇比較復(fù)雜，多需反復(fù)計算。若Φd取值偏大，雖然可以提高齒輪的承載能力，但齒輪較寬，減速機(jī)尺寸加大，并且當(dāng)齒寬大到一定程度以后，其提高齒輪承載能力的作用并不明顯，因為隨著齒寬的加大，齒向載荷分布系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)均明顯加大。而若Φd取值偏小，雖然可以克服此值偏大后的缺點，但可能滿足不了承載能力的要求，或者雖然能滿足承載能力的要求，但縱向重合度εβ小于1，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性。選擇齒寬系數(shù)的原則是：在滿足承載能力和縱向重合度εβ大于1的前提下，盡量減少齒寬系數(shù)。

    4）分速級的中心距不是根據(jù)強(qiáng)度條件確定的，而是按照軋機(jī)在最大、最小輥徑和不同開口度、不同橫移位置的情況下，萬向接軸有合理的工作傾角確定的，一般等于軋機(jī)的名義規(guī)格。如Φ450軋機(jī)的聯(lián)合減速機(jī)，其分速級中心距為450mm.盡管該級中心距受到限制，但是按此中心距確定的齒輪參數(shù)仍需滿足強(qiáng)度要求。因此分速級齒輪一般齒寬比較大，齒面硬度較高。隨著硬齒面技術(shù)的發(fā)展和使用，齒輪承載能力已經(jīng)提高?，F(xiàn)在制約分速級中心距的關(guān)鍵環(huán)節(jié)已不是齒輪的強(qiáng)度，而是該級滾動軸承的使用壽命了。

    5）為降低成本，提高效率，在進(jìn)行新廠設(shè)計時，盡量使同一規(guī)格的軋機(jī)的聯(lián)合減速機(jī)的箱體相同。以某線材工程Φ450軋機(jī)聯(lián)合減速機(jī)為例，可按以下方案設(shè)計。

    這種設(shè)計方案的缺點是后三架聯(lián)合減速機(jī)偏于安全，有一定的浪費(fèi)現(xiàn)象。優(yōu)點是減少了設(shè)計工作量，簡化了工藝工裝，減少了備品備件，便于維護(hù)，還可以將質(zhì)量較差的箱體配置在負(fù)荷較低的機(jī)列上。據(jù)SMS公司測算，這種方案可使總成本下降10%以上。

    2.4　其它計算

    齒輪幾何計算和強(qiáng)度校核完畢后，先按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算出各軸的最小軸徑，然后初選軸承，并進(jìn)行軸承壽命校核。當(dāng)軸承確定之后，再根據(jù)軸承和齒輪的具體參數(shù)計算出該聯(lián)合減速機(jī)所需要的潤滑油量。等結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢后，對各軸進(jìn)行精確地強(qiáng)度和剛度校核。需要說明的是，在進(jìn)行軸承壽命校核時，要按軸承樣本上介紹的方法進(jìn)行，而不要按一般設(shè)計手冊中的方法。一般設(shè)計手冊中的計算方法過于保守。隨著電子計算機(jī)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在有關(guān)齒輪計算的軟件也隨之出現(xiàn)并越來越豐富。采用電子計算機(jī)計算將是軋機(jī)聯(lián)合減速機(jī)設(shè)計的發(fā)展方向。

    3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

    設(shè)計計算是在理想嚙合狀態(tài)下進(jìn)行的，如果因為各種原因保證不了齒輪的正常嚙合，那么設(shè)計計算只是紙上談兵。因此在聯(lián)合減速機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)牢固樹立保證各級齒輪嚙合良好的意識。緊緊圍繞這一點進(jìn)行設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計的程序與一般通用減速機(jī)的設(shè)計程序基本相同，這里僅介紹其特別之處。

    3.1　箱體結(jié)構(gòu)

    近些年國內(nèi)外新設(shè)計的聯(lián)合減速機(jī)箱體均采用焊接結(jié)構(gòu)。當(dāng)分速級齒輪為人字齒輪時，可以設(shè)計成只有一個分箱面。為保證箱體剛度，各箱體，尤其是下箱體的承載鋼板應(yīng)有足夠的厚度和合理的配筋。軸承座部位一般選用厚鋼板直接焊接。各箱體之間的聯(lián)接螺栓大小應(yīng)按規(guī)范選取，并注意其與箱壁、筋的距離，以留有足夠的扳手空間。地腳螺栓應(yīng)布置合理，以方便土建基礎(chǔ)施工，并注意安裝空間。下箱上的吊耳應(yīng)能承受住整臺聯(lián)合減速機(jī)的重量，聯(lián)合減速機(jī)組裝完畢后，只允許使用下箱上的吊耳吊裝。

    3.2　軸系結(jié)構(gòu)

    1）采用一端固定，一端游動的典型結(jié)構(gòu)。若分速級齒輪為人字齒輪，那么較短的人字齒輪軸兩端均為游動結(jié)構(gòu)。

    軸承固定端的選擇與軸承受力有關(guān)。一般一根軸兩端的軸承型號相同，為了使兩個軸承壽命接近，原則上應(yīng)將承受徑向力較小的一端作為固定端。

    2）輪齒螺旋方向及齒輪旋轉(zhuǎn)方向的確定：

    輪齒螺旋方向：互相嚙合的一對齒輪螺旋方向相反。同根軸上的兩個齒輪螺旋方向相同，以使其產(chǎn)生的軸向力互相抵消一部分。

    3.3　潤滑配管設(shè)計

    齒輪和軸承的良好潤滑是保證不出事故的先決條件。由于齒輪和軸承公用一個潤滑循環(huán)系統(tǒng)，所以在配管設(shè)計時一定要注意以下幾點：

    1）軸承進(jìn)油口部位一定要設(shè)置節(jié)流裝置，以使流量均衡。

    2）齒輪潤滑處的噴油嘴尺寸應(yīng)按所需油量正確選擇，謹(jǐn)防不足。

    3）回油管直徑要足夠大，以保證排油順暢。

    4）軸承座上應(yīng)留有回油孔，以便潤滑軸承的油能順利排出，防止從端蓋處漏油。

    5）將噴油嘴放在齒輪副的嚙入側(cè)還是嚙出側(cè)，過去一直爭論不休。由于粗中軋機(jī)聯(lián)合減速機(jī)的線速度一般不高，現(xiàn)在一般將噴油嘴放在嚙入側(cè)，以保證潤滑。

    6）通氣罩要足夠大，必要時可設(shè)置兩個，使箱體內(nèi)外氣壓相同，減少從軸伸處或箱體結(jié)合面處滲、漏油的可能性。

    4　發(fā)展趨勢

    隨著線棒材軋坯尺寸的加大、軋制速度和對成品精度要求的逐步提高，對粗中軋機(jī)軋制能力及中間坯質(zhì)量也有越來越高的要求。因此聯(lián)合減速機(jī)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

    1）齒輪計算及強(qiáng)度校核采用電子計算機(jī)進(jìn)行計算，可大大縮短設(shè)計周期。

    2）齒輪采用滲碳淬火熱處理工藝。根據(jù)計算，相同外型尺寸的聯(lián)合減速機(jī)，采用滲碳淬火比采用表面淬火可提高承載能力30%左右。還方便了大齒輪的加工制造。

    3）箱體采用全焊接結(jié)構(gòu)，以縮短制造周期，減輕重量。

    4）齒輪采用高變位技術(shù)，以提高齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度。

    5）輪齒采用修型技術(shù)（齒向修型和齒型修型）。根據(jù)計算，采用適當(dāng)?shù)妮嘄X修型后，承載能力可提高20%～30%.

    5　結(jié)語

    線棒材廠粗中軋機(jī)聯(lián)合減速機(jī)的設(shè)計有其自己的特點。在設(shè)計計算階段，應(yīng)根據(jù)工藝要求、用戶要求及制造廠的加工能力合理確定齒面硬度、齒輪材料及熱處理方式，選擇合適的齒輪精度、使用壽命、齒寬系數(shù)等，按照輸出扭矩為最大軋制力矩的原則，使齒輪副的強(qiáng)度安全系數(shù)在一個合理的范圍內(nèi)，并注意同規(guī)格聯(lián)合減速機(jī)的通用化，使計算出的減速機(jī)既安全，又體積小、重量輕、成本低。

    在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，應(yīng)牢固樹立保證各級齒輪嚙合良好的意識，采用適當(dāng)?shù)暮附酉潴w結(jié)構(gòu)和軸系結(jié)構(gòu)，合理確定輪齒旋向和齒輪旋轉(zhuǎn)方向，重視潤滑配管設(shè)計，以保證設(shè)計計算落到實處，減速機(jī)工藝性好，使用方便、可靠。