□ 馬麗君 □ 馮 萍

哈爾濱船舶鍋爐渦輪機(jī)研究所 無(wú)錫分部 江蘇無(wú)錫 214151

柔性傳動(dòng)裝置（即懸掛安裝柔性傳動(dòng)）是一種用途十分廣泛的低速、大轉(zhuǎn)矩、大減速比且結(jié)構(gòu)緊湊的傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)主要有3大特點(diǎn)：懸掛安裝、多點(diǎn)嚙合和柔性支承［1］。

上海寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠的150T電爐鋼包傾翻裝置，是由法國(guó)DURAND公司引進(jìn)，采用拉桿式（BFT型）、半懸掛、兩點(diǎn)嚙合的柔性傳動(dòng)設(shè)備。整個(gè)設(shè)備主要包括第一、二級(jí)蝸輪蝸桿減速器，第三級(jí)齒輪傳動(dòng)，彈簧重量平衡器和扭桿轉(zhuǎn)矩平衡裝置及兩個(gè)成對(duì)角線布置的拉桿（見(jiàn)圖1）。該設(shè)備從1996年投產(chǎn)使用至2001年，靠近驅(qū)動(dòng)側(cè)的第二級(jí)傳動(dòng)的蝸桿出現(xiàn)斷齒，蝸輪出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕、剝落。2003年10月，該設(shè)備又發(fā)生扭力軸兩端斷裂的事故。經(jīng)過(guò)對(duì)該設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷測(cè)試以及上述故障的分析，對(duì)原設(shè)計(jì)第一、二級(jí)蝸輪蝸桿副以及扭力軸兩端花鍵的強(qiáng)度進(jìn)行校核后，國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿傳動(dòng)副以及扭力軸。

1 設(shè)備改進(jìn)技術(shù)指標(biāo)

（1）鋼包的負(fù)載總重由原設(shè)計(jì)82 t提高10%。

▲圖1 150T電爐鋼包傾翻裝置簡(jiǎn)圖

（2）每天清理鋼包30只，使用壽命大于10年。

2 對(duì)蝸輪蝸桿副、齒輪副的故障分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 原蝸輪蝸桿副、齒輪副的強(qiáng)度校核復(fù)算

原機(jī)第一級(jí)、第二級(jí)蝸輪蝸桿副（阿基米德蝸桿）強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

蝸輪蝸桿副的強(qiáng)度校核復(fù)算（表1）是依據(jù)參考文獻(xiàn)［1］上冊(cè)第2章第4節(jié)進(jìn)行的。從表1中得出，原第一級(jí)蝸輪蝸桿副強(qiáng)度、剛度均滿足要求，第二級(jí)蝸輪蝸桿副齒面接觸疲勞強(qiáng)度雖滿足要求，結(jié)果卻偏低,其蝸桿軸剛度明顯不足。表1列出的數(shù)據(jù)主要與國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后的數(shù)據(jù)作比較。

2.2 原蝸輪蝸桿副、齒輪副點(diǎn)蝕、剝落及斷齒情況失效分析

表1 原蝸輪蝸桿副強(qiáng)度、剛度校核復(fù)算結(jié)果

蝸桿軸剛度不足將嚴(yán)重影響齒的嚙合，造成偏載，加劇磨損和發(fā)熱［2］。蝸桿齒根部本身是個(gè)應(yīng)力集中源，長(zhǎng)期在交變應(yīng)力的作用下，蝸桿齒部產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著疲勞裂縫的擴(kuò)展，導(dǎo)致蝸桿輪齒斷裂破壞。由于兩嚙合點(diǎn)間的載荷不可能達(dá)到完全相等，靠近驅(qū)動(dòng)側(cè)的第二級(jí)傳動(dòng)蝸桿比另一側(cè)的蝸桿在任何情況下受到的載荷更大一些，所以靠近驅(qū)動(dòng)側(cè)的第二級(jí)傳動(dòng)的蝸桿首先出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象 （見(jiàn)圖2所示）。

蝸輪齒面出口處本身存在二次接觸區(qū)，蝸輪旋轉(zhuǎn)一周，這里接觸兩次，載荷作用的頻率高，久而久之，齒面或齒面以下很淺處的疲勞裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致點(diǎn)蝕、剝落（如圖3所示）。

材料上的缺陷和熱處理質(zhì)量差，潤(rùn)滑系統(tǒng)處理不好，裝配方面的失誤，使用和維護(hù)方面的失誤同樣也能造成輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕和剝落［3］。

由中冶集團(tuán)北京冶金設(shè)備研究總院2002年9月編寫的《寶鋼電爐鋼包傾翻裝置負(fù)荷測(cè)試分析報(bào)告》第5.1條：在3#工況（鋼包自水平位置停留后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到倒立位置，即鋼包底部朝上的位置）開始階段，由于電動(dòng)機(jī)帶載起動(dòng)，引起較大的扭矩沖擊，扭矩峰值達(dá)1.197 kN·m，是額定扭矩0.877 kN·m的1.36倍，是起動(dòng)前水平負(fù)荷的1.74倍，這是本次測(cè)試中高速軸出現(xiàn)的最大動(dòng)態(tài)扭矩。

報(bào)告第6.3條：當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶載起動(dòng)時(shí)，將出現(xiàn)較大的扭矩沖擊，使傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載。由于鋼包水平位置負(fù)載最大，因此在生產(chǎn)中應(yīng)避免在水平位置起動(dòng)。

在本鋼包傾翻裝置生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)際上并沒(méi)有正確按照操作規(guī)程執(zhí)行，操作員經(jīng)常在鋼包處于水平位置時(shí)直接轉(zhuǎn)至倒立位置（此時(shí)轉(zhuǎn)矩最大），如此瞬間或因系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定使載荷發(fā)生急劇變化，輪齒不斷受到強(qiáng)力沖擊，使齒輪載荷嚴(yán)重集中，局部應(yīng)力過(guò)高，導(dǎo)致齒面的點(diǎn)蝕乃至失效。

生產(chǎn)設(shè)備上的齒輪傳動(dòng)發(fā)生失效事故時(shí)，對(duì)輪齒的失效進(jìn)行科學(xué)而周密的觀察和測(cè)量，不僅可以找出改進(jìn)齒輪傳動(dòng)工作能力和質(zhì)量的措施，還可以給齒輪傳動(dòng)的研究、設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)使用等方面提供重要的資料。

2.3 對(duì)蝸輪蝸桿副的改進(jìn)設(shè)計(jì)

▲圖2 原機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)第二級(jí)蝸桿斷齒圖

▲圖3 原機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)第二級(jí)蝸輪輪齒點(diǎn)蝕圖

因鋼包的負(fù)載總重提高了10%，為提高承載能力，提高加工精度以及齒面硬度，蝸桿齒形由原阿基米德齒 （ZA型）改進(jìn)為圓弧齒（ZC1型），蝸桿表面滲碳淬火，中心距和模數(shù)適當(dāng)加大，從而提高傳動(dòng)性能，達(dá)到提高蝸輪蝸桿副的接觸疲勞強(qiáng)度極限和蝸桿軸剛度的目的。

另外，除了采用本系統(tǒng)中左右傳動(dòng)架下的彈簧重量平衡器及轉(zhuǎn)矩平衡裝置以達(dá)到自動(dòng)平衡外，在加工裝配中，也通過(guò)精確調(diào)整左右兩臺(tái)第二級(jí)蝸輪蝸桿副的側(cè)隙，使其左右兩邊的側(cè)隙基本一致，并且確保大齒輪與兩小齒輪軸的中心位于同一水平線上，公差要求±1 mm。如此，使左右兩嚙合點(diǎn)載荷分配均衡。

2.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)后蝸輪蝸桿副、齒輪副強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

改進(jìn)后第一級(jí)、第二級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)副強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)后蝸輪蝸桿副的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從表2強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可以看出，齒面接觸強(qiáng)度以及蝸桿軸剛度有了明顯的提高，同時(shí)也達(dá)到了項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)的要求。

3 對(duì)扭力軸兩端花鍵的故障分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 原扭力軸兩端斷裂的原因分析

扭力軸是轉(zhuǎn)矩平衡裝置的重要組成元件。扭力桿除了平衡轉(zhuǎn)矩外，還起到隨時(shí)均衡兩小齒輪載荷的作用。2003年10月，扭力軸兩端發(fā)生斷裂 （如圖4所示），首先當(dāng)鋼包從水平位置直接轉(zhuǎn)至倒立位置時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，這時(shí)最容易發(fā)生事故。同時(shí)當(dāng)左右兩嚙合點(diǎn)載荷出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡，超過(guò)扭力軸所能承受的轉(zhuǎn)矩，也會(huì)發(fā)生事故。通過(guò)對(duì)原扭力軸兩端花鍵強(qiáng)度的校核復(fù)算（見(jiàn)表3）可知，在3種情況下擠壓強(qiáng)度也都無(wú)法滿足要求。

3.2 對(duì)扭力軸兩端花鍵的改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)扭力軸兩端花鍵，其材料由原來(lái)的50CrVA改為40CrNiMoA（調(diào)質(zhì)），原矩形花鍵改用漸開線花鍵，通過(guò)對(duì)漸開線花鍵的強(qiáng)度計(jì)算（見(jiàn)表4），可知其滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 矩形花鍵的擠壓強(qiáng)度校核結(jié)果（計(jì)算方法按參考文獻(xiàn)［1］第2卷第三章第3.2節(jié)進(jìn)行）

表4 漸開線花鍵的擠壓強(qiáng)度校核結(jié)果（計(jì)算方法按參考文獻(xiàn)［1］第2卷第三章第3.2節(jié)進(jìn)行）

4 結(jié)束語(yǔ)

（1） 通過(guò)該設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，使新設(shè)計(jì)裝置在安裝尺寸及機(jī)械接口與原裝置保持不變的情況下，大大提高了承載能力，與原引進(jìn)設(shè)備相比，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。

（2）正確的操作維護(hù)也是提高設(shè)備壽命的因素之一。對(duì)于本設(shè)備，專門編制了運(yùn)行維護(hù)使用說(shuō)明書，特別指出，在任何情況下，禁止在鋼包水平位置直接轉(zhuǎn)至倒立位置。同時(shí)設(shè)備每次拆卸后重新裝配，各項(xiàng)內(nèi)容必須按裝配要求調(diào)整準(zhǔn)確。

▲圖4 原機(jī)扭力軸軸端斷裂圖

［1］ 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 齊麟編著.蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì)編著.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典［M］.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.