顏 飛，鐘劍雄

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

張力減徑機(jī)是鋼管熱軋生產(chǎn)線(xiàn)的主要設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)鋼管定徑、減徑以及外表面精整的關(guān)鍵設(shè)備［1］。國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)和設(shè)備設(shè)計(jì)單位在引進(jìn)的微張力減徑機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì)其定徑工藝和設(shè)備進(jìn)行了深入的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出了成套的單獨(dú)傳動(dòng)和集中差速傳動(dòng)兩種微張力減徑機(jī)機(jī)型。單獨(dú)傳動(dòng)機(jī)型具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、適應(yīng)性寬、速度剛性好等優(yōu)勢(shì)，但自動(dòng)化控制難度大，整個(gè)機(jī)組投資較高；集中差速傳動(dòng)機(jī)型雖然存在設(shè)計(jì)難度較大的缺點(diǎn)，但具有控制簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、機(jī)組投資低廉的優(yōu)勢(shì)，特別在產(chǎn)品規(guī)格范圍較小或項(xiàng)目對(duì)投資較敏感等情況下，選擇采用集中差速傳動(dòng)更為適宜［2-4］。因此，有必要對(duì)集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。本文將重點(diǎn)介紹14機(jī)架鋼管集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)主傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。

1 主要工藝參數(shù)的確定

微張力減徑機(jī)的主要工藝參數(shù)包括荒管規(guī)格、成品管規(guī)格、機(jī)架數(shù)量、軋輥直徑、機(jī)架間距、孔型、單機(jī)架減徑率及總減徑率等。某公司Φ159 mm連軋管機(jī)組14機(jī)架鋼管微張力減徑機(jī)的主要工藝參數(shù)見(jiàn)表1。表1中的鋼管材質(zhì)、荒管外徑、荒管壁厚、荒管長(zhǎng)度、軋制溫度、成品管外徑、成品管壁厚等由生產(chǎn)工藝決定，入口速度、生產(chǎn)節(jié)奏、軋輥直徑、機(jī)架間距、機(jī)架數(shù)量等按照文獻(xiàn)［5］提供的公式計(jì)算以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比得出。

表1 某公司Φ159 mm連軋管機(jī)組14機(jī)架鋼管微張力減徑機(jī)的主要工藝參數(shù)

2 主傳動(dòng)裝置方案的確定

某公司14機(jī)架鋼管微張力減徑機(jī)的主傳動(dòng)裝置采用集中差速傳動(dòng)方式，2臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng)主傳動(dòng)（行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒輪）和疊加傳動(dòng)（行星機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪），通過(guò)行星機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度合成，由行星架輸出［6-8］。某公司14機(jī)架集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)傳動(dòng)形式如圖1所示。主傳動(dòng)的輸出分為兩組，分別傳動(dòng)不同數(shù)量的機(jī)架（在齒輪箱內(nèi)部分組時(shí)均衡了兩個(gè)主傳動(dòng)齒輪的受力，考慮了整個(gè)箱體的重心），兩個(gè)輸入軸齒輪系統(tǒng)分別傳動(dòng)第1～9機(jī)架和第10～14機(jī)架，這種布置方式使兩個(gè)輸入軸齒輪受力差異較小。內(nèi)齒輪和外齒輪用螺栓連接，且內(nèi)齒輪尺寸小于外齒輪尺寸，避免相鄰內(nèi)齒輪發(fā)生干涉。行星機(jī)構(gòu)中的太陽(yáng)輪通過(guò)鼓形齒與疊加傳動(dòng)連接，太陽(yáng)輪浮動(dòng)。太陽(yáng)輪具有慣性小，浮動(dòng)靈敏，易于制造的優(yōu)點(diǎn)［9］。

圖1 某公司14機(jī)架集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)傳動(dòng)形式示意

3 速度曲線(xiàn)及疊加速比的確定

3.1 工藝要求的速度曲線(xiàn)及疊加速比

工藝要求的速度曲線(xiàn)對(duì)微張力減徑機(jī)的設(shè)計(jì)起著決定性的作用，是主傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的前提條件。

速度曲線(xiàn)是在研究軋制變形的基礎(chǔ)上，合理分配各機(jī)架的變形、張力，準(zhǔn)確計(jì)算各機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速形成的。變形分配時(shí)，主要考慮合理的總減徑率、單架減徑率、孔型系列、切頭損失、內(nèi)六方、成品管長(zhǎng)度等因素［10］。確定合理的工藝參數(shù)后，精確計(jì)算各規(guī)格鋼管在不同張力條件下所需要的軋輥轉(zhuǎn)速，并繪制出一系列速度曲線(xiàn)，確定最終的速度曲線(xiàn)。該速度曲線(xiàn)可通過(guò)調(diào)節(jié)主電機(jī)或疊加電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，得到與預(yù)期轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)相符的各機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速，能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要并留有必要的余量。最終確定的14機(jī)架微張力減徑機(jī)軋輥理論速度曲線(xiàn)如圖2所示，其中，基本轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)是主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)各機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速；最大轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)是主電機(jī)和疊加電機(jī)均為最大轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)各機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速。各機(jī)架的理論軋輥轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。

圖2 14機(jī)架微張力減徑軋輥理論轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

表2 14機(jī)架微張力減徑機(jī)各機(jī)架理論軋輥轉(zhuǎn)速r/min

軋輥轉(zhuǎn)速由兩部分組成：主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速及疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速［11］。每個(gè)機(jī)架的主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速是相同的，而第1～13機(jī)架的疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁咦兓?，?3、14機(jī)架為成品機(jī)架，其疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速相同。

3.2 主傳動(dòng)速比、疊加速比的計(jì)算

疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)的關(guān)鍵，相鄰機(jī)架間的疊加速比是滿(mǎn)足疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速要求的核心。

第n個(gè)機(jī)架的輸出轉(zhuǎn)速nn輸出=n主+nn疊加［11］，其中n主為主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速，nn疊加為疊加傳動(dòng)轉(zhuǎn)速，即：

式中P——行星機(jī)構(gòu)內(nèi)齒輪與太陽(yáng)輪的速比；

i主——理論的主傳動(dòng)速比。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算i主，則有：

式中ZA、ZB——分別為行星機(jī)構(gòu)內(nèi)齒輪和太陽(yáng)輪的齒數(shù)。

第n個(gè)機(jī)架的疊加速比in疊加可以由公式nn輸出=51.45+1 600/［in疊加×（1+P）］［8］計(jì)算，即：

并計(jì)算出減徑機(jī)相鄰機(jī)架間的理論疊加速比之比 in+1疊加/in疊加，其中 in+1疊加是第n+1個(gè)機(jī)架的疊加速比，等于其前面各機(jī)架疊加速比的乘積。

典型行星機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型行星機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

整個(gè)主傳動(dòng)裝置采用齒輪傳動(dòng)，各機(jī)架間的速比是固定的，電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)，傳動(dòng)裝置各轉(zhuǎn)速按固定的速比變化。

3.3 主傳動(dòng)速比和疊加速比的匹配

主傳動(dòng)速比匹配比較簡(jiǎn)單，按式（2）計(jì)算后稍作調(diào)整匹配即可。

主傳動(dòng)裝置上傳動(dòng)機(jī)架的各級(jí)齒輪的中心距是固定的，匹配疊加速比需要調(diào)整各級(jí)齒輪的齒數(shù)和模數(shù)，并將齒數(shù)分配到各級(jí)傳動(dòng)的大、小齒輪上，計(jì)算實(shí)際的疊加速比，并和理論疊加速比進(jìn)行比較。工藝要求的理論疊加速比之比in+1疊加/in疊加

是綜合考慮變形分配得出的理想值，實(shí)際的疊加速比之比要根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)，并要滿(mǎn)足各級(jí)齒輪的強(qiáng)度要求。疊加速比滿(mǎn)足工藝需要，速度曲線(xiàn)就能滿(mǎn)足工藝要求。匹配出工藝需要的疊加速比，是微張力減徑機(jī)主傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

匹配疊加速比就是在一定的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)范圍內(nèi)，計(jì)算出滿(mǎn)足要求的速比。匹配疊加速比的流程為：確定模數(shù)→計(jì)算齒數(shù)→分配齒數(shù)→計(jì)算并比較速比→齒輪強(qiáng)度計(jì)算。相關(guān)計(jì)算公式為：

式中a——中心距，mm；

m——模數(shù)；

Zn1——小齒輪齒數(shù)；

Zn2——大齒輪齒數(shù)；

in——理論疊加速比。

在本工程設(shè)計(jì)中，Zn1為前一機(jī)架疊加小齒輪的齒數(shù)，Zn2為與Zn1匹配的疊加大齒輪的齒數(shù)，in為相鄰機(jī)架間需要的理論疊加速比。

將計(jì)算出的Zn1圓整成整數(shù)Zn1′，Zn2圓整成整數(shù) Zn2′，實(shí)際速比是 in′=Zn2′/Zn1′，比較實(shí)際速比 in′與理論速比in之間的誤差，誤差較大時(shí)需要調(diào)整齒輪齒數(shù)或模數(shù)m，并重新分配齒輪齒數(shù)，重新核算in′，直到兩者之間的誤差很小。在此過(guò)程中還要綜合考慮采用該速比時(shí)，總變位系數(shù)的大小是否合適，并計(jì)算齒輪的強(qiáng)度，必須在強(qiáng)度驗(yàn)算合格后，才認(rèn)為該速比符合要求。

3 .4實(shí)際疊加速比與理論疊加速比的比較

要匹配出理想的實(shí)際疊加速比，需要進(jìn)行大量的計(jì)算工作。14機(jī)架微張力減徑機(jī)軋輥實(shí)際速度曲線(xiàn)如圖4所示，各機(jī)架基本轉(zhuǎn)速均為51.778 r/min，實(shí)際最大轉(zhuǎn)速見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算表明：當(dāng)主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 580 r/min、疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 580 r/min時(shí)的實(shí)際速度曲線(xiàn)，與工藝需要主電機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min、疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)的速度曲線(xiàn)誤差極小，滿(mǎn)足軋制時(shí)工藝速度曲線(xiàn)的要求。各機(jī)架實(shí)際疊加速比in′與理論疊加速比in的最大誤差為0.3%，第1～13機(jī)架累積的總疊加速比的最大誤差為0.3%，各機(jī)架的總疊加速比誤差為0.04%。

圖4 14機(jī)架微張力減徑機(jī)軋輥實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

表3 14機(jī)架微張力減徑機(jī)各機(jī)架軋輥實(shí)際最大轉(zhuǎn)速r/min

在匹配出滿(mǎn)足工藝需要的實(shí)際疊加速比和主傳動(dòng)速比后，就可開(kāi)展微張力減徑機(jī)主傳動(dòng)裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4 主傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的其他要點(diǎn)

速度曲線(xiàn)、疊加速比的確定是主傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)，主傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)還包括箱體剛度、主傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑、齒輪強(qiáng)度3個(gè)方面。

4.1 箱體剛度

主傳動(dòng)裝置的箱體剛度極大地影響設(shè)備的正常使用［12］。14機(jī)架微張力減徑機(jī)具有機(jī)架數(shù)量多、減速器箱體長(zhǎng)、加工變形大的特點(diǎn)，疊加傳動(dòng)高速軸距箱體中心較遠(yuǎn)，而距起吊位置近，在吊裝過(guò)程中極易發(fā)生變形而造成后續(xù)拆卸困難，因此需加強(qiáng)箱體剛度。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，采用了增加箱體板厚、局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、加大軸承座尺寸、增加筋板數(shù)量等措施，特別是加寬、加大了疊加傳動(dòng)高速軸的軸承座，并對(duì)連接箱體螺栓進(jìn)行預(yù)緊和涂螺紋密封膠［13］。

4.2 主傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑

主傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑是指減速器內(nèi)各齒輪、軸承的潤(rùn)滑。集中差速傳動(dòng)的主傳動(dòng)裝置對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性要求很高，設(shè)計(jì)中必須考慮給所有的潤(rùn)滑點(diǎn)長(zhǎng)期有效地提供潤(rùn)滑油。減速器箱體分為4層，最下面1層箱體采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（在箱體內(nèi)部高速軸軸承座處增加了1塊隔板，使箱體底部形成油池），將液面控制在一定高度，使該層箱體上的大齒輪可以采用油浴潤(rùn)滑，其余的小齒輪、軸承采用稀油強(qiáng)制潤(rùn)滑。下部軸承座設(shè)置了斜度1：10的回油孔，便于潤(rùn)滑油盡快帶走熱量。用噴嘴對(duì)準(zhǔn)齒輪嚙合點(diǎn)噴油，保證潤(rùn)滑效果［14］。

良好的潤(rùn)滑是提高齒輪承載能力、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的有效措施［15］。潤(rùn)滑系統(tǒng)的重點(diǎn)是解決行星機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，確保有潤(rùn)滑油進(jìn)入行星機(jī)構(gòu)。

4.3 齒輪強(qiáng)度

設(shè)計(jì)的14機(jī)架鋼管微張力減徑機(jī)主傳動(dòng)裝置上各對(duì)疊加齒輪的中心距是523.45 mm，需要采取角變位方法湊配中心距，每對(duì)齒輪的總變位系數(shù)要合適，配對(duì)齒輪變位系數(shù)的分配要合理。分配變位系數(shù)時(shí)，要考慮變位系數(shù)對(duì)齒輪重合度、齒輪加工根切、齒頂厚度等的影響［8］，這些工作在匹配疊加傳動(dòng)比時(shí)進(jìn)行。齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)現(xiàn)有的齒輪強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)輪齒彎曲強(qiáng)度有所側(cè)重，以避免出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的14機(jī)架集中差速傳動(dòng)式微張力減徑機(jī)已在國(guó)內(nèi)某公司Φ159 mm連軋管生產(chǎn)線(xiàn)上投產(chǎn)多年，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期，證明其疊加速比、速度曲線(xiàn)設(shè)置合理，能夠滿(mǎn)足使用要求；主傳動(dòng)裝置性能可靠，表明設(shè)計(jì)時(shí)有意增強(qiáng)減速器箱體的剛度、提高箱體加工的精度、設(shè)置軸承潤(rùn)滑孔是正確的，且有利于保證主傳動(dòng)裝置的正常運(yùn)行。

［1］谷文君，張永剛，楊云志.張力減徑機(jī)傳動(dòng)淺析［J］.一重技術(shù)，2001（4）：16-18.

［2］方平.串聯(lián)集中差速傳動(dòng)的鋼管張力減徑機(jī)［J］.鋼管，1996，25（5）：47-49.

［3］何大忠，代鵬程，王偉先.德國(guó)-曼內(nèi)斯曼張力減徑機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)分析［J］.黑龍江冶金，1997（2）：25-26，28.

［4］金如崧.鋼管生產(chǎn)技術(shù)的新進(jìn)展［J］.鋼管，1991，20（5）：6-10.

［5］邱永泰.集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)（下）［J］.鋼管，2007，36（3）：21-25.

［6］田曉紅，閆雄伍.張力減徑機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.鋼管，1995，24（1）：16-18.

［7］李定安.國(guó)外無(wú)縫鋼管生產(chǎn)發(fā)展的現(xiàn)狀（四）［J］.鋼管，1990，19（4）：42-47.

［8］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［9］章斌.TZ355微張力減徑機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)攻關(guān)［J］.太重技術(shù)導(dǎo)報(bào)，1993（4）：4-9.

［10］邱永泰，方平.微張力減徑的鋼管質(zhì)量及其控制［J］.鋼管，1991，20（1）：25-30.

［11］肖迪，王會(huì)民，張樹(shù)森.一種張力減徑機(jī)速度制度的設(shè)定［J］.鋼管，2002，31（4）：37-39.

［12］彭在美.棒/線(xiàn)材軋機(jī)的硬齒面齒輪聯(lián)合減速箱的設(shè)計(jì)探討［J］.冶金設(shè)備，1996（3）：31-35.

［13］吳振寶.滲碳磨齒齒輪應(yīng)用中的新問(wèn)題［J］.寶鋼技術(shù)，1996（6）：16-20.

［14］涂長(zhǎng)樂(lè).冶金機(jī)械設(shè)備齒輪減速器的潤(rùn)滑［J］.江西冶金，2003，23（6）：143-145.

［15］吳振寶.硬齒面齒輪裝置應(yīng)用中幾個(gè)問(wèn)題的探討［J］.重型機(jī)械，1997（3）：6-8.