余延旺，代霈崧

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ，湖北 武漢 430070)

高爐水冷傾動(dòng)齒輪箱偏載分析

余延旺，代霈崧

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ，湖北 武漢 430070)

基于三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建立水冷傾動(dòng)齒輪箱模型，通過(guò)機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立虛擬樣機(jī)，模擬樣機(jī)在正常傾動(dòng)和偏載時(shí)輪齒嚙合力變化。研究得出，傾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪嚙合力最大，蝸桿上部小齒輪與大齒輪嚙合時(shí)存在較大的震動(dòng)沖擊，而在偏載時(shí)，一側(cè)輪齒的嚙合力會(huì)增大，但溜槽保持正常的傾動(dòng)速度。

高爐；傾動(dòng)齒輪箱；偏載；嚙合力

0 前言

高爐爐頂水冷齒輪箱作為無(wú)料鐘爐頂布料的核心控制部件，對(duì)鋼鐵的冶煉起著至關(guān)重要的作用。水冷齒輪箱分為上部齒輪箱和下部齒輪箱，下部齒輪箱又稱(chēng)為水冷傳動(dòng)齒輪箱，上下齒輪箱分別控制布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)。劉豐偉、徐名濤等人對(duì)水冷齒輪箱的動(dòng)力學(xué)特性做了比較系統(tǒng)的研究，并指出水冷齒輪箱布料溜槽在高速旋轉(zhuǎn)和低速旋轉(zhuǎn)時(shí)溜槽外圈齒輪所受?chē)Ш狭ο鄬?duì)較小，然而當(dāng)溜槽傾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，溜槽外圈所受的嚙合力變大，最大值是溜槽旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)溜槽外圈齒輪所受?chē)Ш狭Φ膬杀叮f(shuō)明布料器在溜槽傾動(dòng)時(shí)很不穩(wěn)定[1]。

當(dāng)前我國(guó)的特大型高爐中無(wú)料鐘爐頂?shù)氖褂靡殉蔀橐环N趨勢(shì)，但是無(wú)料鐘依賴(lài)國(guó)外盧森堡公司進(jìn)口，長(zhǎng)期以來(lái)形成技術(shù)壟斷，導(dǎo)致高爐的維修成本一直居高不下。

2005年8月，武鋼5號(hào)高爐傾動(dòng)齒輪箱發(fā)生故障，蝸桿軸承外套轉(zhuǎn)動(dòng)將壓蓋磨損，蝸輪齒單面被磨掉5mm；2012年1月，1號(hào)高爐齒輪箱布料溜槽與傾動(dòng)機(jī)箱連接的耳子斷裂，溜槽傾動(dòng)左右傾動(dòng)機(jī)箱受力不均衡，致使傳動(dòng)齒輪負(fù)荷增大，傾動(dòng)電流增大[2]。

在Pro/E建立起整體傾動(dòng)齒輪箱三維模型的前提下，將Pro/E三維模型導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，從理論上探討布料溜槽傳動(dòng)裝置偏載時(shí)的載荷變化，對(duì)于使用和掌握該齒輪箱以及將來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)，改進(jìn)傳動(dòng)和控制系統(tǒng)有著重要意義。

1 水冷傾動(dòng)齒輪箱偏載綜述

水冷齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，三維模型圖如圖2a所示。下部?jī)A動(dòng)機(jī)箱是由小齒輪Z14、蝸桿Z15、蝸輪Z16、蝸輪齒輪軸Z17、扇形齒輪Z18和傾動(dòng)軸組成。小齒輪Z14與大齒輪Z13嚙合，再通過(guò)蝸輪蝸桿把動(dòng)力傳到扇形齒輪，傾動(dòng)機(jī)箱終端是與溜槽相連的一根傾動(dòng)耳軸，傾動(dòng)耳軸傳遞扭矩并帶動(dòng)溜槽傾動(dòng)。如圖2b所示。

圖1 水冷齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of transmission system for water-cooled gearbox

圖2 水冷齒輪箱模型Fig.2 water-cooled gearbox model

齒輪箱傾動(dòng)角度定位的精確度直接關(guān)系到高爐布料及上部調(diào)劑的準(zhǔn)確性和有效性，關(guān)系到高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行和爐況維護(hù)，如果傾動(dòng)角度過(guò)大，會(huì)造成高爐布料偏析，爐溫異常和爐況失常，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)管道、懸料、爐涼乃至爐缸凍結(jié)等惡性事故[3]。高爐傾動(dòng)齒輪箱分為左傾動(dòng)和右傾動(dòng)，是一個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，左右傾動(dòng)共同運(yùn)作來(lái)調(diào)節(jié)溜槽傾動(dòng)速度和角度，當(dāng)齒輪箱發(fā)生偏載時(shí)，必定會(huì)對(duì)溜槽正常運(yùn)作造成一定的影響。引起齒輪箱偏載的因素很多，水冷齒輪箱在高爐爐頂不便安裝，在安裝過(guò)程中易存在較大安裝誤差，或輪齒間長(zhǎng)期磨損，齒側(cè)間隙增大，震動(dòng)沖擊加大都會(huì)導(dǎo)致左右傾動(dòng)不對(duì)稱(chēng)從而引起偏載。另一方面，爐料在爐面上的下落軌跡是隨機(jī)的，對(duì)溜槽存在非對(duì)稱(chēng)沖擊載荷。

在國(guó)內(nèi)外，幾乎沒(méi)有對(duì)高爐爐頂傾動(dòng)齒輪箱的偏載研究，對(duì)下部水冷傳動(dòng)齒輪箱的研究主要集中在對(duì)溜槽布料傾角的研究，比如利用無(wú)抱閘電機(jī)和變頻調(diào)速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角的精準(zhǔn)控制[4-5]。而國(guó)外學(xué)者建立溜槽三維模型，分析爐料軌跡和在溜槽的受力，再通過(guò)函數(shù)關(guān)系建立方程來(lái)探索爐料材料和大小對(duì)溜槽傾角的影響[6]。

2 建立傾動(dòng)裝置虛擬樣機(jī)

2.1 建模導(dǎo)入

利用Pro/E軟件良好的建模功能，建立參數(shù)化建模建立齒輪箱三維模型，導(dǎo)出為Parasolid格式，生成一個(gè)后綴名為.x_t格式的文件，然后導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

為了提高ADAMS仿真效率，通常在簡(jiǎn)化模型后導(dǎo)入。由于水冷齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)入后約束設(shè)置過(guò)于繁瑣，仿真時(shí)間長(zhǎng)，效果不佳，故本文在不影響傳動(dòng)性能和效率的前提下，只把水冷齒輪箱下部溜槽和傾動(dòng)部件模型導(dǎo)入，并把固定使用的螺栓和螺孔省去。導(dǎo)入后的模型如圖3所示。

圖3 虛擬樣機(jī)仿真模型Fig.3 Virtual prototyping simulation model

2.2 碰撞力參數(shù)選擇

在ADAMS中，有兩種計(jì)算接觸力的方法，一種是補(bǔ)償法(Restitution)；另外一種是沖擊函數(shù)法(Impact)，一般使用沖擊函數(shù)法求解兩構(gòu)件之間的接觸力[7]。

ADAMS 軟件中碰撞力定義為

MAX{0,K(q0-q) e-C*dq/dt}*

STEP(q,q0-d,1,q0,0)

其中，q0為兩物體間初始距離；q為兩物體間碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離；q0-q即變形量D，當(dāng)q>q0時(shí),即兩物體不發(fā)生接觸，其碰撞力值為零，當(dāng)q≤q0時(shí),表示兩物體發(fā)生碰撞，其碰撞力大小與剛度系數(shù)K、變形量q0-q、碰撞力指數(shù)項(xiàng)e、阻尼系數(shù)C和阻尼完全作用時(shí)變形距離d有關(guān)。根據(jù)Hertz彈性撞擊理論,在撞擊過(guò)程中力的變化主要由彈簧控制,即按準(zhǔn)靜態(tài)方式變化，并且由阻尼器所吸收的能量將是撞擊總能量的很小一部分，所以在仿真計(jì)算中將阻尼力項(xiàng)中的阻尼系數(shù)C取值一般較小。

根據(jù)Hertz 碰撞理論, 考慮接觸面積為圓形時(shí)為

(1)

由此式可得撞擊時(shí)接觸法向力P和變形δ關(guān)系為

式中，K取決于撞擊物體材料和結(jié)構(gòu)形狀。

(2)

式中，R1、R2分別為接觸物體在接觸點(diǎn)的接觸半徑；μ1,μ2分別為兩接觸物體材料的泊松比；E1,E2為兩接觸物體材料的彈性模量。

根據(jù)齒輪的材料，確定其彈性模量、泊松比見(jiàn)表1。

表1 輪齒材料性能參數(shù)

根據(jù)表1，確定選取的參數(shù)數(shù)值為

K=9.1E+005N/mm

d=0.1mm

C=50 N·S/mm

考慮碰撞時(shí)摩擦，齒輪間采用了潤(rùn)滑處理，取靜摩擦系數(shù)為μ1=0.08，動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.05,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取指數(shù)e=2.2。

2.3 設(shè)置約束和載荷

模型導(dǎo)入ADAMS后，裝配關(guān)系會(huì)失效，在簡(jiǎn)化模型后，需要對(duì)各零件重新添加約束。ADAMS功能列表中提供多種約束，除了對(duì)零件添加3D接觸碰撞力和整體載荷外，仿真要用到的機(jī)械約束有固定副和旋轉(zhuǎn)副。

(1)添加固定副。在分析傾動(dòng)時(shí)，由于溜槽不旋轉(zhuǎn)，故可以把上回轉(zhuǎn)齒圈Z10和下部的回轉(zhuǎn)體與大地用固定副連接。 左右傾動(dòng)小齒輪Z14與蝸桿Z15添加固定副。

(2)添加旋轉(zhuǎn)副。分別與大地之間添加的旋轉(zhuǎn)副：左右傾動(dòng)中Z14與Z15整體、蝸輪和扇形齒輪。

(3)設(shè)置載荷?？紤]溜槽和爐料的重量，在溜槽中心處設(shè)置一個(gè)豎直向下的力，大小恒定為45 kN[1]。

3 正常運(yùn)作時(shí)仿真分析

根據(jù)高爐正常傾動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在Z12處添加模型輸入驅(qū)動(dòng)為34.4d·t，即恒定轉(zhuǎn)速34.3°/s。仿真時(shí)間t設(shè)定為3 s，步數(shù)step設(shè)置為200。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 傾動(dòng)裝置正常工作仿真時(shí)域圖Fig.4 Time-domain simulation of tilting device normal working

根據(jù)仿真結(jié)果可看出，在電機(jī)啟動(dòng)一瞬間，輪齒間存在瞬間沖擊，嚙合力均達(dá)到穩(wěn)定后均值的兩倍左右。輪齒間的嚙合力在一均值附近周期性、無(wú)衰減的上下波動(dòng)，波動(dòng)周期和幅度(即齒輪傳動(dòng)中的動(dòng)載荷)都表現(xiàn)為一個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)值，表明漸開(kāi)線輪齒在嚙合中存在沖擊振動(dòng)。Z13和Z14嚙合穩(wěn)定時(shí)振幅最大，說(shuō)明存在較大的震動(dòng)沖擊；Z17與Z18嚙合力最大。由圖4d看出，傾動(dòng)布料時(shí)，溜槽角速度在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，迅速達(dá)到最大值11.47°/s，之后快速下降，最終穩(wěn)定在1.309°/s左右，與理論值1.302°/s基本一致，表明樣機(jī)的建模和各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置的比較合理，仿真結(jié)果具有一定的可信度。

4 左右傾動(dòng)偏載仿真分析

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，由于安裝誤差，齒輪箱左右傾動(dòng)受力必然不是完全一樣的，或多或少存在偏載現(xiàn)象，偏載現(xiàn)象使連接溜槽和傾動(dòng)齒輪箱的耳子負(fù)載加大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蹟?，影響高爐生產(chǎn)正常運(yùn)行。

正常狀態(tài)下，水冷齒輪箱施加的負(fù)載為溜槽上自身的重力和爐料沖擊載荷,取兩者總載荷為G=45 kN[1]。布料過(guò)程中，隨著布料傾角和溜槽內(nèi)料重的不斷變化，考慮到耳軸處于最危險(xiǎn)的工作狀態(tài)即布料溜槽傾動(dòng)角度達(dá)到最大53°[8]，又知溜槽與爐料的重心到耳軸的距離為L(zhǎng)=2.125m，等同于左右傾動(dòng)施加的扭矩T為

T=G·Lsin53°=7.65E+004 N/m

(3)

而在偏載狀態(tài)下，只需在左右傾動(dòng)上施加大小不同的扭矩即可。故在偏載仿真時(shí)，作如下設(shè)置：左傾動(dòng)上施加負(fù)載扭矩T1=4E+007 N/mm，右傾動(dòng)施加負(fù)載扭矩T2=3.65E+007 N/mm。左右傾動(dòng)仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果可看出：偏載時(shí)由于左右傾動(dòng)負(fù)載大小不同，左傾動(dòng)輪齒嚙合力比常態(tài)時(shí)稍大，而右傾動(dòng)嚙合力明顯減小。而溜槽角速度穩(wěn)定后在一均值上下波動(dòng)，與理論值比較變化不大，能正常進(jìn)行布料工作。表2為常態(tài)和偏載下嚙合力值和溜槽角速度穩(wěn)定時(shí)均值比較。

表2 常態(tài)和偏載下嚙合力、角速度均值比較

圖5 傾動(dòng)裝置偏載仿真時(shí)域圖Fig.5 Time-domain simulation of tilting device unbalance loading

5 結(jié)論

通過(guò)ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件建立水冷齒輪箱虛擬樣機(jī)模型，著重分析了傾動(dòng)裝置正常傾動(dòng)和偏載時(shí)輪齒嚙合力變化。在布料方式為傾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪嚙合力最大，達(dá)到94.5 kN，偏載時(shí)更大；蝸桿上部小齒輪與大齒輪嚙合時(shí)存在較大的震動(dòng)沖擊。而在偏載時(shí)，左右輪齒的嚙合力也隨之增大和減小，但溜槽保持正常的傾動(dòng)，長(zhǎng)期偏載，可能會(huì)導(dǎo)致傾動(dòng)齒輪箱發(fā)生故障影響高爐正常作業(yè)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，要加強(qiáng)傾動(dòng)齒輪箱的監(jiān)測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)，盡可能減少故障的發(fā)生頻率。

[1] 劉豐偉,徐名濤.高爐爐頂水冷齒輪箱虛擬樣機(jī)及力學(xué)特征分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015,39(3):129-136.

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Analysis of unbalance loading of water-cooled tilting gearbox for blast furnace

YU Yan-wang，DAI Pei-song

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Aiming to simulate the change of engaging force of virtual prototype build by mechanical dynamics simulation software of ADAMS when it works in normal and unbalance loading, the model of water-cooled tilting is established based on the 3d design softsore of Pro/E. By means of ADAMS, the maximum engaging force occur in the sector gear and the small gear meshed with it, and there is some violent vibration impact between the small located in the upper of the worm and the big gear. The one side of meshing force increased when apply unbalance loading, but the chute keep the normal tilting velocity.

blast furnace；tilting gearbox；unbalance loading；meshing force

2016-03-16；

2016-04-08

余延旺(1992-)，男，湖北武漢市人，漢族，碩士研究生,主要研究方向：齒輪傳動(dòng)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

TF321.4

A

1001-196X(2016)06-0070-05