李波

（太原重工齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所， 山西　太原　030024）

板材輥式矯直機(jī)主傳動(dòng)齒輪箱的配置及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李波

（太原重工齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所， 山西太原030024）

闡述了輥式矯直機(jī)的主傳動(dòng)齒輪箱的配置方案，對(duì)幾種方案作了詳細(xì)的分析和說(shuō)明，為主傳動(dòng)方案的前期方案論證、方案選用及設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。以中厚板七輥熱矯直機(jī)主傳動(dòng)齒輪箱的配置為例，比較不同配置設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)使用具體情況，選擇聯(lián)合齒輪箱配置方案作為主傳動(dòng)的最終方案，按矯直工藝技術(shù)參數(shù)要求進(jìn)行齒輪箱的詳細(xì)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)比分析表明，聯(lián)合齒輪箱的設(shè)計(jì)配置在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性、使用可靠性等方面更為優(yōu)越。

輥式矯直機(jī)主傳動(dòng)配置齒輪箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

板材輥式矯直機(jī)在矯直鋼板時(shí)，鋼板受矯直力和矯直力矩的影響產(chǎn)生塑性彎曲，不管其原始彎曲的程度有多大，在彈復(fù)后所殘留的彎曲程度差別會(huì)顯著減小，趨于一致。隨著壓彎程度的減小，其彈復(fù)后的殘留彎曲必然會(huì)趨于零值，達(dá)到鋼板矯直的目的[1]。為使電動(dòng)機(jī)的輸入功率分配給每個(gè)工作輥，需對(duì)矯直機(jī)工作輥配置減速電機(jī)或齒輪箱。輥式矯直機(jī)的主傳動(dòng)設(shè)計(jì)通常采用電機(jī)聯(lián)接齒輪箱驅(qū)動(dòng)工作輥工作，完成鋼板的矯直[2]。

1　輥式矯直機(jī)主傳動(dòng)齒輪箱的配置

1.1減速電機(jī)傳動(dòng)布置

如圖1所示，減速電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器直接與矯直輥相對(duì)應(yīng)連接。為了使每一套驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)之間互不干涉，可將其設(shè)計(jì)成一前一后的布置方式，也可設(shè)計(jì)成一上一下的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)通過(guò)法蘭盤(pán)連接減速機(jī)，電機(jī)軸與減速機(jī)輸入軸用聯(lián)軸器連接。此布置方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)配置零部件少，各部件為模塊化設(shè)計(jì)，有利于檢修和維護(hù)。適用范圍窄，由于電機(jī)的外形及安裝、齒輪箱的最大輸出力矩的影響，減速電機(jī)的最大輸入電機(jī)功率僅為160 kW，最大輸出力矩僅為18 kN·m。由于每臺(tái)減速機(jī)上都配有電機(jī)，因此，總體電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障點(diǎn)多。

1.2品字形傳動(dòng)布置

如圖2所示，電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)通過(guò)中間鼓形齒聯(lián)軸器連接，減速機(jī)輸出軸接聯(lián)軸器與分配齒輪箱的輸入軸連接，分配齒輪箱輸出軸與矯直機(jī)工作輥相對(duì)應(yīng)，經(jīng)中間萬(wàn)向聯(lián)軸器連接[3]。其中左右兩臺(tái)減速機(jī)速比一致，根據(jù)矯直工藝要求，通過(guò)分配齒輪箱的設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，又可以使兩臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。這種傳動(dòng)布置較為常用，傳動(dòng)路線清晰，齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。各部分為模塊化設(shè)計(jì)制造，有利于整體的更換和檢修。適用矯直板材的范圍廣，從薄板到中厚板，從有色金屬材料、普碳鋼、合金鋼到不銹鋼等都適用。由于矯直力矩大，所以設(shè)計(jì)時(shí)可按工藝矯直力矩要求設(shè)計(jì)。

圖1　減速電機(jī)布置傳動(dòng)原理圖

圖2　品字形布置傳動(dòng)原理圖

1.3聯(lián)合齒輪箱傳動(dòng)布置

如圖3所示，兩臺(tái)電機(jī)與聯(lián)合齒輪箱的兩個(gè)輸入軸相連，聯(lián)軸器為鼓形齒式聯(lián)軸器，聯(lián)合齒輪箱的輸出軸與矯直機(jī)的矯直輥通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器對(duì)應(yīng)連接。聯(lián)合齒輪箱由兩套減速單元和一套齒輪分配單元組成，通過(guò)設(shè)計(jì)各齒輪之間的嚙合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)矯直工藝的要求。此傳動(dòng)方式集成了減速機(jī)和分配箱于一套箱體內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)組件少、傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地面積小、總體重量輕、適用范圍廣等特點(diǎn)，可按矯直工藝要求對(duì)齒輪箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3　聯(lián)合齒輪箱布置傳動(dòng)原理圖

2　齒輪箱的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)比較與分析

隨著船舶、鍋爐、化工設(shè)備工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展和市場(chǎng)的需求，中厚板的使用量逐年上升，作為板材精整設(shè)備的矯直機(jī)已成為不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備?，F(xiàn)以熱板七輥矯直機(jī)為例，按矯直工藝技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)矯直輥的主傳動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)矯直機(jī)的設(shè)計(jì)、制造要求。主傳動(dòng)技術(shù)特性為：電機(jī)功率（交流變頻）P=2×355 kW（兩臺(tái)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同時(shí)工作），電機(jī)轉(zhuǎn)速n=0～750～1 000 r/min，減速機(jī)傳動(dòng)比i=7.5，矯直輥單輥?zhàn)畲罅豑max=2 000 kg·m。

齒輪強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)GB/T 3480—97，ISO 6336—1996；齒輪設(shè)計(jì)制造精度等級(jí)依據(jù)GB/T 10095.1—10095.2—2001，選用6級(jí)精度[4]。齒輪材料及熱處理為低碳合金鋼滲碳淬火處理，齒面硬度為HRC58-62，齒面磨削粗糙度為Ra0.8。箱體采用焊接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行二次退火+時(shí)效處理，消除焊接應(yīng)力和加工應(yīng)力。軸承為進(jìn)口調(diào)心滾子軸承，承載力大、抗彎扭能力強(qiáng)。潤(rùn)滑方式為循環(huán)稀油噴淋潤(rùn)滑，可提高齒輪箱工作效率和使用壽命。齒輪箱的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　齒輪箱的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

2.1傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合此例的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，減速電機(jī)傳動(dòng)的配置方案滿(mǎn)足不了矯直輥?zhàn)畲蟪C直力矩的要求，可考慮其余兩種傳動(dòng)布置方案。

圖4為減速機(jī)與齒輪機(jī)座呈品字形布置的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，兩臺(tái)減速機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與七輥齒輪機(jī)座連接，減速機(jī)兩級(jí)減速后將電機(jī)功率分配給齒輪機(jī)座的七根輸出軸上，七根輸出軸與矯直機(jī)矯直輥相對(duì)應(yīng)連接。

圖4　品字形傳動(dòng)布置

下頁(yè)圖5為聯(lián)合齒輪機(jī)座傳動(dòng)設(shè)計(jì)，兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與聯(lián)合齒輪箱的輸入軸連接，通過(guò)齒輪箱內(nèi)齒輪的相互嚙合，實(shí)現(xiàn)速度與功率的分配。

圖5　聯(lián)合齒輪箱傳動(dòng)布置

按照齒輪箱的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，在中心距、中心高、七輥輸出軸的外形連接尺寸一致的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)方案，其總體的傳動(dòng)路線略有不同，但都可以滿(mǎn)足矯直工藝的要求。

2.2設(shè)計(jì)方案的比較與分析

1）按圖4布置的使用面積為13.2 m2，圖5為8.3 m2?？梢?jiàn)聯(lián)合齒輪箱的占地面積更小、更緊湊。

2）圖4為組合模塊化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)簡(jiǎn)單及制造工藝簡(jiǎn)單。圖5為集成一體化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)鏈多，制造工藝復(fù)雜。

3）圖4的傳動(dòng)部件多，安裝調(diào)整量大；圖5部件少，安裝簡(jiǎn)便。

4）圖4的傳動(dòng)部件總重為12.1 t（不含電機(jī)），圖5的傳動(dòng)部件總重為9.9 t。聯(lián)合齒輪箱在重量上輕2.2 t，生產(chǎn)制造成本更低。

5）圖4由于齒輪箱布置分散，潤(rùn)滑系統(tǒng)需配置潤(rùn)滑站，對(duì)減速機(jī)、齒輪機(jī)座單獨(dú)配置進(jìn)、回油配管。管路密集且齒輪箱的潤(rùn)滑點(diǎn)多，容易造成齒輪潤(rùn)滑油滲漏而污染環(huán)境。圖5聯(lián)合齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊，既可以設(shè)置獨(dú)立潤(rùn)滑站，對(duì)齒輪箱本體進(jìn)行管路配置，又可以將齒輪箱本體作為一個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑配管較短，出現(xiàn)滲漏的機(jī)率較低。

3　齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合比較各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為聯(lián)合齒輪箱配置傳動(dòng)方案更為優(yōu)越，具有安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)部件少、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。圖6為聯(lián)合齒輪箱的設(shè)計(jì)圖。

考慮到電機(jī)的外形大、中心高以及聯(lián)合齒輪箱輸出輥的位置關(guān)系，將齒輪箱的高速軸（輸入軸）與低速軸（輸出軸）布置在兩側(cè)，高速軸與下排輸出軸布置在同一高度，可降低聯(lián)合齒輪箱的重心位置，減少功率的損耗，提高使用效率。將高速軸及低速軸設(shè)計(jì)為機(jī)械迷宮密封，改變了以往接觸式橡膠密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，解決了定期更換油封的不便。在潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，選用齒輪箱本體作為油箱，配置泵、冷卻器、過(guò)濾器、油流檢測(cè)等裝置（元器件），形成自有的獨(dú)立潤(rùn)滑系統(tǒng)，不再單獨(dú)配置潤(rùn)滑站，在節(jié)省空間的同時(shí)降低了總體的生產(chǎn)成本。

圖6　聯(lián)合齒輪箱設(shè)計(jì)圖

4　結(jié)語(yǔ)

輥式矯直機(jī)是板材精整的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金和高技術(shù)裝備制造業(yè)。矯直機(jī)主傳動(dòng)的配置及設(shè)計(jì)是主機(jī)能否高效率運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，因此在設(shè)計(jì)矯直機(jī)主傳動(dòng)的配置方案時(shí)，應(yīng)從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多因素綜合考慮，比較與分析不同配置設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最優(yōu)的配置方案，結(jié)合生產(chǎn)和使用的特點(diǎn)對(duì)齒輪箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最后將方案應(yīng)用于設(shè)計(jì)制造中。

[1]崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]施東成.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[3]喬莉，朱才朝.輥式矯直機(jī)減速分配箱承載能力的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2005（2）：28-30.

[4]齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（編輯：胡玉香）

Configuration and Optimization Design of the Main Drive Gear Box of Roller Leveling

LI Bo
（Gear Drive Design Institute of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper expounds the roller straightening machine configuration scheme of main drive gear box，makes detailed analysis and explanation on several scheme to lay a foundation for main transmission scheme of prophase scheme comparison，selection and design.With thick plate in seven hot straightening roll configuration of main drive gear box，for example，compared the advantages and disadvantages of different configuration design，combined with the production and the specific situation of the field use，choose the joint scheme as the main drive gear box final plan，according to the requirements of technical parameters of straightening technology has carried on the detailed design and the structure optimization of gear box.Comparative analysis shows that the design of the combined gear box configuration in such aspects as economy，technology，the use of reliability is more superior.

roller leveling，main drive configuration，gear box，optimization design

TG333.2+3

A

1672-1152（2016）04-0065-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.22

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

2016-05-30

李波（1979—），男，從事傳動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，工程師。