（東風鍛造有限公司鑄造二廠，湖北 十堰 442013）

SAM16-180S 混砂機是丹麥DISA 公司制造的一款轉(zhuǎn)子式混砂機，自2002 年工廠引入使用至今。在近20 年的使用期間，一些易損件逐漸損壞，為了降低采購成本，大部分機械非標易損件在更換過程中均已進行了國產(chǎn)化改造，這其中包含全套轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子輸入軸、大小同步帶輪、轉(zhuǎn)子軸承座以及轉(zhuǎn)子攪拌器）、卸料門、壁刮板、底刮板、主軸及軸承座等，國產(chǎn)后的使用效果都比較理想。但是，在使用過程中，混砂機齒輪箱同樣出現(xiàn)多次損壞，損壞的齒輪軸及齒輪也經(jīng)歷過多次更新修配，但是使用效果一直不夠理想。為了進一步提高該混砂機的穩(wěn)定性，很有必要開展齒輪箱國產(chǎn)化改造方面的研究。

1 混砂機齒輪箱存在問題

1.1 混砂機工作原理

圖1 SAM16-180S 混砂機的基本結(jié)構(gòu)圖

圖1 所示為SAM16-180S 混砂機的基本結(jié)構(gòu)，其工作原理為：主料及輔料分別通過主料稱以及輔料稱按照設(shè)定的值加入混砂室，在主軸電機的驅(qū)動下，底刮板及壁刮板繞主軸軸心旋轉(zhuǎn)；在轉(zhuǎn)子電機的驅(qū)動下，固定在傳動橋上的轉(zhuǎn)子攪拌器在繞自身軸心自轉(zhuǎn)的同時，繞主軸軸心進行公轉(zhuǎn)。型砂在底刮板、壁刮板以及轉(zhuǎn)子攪拌器的作用下在混砂室混制，待型砂檢測裝置確認型砂合格后，通過卸料裝置放空混砂室，然后再進入下一個循環(huán)周期。

1.2 齒輪箱工作原理

齒輪箱是SAM16-180S 混砂機一個重要的組成部分，原齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡圖見圖2，原齒輪箱的基本參數(shù)見表1.

圖2 原齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)圖

表1 原齒輪箱基本參數(shù)表

齒輪箱的工作原理為：齒輪箱一級齒輪副的輸入軸在主軸電機的驅(qū)動下，通過二級齒輪副以及三級齒輪副的傳動，最終由三級齒輪副的大齒輪帶動輸出軸將扭矩傳遞至傳動橋，帶動壁刮板、底刮板以及轉(zhuǎn)子攪拌器繞主軸旋轉(zhuǎn)。與此同時，二級齒輪副的齒輪軸連接一齒輪泵，齒輪泵的吸油口位于齒輪箱底部，從箱體內(nèi)部吸油，在溢流閥、過濾器、壓力繼電器等液壓元件的控制下輸送至齒輪副的嚙合點以及各級齒輪軸的上端軸承，對其進行潤滑，這種潤滑方式稱之為內(nèi)循環(huán)潤滑。

1.3 原有齒輪箱存在的問題

原有齒輪箱主要存在以下幾方面的問題：

1）從圖1 可以看出，混砂機各零部件的布局非常緊湊，齒輪箱的分布空間因此受到一定的限制，而從圖2 可以看出，原有的齒輪箱各級齒輪副的軸心分布于一條直線上，在此基礎(chǔ)上完成三套齒輪副的布局，只有盡可能壓縮各級齒輪副的外形尺寸，因此在最初的設(shè)計上，各級齒輪副的安全系數(shù)取值都相對較低。由于強度得不到保證，最終導致在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷軸及斷齒現(xiàn)象。

2）從圖2 可以看出，原有的齒輪箱潤滑系統(tǒng)采用的是內(nèi)循環(huán)潤滑系統(tǒng)，由二級齒輪副的齒輪軸直接帶動齒輪泵從箱體內(nèi)部吸油輸送到各潤滑點，這種潤滑方式最大的優(yōu)點就是不需要為潤滑系統(tǒng)增加單獨的動力元件，但缺點也非常明顯，油泵輸入軸直接與齒輪軸相連，由于齒輪箱運行時振動較大，導致油泵輸入軸經(jīng)常出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。

2 齒輪箱技術(shù)改造方案

為了解決上述問題，需要對齒輪箱進行更新改造，此次更新改造的總體設(shè)計原則如下：

1）齒輪箱外形尺寸基本不變，以適應現(xiàn)有的安裝空間：

2）齒輪箱與各相關(guān)零部件的連接尺寸不變，保證其他相關(guān)部件可以繼續(xù)使用；

3）在前兩點的基礎(chǔ)上提高各級齒輪副的設(shè)計安全系數(shù)，以此提升各級齒輪副的強度；

4）齒輪箱的潤滑方式由內(nèi)循環(huán)改為外循環(huán)，減少潤滑系統(tǒng)的故障頻率。

通過多次技術(shù)討論，比較了多種技術(shù)方案的優(yōu)缺點，最終確定了一套齒輪箱的改造方案，確定從齒輪傳動結(jié)構(gòu)方面和潤滑系統(tǒng)方面進行改進，下面將對此改造方案進行介紹。

1958年，鹽湖上的一聲吶喊喚醒了沉睡億萬年的戈壁荒灘，拉開了中國鉀資源開發(fā)的序幕。1978年，改革開放的春風吹遍了神州大地，中國鉀肥工業(yè)從小到大、從土到洋、從弱到強。

2.1 齒輪箱傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進方案

2.1.1 齒輪箱傳動系統(tǒng)問題解析

圖3 原齒輪箱各級齒輪副布局簡圖

如圖1 所示，整臺混砂機各零部件在裝配時都具備一定的關(guān)聯(lián)性，在考慮整體布局時，齒輪箱也需要考慮與其他零部件的相對位置關(guān)系。圖3 為原齒輪箱各級齒輪副布局簡圖，齒輪箱的原始設(shè)計思路是3 套齒輪副呈一條直線分布，由于受空間上的限制，在保證輸入軸、軸出軸以及安裝底孔之間的相對位置關(guān)系的前提下，3 套齒輪副的總中心距基本上不能超過785 mm.因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計各級齒輪副，無論是在接觸強度還是彎曲強度方面，安全系數(shù)都相對較低。通過對原始齒輪箱各級齒輪副的核算發(fā)現(xiàn)，各級齒輪副的各類參數(shù)分別如表2 所示。

表2 原出廠設(shè)計齒輪箱齒輪副的各類參數(shù)和強度分析

從表2 可以看出，在選材方面，各級齒輪副的選材比較合理，因為17CrNiMo6 的屈服強度及抗拉強度分別為865 MPa 和1 180 MPa～1 420 MPa，在合金鋼材料中屬于高強度材料。但是，由于外形尺寸的限制，三套齒輪副無論是小齒輪還是大齒輪，其接觸強度系數(shù)都偏小，尤其是三級齒輪副，其接觸強度系數(shù)尚不及安全系數(shù)標準值（最小許用接觸強度安全系數(shù)值為1.0），二級及三級齒輪副的彎曲強度系數(shù)也相對偏小，由此帶來的問題就是打齒和斷軸。

2.1.2 齒輪箱傳動系統(tǒng)改進措施

為了解決齒輪箱的打齒及斷軸問題，在不改變齒輪箱整體外形尺寸以及與混砂機其他零部件的關(guān)聯(lián)尺寸的前提下，可以考慮改變各級齒輪副的布局。由于原齒輪箱在設(shè)計時各級齒輪副呈直線分布，而各級齒輪副的外形尺寸是逐步增大，其中輸出軸上的齒輪為最大外形尺寸，而前幾級齒輪在寬度方向還有足夠的空間可以利用，因此可以考慮將中間兩根齒輪軸的軸心向原中心線的兩側(cè)偏移，各齒輪軸的軸心連線呈折線分布，以此增加各級齒輪副的總中心距，從而在設(shè)計上可以考慮增加各級齒輪副的外形尺寸，以此來提升齒輪的接觸強度和彎曲強度。

圖4 新齒輪箱各級齒輪副布局簡圖

圖4 為新齒輪箱各級齒輪副布局簡圖，在充分利用齒輪箱的空間的前提下，齒輪副的總中心距可以由原來的785 mm 增加至939 mm，在此思路下設(shè)計齒輪副，通過計算，最終各級齒輪副的各類參數(shù)如表3 所示。

表3 結(jié)構(gòu)改進后齒輪箱齒輪副的參數(shù)和強度分析

從表3 可以看出，重新設(shè)計的齒輪箱各級齒輪副無論是在接觸強度系數(shù)還是在彎曲強度系數(shù)方面，都有比較大的提高，按此設(shè)計方案來制作齒輪箱，各級齒輪副的強度均有不同程度的提高，使用壽命也會因此增加。另外，按此方案進行改進，不僅總的傳動比與原齒輪箱基本相等，而且安裝尺寸也與原齒輪箱保持一致，符合總體設(shè)計原則。

2.2 齒輪箱的潤滑問題

如圖5 所示，齒輪箱的潤滑采用的是一套自驅(qū)動的潤滑系統(tǒng)，其潤滑泵的動力源為齒輪箱的二級齒輪副齒輪軸，由于齒輪之間的嚙合存在的振動較大，而潤滑泵輸入軸與齒輪軸之間采用的是剛性連接，這種振動直接傳遞至潤滑泵的輸入軸，而該軸由于軸徑較小，強度相對較低，在長時間的激振力作用下，潤滑泵輸入軸極易斷裂，潤滑泵出現(xiàn)問題后齒輪箱無法正常工作，混砂機只能停機維修。

圖5 改進前齒輪箱的潤滑系統(tǒng)

2.2.2 潤滑系統(tǒng)改進措施

原有的齒輪箱采用的是一種內(nèi)循環(huán)的潤滑方式，即潤滑泵從箱體內(nèi)吸油再回到箱體內(nèi)，只是潤滑泵不需要單獨的驅(qū)動機構(gòu)，而潤滑系統(tǒng)的問題就出在潤滑泵的動力元件上。為了解決潤滑系統(tǒng)的動力問題，可以為潤滑泵增加一套動力元件，解決原有動力源存在的問題。具體方案如圖6 所示。

改進后的潤滑系統(tǒng)的工作原理為：在電機的驅(qū)動下，油泵從吸油口吸入潤滑油，通過溢流閥調(diào)整壓力至設(shè)定值，經(jīng)過過濾器過濾后分別輸送至各需要的潤滑點，包含一級及三級齒輪副嚙合點的潤滑，輸入軸、二軸、三軸以及輸出軸上端軸承的潤滑。當潤滑油壓力超過設(shè)定值時，溢流閥開啟，潤滑油會通過溢流口流入箱體內(nèi)，當壓力低至設(shè)定值后，壓力繼電器會把信號反饋給電氣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會發(fā)出警報，提示操作人員進行處理。

圖6 改進后齒輪箱的潤滑系統(tǒng)

由于二級齒輪副及各軸的下端軸承本身就處在潤滑油液面以下，因此不需要另行潤滑。經(jīng)過各潤滑點的潤滑油在自身重力的作用下再流回箱體內(nèi)，如此反復循環(huán)。

改進后的潤滑系統(tǒng)，潤滑泵相對獨立，不會受到齒輪箱工作時產(chǎn)生的振動干擾，因此以前出現(xiàn)的輸入軸斷裂的現(xiàn)象不會再次出現(xiàn)，潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性會因此提高。

3 技術(shù)改造后的使用效果

改造后的齒輪箱在不改變外形尺寸及與其他零件連接尺寸的前提下，各級齒輪副的強度得到了大幅度的提升。另外，采用相對獨立的潤滑方式，潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提高。從投入使用至今，齒輪箱基本沒有出現(xiàn)重大問題，原有的齒輪副斷軸、打齒以及潤滑泵斷軸的問題都得到了解決，總體效果非常理想，達到了預期目標。

圖7 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從圖7 改進前后的齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在改進前后有明顯的不同，改進后箱體內(nèi)有限的空間得到了充分的利用，各級齒輪副的強度不僅得到了大幅度提高，而且齒輪箱的裝配也較改進前方便了很多。

4 結(jié)論

DISA 公司在鑄造領(lǐng)域，尤其是砂處理方面在國際上享有很高的知名度，研發(fā)的鑄造設(shè)備基本上可以代表國際領(lǐng)先水平，這一點勿容置疑。但即便如此，有些設(shè)備在一些細節(jié)方面的設(shè)計也會存在或多或少的不足。對國外先進技術(shù)的改進是一種大膽的嘗試，通過此次嘗試也說明了一個問題，國外能做到的，通過自己的鉆研，國內(nèi)同樣也可以做到，而且還可以在國外的基礎(chǔ)上做的更好。這種對國外設(shè)備改造的嘗試，今后也會在其他設(shè)備上進行推廣。