瞿 鐵，陳松戰(zhàn)，信 穩(wěn)，楊 超

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

為提高能源利用率，磨機的規(guī)格日益向大型化方向發(fā)展，故對大型磨機傳動裝置的要求也越來越高。根據(jù)國際認可的磨機驅動方式選用原則[1]，裝機功率 10 MW 以下建議選用單邊驅動；10～20 MW 建議選用雙邊驅動；20 MW 以上建議選用無齒傳動即環(huán)形電動機直聯(lián)驅動。對于裝機功率 20 MW以內的大型磨機主要以齒輪驅動為主，技術較為成熟；20 MW 以上大型礦用磨機主要采用環(huán)形電動機直聯(lián)驅動。

近些年對國外用戶和自身應用情況調研表明：環(huán)形電動機驅動應用效果并不理想，電動機和控制系統(tǒng)造價高昂，對運行環(huán)境要求極高，且結構復雜，維護成本高。相對環(huán)形電動機驅動，齒輪傳動具有明顯的技術優(yōu)勢，如投資成本較低，結構簡單，維護方便，所需備件少等，另外齒輪技術經過近百年的快速發(fā)展，技術成熟，安全可靠。為適應未來大型磨機的發(fā)展需求，擺脫對環(huán)形電動機驅動的依賴，出現(xiàn)了雙電動機多支路齒輪傳動方案[2]。由于雙電動機多支路齒輪傳動系統(tǒng)中多點嚙合的均載直接關系到齒輪副的承載能力，以及傳動系統(tǒng)能否平穩(wěn)運行，因此筆者主要開展對齒輪均載影響因素的研究，并提出相應的解決方案。

1 多支路齒輪傳動原理

多支路齒輪傳動如圖 1 所示，動力由輸入小齒輪 1 輸入，通過與一級大齒輪齒輪嚙合將動力傳遞給一級大齒輪，一級大齒輪與二級小齒輪通過扭力軸連接，由此將動力傳遞給二級小齒輪，二級小齒輪同時與磨機大齒輪嚙合驅動磨機轉動。多支路齒輪傳動的主要特點是通過增加小齒輪與磨機大齒輪的嚙合點實現(xiàn)大磨機高功率大轉矩驅動。另外，所有齒輪副均采用 2 點支承，保證齒輪副工作位置的穩(wěn)定性；一級大齒輪與二級小齒輪采用扭力軸連接，通過調整扭力軸相位角保證二級小齒輪與開式大齒輪的嚙合同步性，同時通過扭力軸的扭轉位移，降低齒輪副的加工、安裝誤差對不均載系數(shù)的影響[3]。故在進行大型磨機多支路齒輪傳動裝置研發(fā)過程中，計算大齒輪與二級小齒輪保持嚙合同步所需的最大扭轉補償量是確保設計滿足性能要求的前提，扭力軸補償如圖 2 所示。

圖1 多支路齒輪傳動Fig.1 Multi-branch gear drive

圖2 扭力軸補償Fig.2 Compensation of torsion shaft

2 誤差補償分析

大型磨機多支路齒輪傳動裝置主要采用并行齒輪傳動鏈進行功率分流，然后通過增加與開式大齒輪之間的嚙合點，實現(xiàn)大型磨機的驅動。由于磨機存在安裝誤差、基礎沉降、熱變形、大齒輪徑向跳動、軸向跳動及齒距累積偏差等，工作過程中會使齒輪傳動鏈功率分流不均，控制不好易出現(xiàn)較大的不均載，進而降低傳動裝置的承載能力和可靠性。故在多支路齒輪傳動裝置研制過程中，需綜合考慮以上因素的影響。

2.1 傳遞誤差

齒輪運轉過程中，隨著單雙齒嚙合的交替進行并在加工誤差的綜合影響下，齒輪副的速比與公稱速比相比，存在傳遞誤差，并隨著時間做周期性變化。傳遞誤差會使齒輪在嚙合過程中產生沖擊激勵，引起振動噪聲，不利于承載能力的提高和運行的平穩(wěn)性。傳遞誤差是普遍存在的現(xiàn)象，雖然可通過齒輪修形技術改善齒輪的嚙合狀態(tài)，減小嚙合沖擊激勵，但無法消除。在多支路齒輪傳動中，因齒輪加工精度、嚙合剛度及輪齒嚙合相位偏差等的影響，會產生較大的傳遞誤差，引起較大的嚙合沖擊，故在齒輪參數(shù)設計、輪齒修形及結構優(yōu)化設計中要嚴格控制傳遞誤差的影響。

2.2 齒距累積偏差

齒距累積偏差決定了齒與齒之間的位置精度。如圖 3 所示，當 2 個小齒輪同時與大齒輪 G1嚙合時，由于齒距累積偏差的存在，嚙合過程中會使 2 對齒輪副嚙合不同步，導致提前進入嚙合的輪齒承受較大的載荷，對齒輪副的可靠性造成較大的影響。故在多支路齒輪傳動中，要設置彈性補償機構，以減小齒距累積偏差對齒輪嚙合同步性的影響。嚙合點相對齒距累積偏差可通過一系列現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得，也可根據(jù)齒輪對應精度的齒距累積偏差公差帶近似估算。假設大齒輪 G1齒距累積偏差為Fpg1，小齒輪 P1、P2的齒距累積偏差為Fpp1、Fpp2，則小齒輪平均齒距累積偏差

圖3 齒距累積偏差Fig.3 Accumulated pitch error

小齒輪與大齒輪因齒距累積偏差引起的最大嚙合相位偏差F∑，為大小齒輪齒距偏差之和，

2.3 大齒輪外圓徑向跳動

對于大型礦用磨機開式大齒輪，由于體積和質量較大，現(xiàn)場安裝很難控制其徑向跳動在 1.0 mm 以內；正常工作過程中由于磨機受載彈性變形和熱彈變形等的影響，大齒輪外圓實際徑跳可達 1.5 mm。大齒輪外圓徑跳對齒輪的嚙合會產生較大的影響，如圖 3所示，當徑跳較大時，兩齒輪副的中心距會隨著時間來回變化，進而使兩齒面的接觸位置產生變化，由于磨機速度的穩(wěn)定性，在此過程中會產生較大的沖擊載荷。

如圖 4 所示，當小齒輪 P1相對齒輪 G1徑向跳動量為LAB時，輪齒接觸點A會瞬間脫開，齒輪G1與小齒輪 P1產生相對位移LBC，使該對齒輪副B點和C點相互接觸。假設齒輪節(jié)圓處嚙合角為αω，則齒輪副嚙合輪齒相對位移

圖4 徑向跳動對齒輪接觸的影響Fig.4 Influence of radial runout on gear contact

2.4 大齒輪端面跳動

由磨機結構可知，磨機兩支撐部位分為固定端和游動端，其中固定端約束磨機筒體軸向移動。為保證大齒輪嚙合的平穩(wěn)性，大齒輪安裝在固定端。但實際工作過程中，由于固定端軸向游隙、加工偏差及大齒輪在筒體位移作用下彈性變形的影響，大齒輪端面會隨著磨機筒體軸向跳動，導致齒輪嚙合不連續(xù)，對于多支路驅動則會出現(xiàn)嚙合不同步的問題。如圖 4 所示，假設齒輪軸線方向跳動為LEF，齒輪螺旋角為β，則齒輪副會產生齒面法向偏移

2.5 安裝誤差及基礎沉降

由于磨機系統(tǒng)及傳動系質量、體積均較大，對其安裝提出了極高的要求。另外，隨著磨機帶料運行時間的推進，安裝基礎也會自然沉降產生位移，對齒輪傳動系統(tǒng)的承載能力和可靠性造成較大的影響。如圖 5 所示，對于多支路齒輪傳動裝置，在多種因素的影響下，小齒輪與大齒輪之間會產生高度方向和水平方向的偏移，在偏移過程中，小齒輪與大齒輪的嚙合會因中心距的變化而出現(xiàn)不同步，導致齒輪傳動不均載。

圖5 軸向跳動對齒輪接觸的影響Fig.5 Influence of axial runout on gear contact

如圖 6(a) 所示，當小齒輪 P1、P2與大齒輪 G1在垂直方向出現(xiàn)位置偏移時，小齒輪 P1軸心O1會移至A1，P2軸心O2移至A2，根據(jù)幾何原理，P1與大齒輪G1的垂直方向中心距偏差值

圖6 安裝誤差對齒輪接觸的影響Fig.6 Influence of installation error on gear contact

P2與大齒輪G1的垂直方向中心距偏差

如圖 6(b) 所示，當小齒輪與大齒輪水平方向出現(xiàn)位置偏移時，小齒輪 P1軸心O1會移至′，P2軸心O2移至，根據(jù)幾何原理，小齒輪 P1與大齒輪水平方向中心距偏差

小齒輪 P2與大齒輪水平方向中心距偏差

經過上述綜合分析，齒距累積偏差、大齒輪嚙合點頂圓徑向跳動、大齒輪嚙合點軸向跳動、安裝誤差均會對齒輪均載產生影響。兩點嚙合最大彈性補償量為

3 實例應用

半自磨機四點嚙合齒輪傳動如圖 7 所示，總裝機功率為 20 MW 的某型號半自磨機，采用四點嚙合方式，其大小齒輪副基本參數(shù)如表 1 所列。

圖7 半自磨機四點嚙合齒輪傳動Fig.7 Four-point meshing gear drive of SAG mill

表1 半磨機齒輪副基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of gear pair of SAG mill

根據(jù)表 1 齒輪參數(shù)、精度及磨機運行要求進行計算，預實現(xiàn)多支路均載，扭力軸所需要最大彈性補償數(shù)據(jù)如表 2 所列。

表2 扭力軸彈性補償數(shù)據(jù)Tab.2 Elastic compensation data of torsion shaft

根據(jù)變形機理，并考慮四分流齒輪不均載系數(shù)Kp=1.25[4]，則扭力軸補償相位角轉矩差 ΔT，為總傳遞轉矩的 25%。

式中：φ為扭轉變形角；ΔT為兩扭力軸之間的轉矩差；l為軸的有效工作長度；G為材料切變模量；Ip為軸極慣性矩；E為材料彈性模量，取E=206 GPa；μ為材料泊松比，μ=0.3。

計算可得d=384.27 mm，圓整后扭力軸直徑取 390 mm。

4 結語

本文從大型磨機運行特點出發(fā)，介紹多支路齒輪傳動裝置的工作原理，針對磨機安裝誤差、基礎沉降、熱變形、大齒輪徑向跳動、軸向跳動及齒距累積偏差等對齒輪傳動誤差的影響，分析總結了多支路齒輪傳動系統(tǒng)的均載機構關鍵因素及設計方法，對大型磨機多支路齒輪傳動系統(tǒng)的設計、制造和安裝維護等應用具有一定的指導意義。