伊成志，劉 森，馬朝帥，黃海林

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200；2.燕山大學(xué)，河北秦皇島 066004）

0 引言

某公司1700 酸軋機(jī)組是日本日立公司設(shè)計(jì)，2010 年投產(chǎn)，3#機(jī)架主減速箱使用近10 年后出現(xiàn)異響，經(jīng)檢查2#軸支撐軸承狀態(tài)不佳，需要拆解大齒輪更換軸承。大齒輪的相關(guān)參數(shù)：內(nèi)徑375H6 mm，與齒輪軸配合過盈0.4 mm，齒頂圓直徑992 mm，分度圓直徑948.2 mm，齒輪厚度440 mm。

1 加熱大齒輪溫度理論公式計(jì)算

在拆除過程中需要拆除大齒輪，采用加熱包容件的方法，通過理論公式計(jì)算大齒輪的加熱溫度為123.88 ℃[1]。

式中 tr——加熱溫度，℃

eat——裝配間隙，mm

αa——線膨脹系數(shù)，℃-1；取值11×10-6℃-1

df——結(jié)合直徑，mm；取值375 mm

Δ——熱裝最小間隙，mm；取值0.111 mm

δmax——設(shè)計(jì)基本過盈量，mm；取值0.4 mm

2 基于ANSYS Workbench 有限元熱力耦合仿真計(jì)算

應(yīng)用ANSYS Workbench 對(duì)加熱過程進(jìn)行熱力耦合分析，首先建立實(shí)體模型[2]。大齒輪和齒輪軸過盈配合，半徑方向過盈0.2 mm。齒輪和齒輪軸的材料SNCM420，材料導(dǎo)熱系數(shù)0.475 W（/m·K），比熱容46 J（/kg·K），接觸部位網(wǎng)格細(xì)化，環(huán)境溫度設(shè)置為22 ℃（圖1）。

圖1 網(wǎng)格劃分

2.1 驗(yàn)證模型正確性

在1 s 內(nèi)對(duì)大齒輪施加的從22 ℃到200 ℃的瞬態(tài)溫度載荷，加熱溫度至100.06 ℃，大齒輪和齒輪軸之間間隙為0 mm；加熱至125.52 ℃，半徑間隙0.055 5 mm，滿足拆裝要求（圖2）。由于加熱時(shí)間短，大齒輪和齒輪軸之間導(dǎo)熱少，仿真計(jì)算溫度與理論計(jì)算相差1.64 ℃，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性（圖3）。

圖2 徑向間隙變化

圖3 變形量云圖

2.2 熱力耦合計(jì)算方案的確定與計(jì)算

考慮大齒輪的加熱溫度上限設(shè)置為250 ℃，250 ℃以下齒輪表面和心部硬度也沒有變化，超過250 ℃后，發(fā)藍(lán)的部位硬度下降了5 HRC 左右，未發(fā)藍(lán)的部位硬度沒有下降[3-4]。設(shè)計(jì)5 組大齒輪溫升速率的仿真方案，通過仿真計(jì)算得到表1 所示數(shù)據(jù)。

表1 大齒輪溫升仿真方案

（1）方案1。加熱5 min，大齒輪溫度從22 ℃升至200 ℃，溫升速度35.6 ℃/min（圖4）。加熱至95.4 ℃時(shí)，大齒輪與齒輪軸脫開。升溫至189.2 ℃時(shí)半徑間隙0.055 5 mm，滿足拆除要求。

圖4 方案1

（2）方案2。加熱7.14 min，大齒輪溫度從22 ℃升至250 ℃，溫升速度32 ℃/min（圖5）。加熱至150.86 ℃時(shí)，大齒輪和齒輪軸脫開。升溫至223.24 ℃時(shí)半徑間隙0.055 5 mm，滿足拆除要求。

圖5 方案2

（3）方案3。加熱8.14 min，大齒輪溫度從22 ℃升至250 ℃，溫升速度28 ℃/min（圖6）。加熱至156.45 ℃時(shí)，大齒輪和齒輪軸脫開。升溫至224.98 ℃時(shí)半徑間隙0.055 5 mm，滿足拆除要求。

圖6 方案3

（4）方案4。加熱9.14 min，大齒輪溫度從22 ℃升至250 ℃，溫升速度25 ℃/min（圖7）。加熱至162.05 ℃時(shí)，大齒輪和齒輪軸脫開。升溫至230.18 ℃時(shí)半徑間隙0.055 5 mm，滿足拆除要求。

圖7 方案4

（5）方案5。加熱10 min，大齒輪溫度從22 ℃升至250 ℃，溫升速度22.8 ℃/min（圖8）。加熱至167.20 ℃時(shí)，大齒輪和齒輪軸脫開。升溫至250 ℃時(shí)半徑間隙0.029 6 mm，不滿足拆除要求。

圖8 方案5

3 數(shù)據(jù)分析

（1）根據(jù)上述有限元分析結(jié)果可以看出，隨著大齒輪加熱速度的降低，達(dá)到拆除條件的終點(diǎn)溫度升高。1 s 加熱至200 ℃，齒輪和軸之間傳熱量較少，拆除需要的加熱溫度大致等于理論計(jì)算結(jié)果。加熱10 min 時(shí)，溫升速度22.8 ℃/min，齒輪和軸之間的導(dǎo)熱量增大，軸徑和孔徑變化量相差不大，不能滿足拆除間隙要求。加熱至更高的溫度將會(huì)影響大齒輪的材料性能，所以在控制終點(diǎn)溫度前提下，盡可能采用大的加熱速度拆除大齒輪。

（2）實(shí)際拆除過程中，對(duì)大齒輪加熱時(shí)間約8 min，對(duì)齒輪內(nèi)孔溫度實(shí)測(cè)溫度約225 ℃，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的結(jié)果基本正確。

（3）熱力耦合計(jì)算的不足之處。簡(jiǎn)化了加熱模型的過程，大齒輪的溫度載荷均勻提高，而在實(shí)際拆卸的加熱過程中是局部加溫傳熱的過程。簡(jiǎn)化模型影響仿真計(jì)算結(jié)果的精度。

4 結(jié)論

應(yīng)用有限元熱力耦合仿真計(jì)算的方法，為1700 酸軋主減速箱2#傳動(dòng)軸大齒輪拆除方案優(yōu)化提供了理論支撐，依據(jù)優(yōu)化后的方案成功拆除了大齒輪，更換了故障軸承。該方法為同類問題的解決提供了思路和借鑒。