謝尚軍

（寧波東力傳動設(shè)備有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

輥道減速電機(jī)是現(xiàn)代冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用的傳動設(shè)備，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到整條產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本[1-2]。輥道減速電機(jī)的工作環(huán)境溫度高、沖擊大且?guī)лd荷頻繁啟動，對穩(wěn)定性和使用性能要求較高，因此鋼廠很大一部分設(shè)備所配的輥道減速電機(jī)長期被進(jìn)口品牌壟斷。在一些特殊工況下，由于前期設(shè)計選型對實際使用工況了解不夠充分，或為了降低設(shè)備成本等原因，輥道減速電機(jī)選型偏小導(dǎo)致其不能正常工作，甚至引起停產(chǎn)或安全事故。例如，國內(nèi)某鋼廠熱軋項目使用的進(jìn)口輥道減速電機(jī)，在生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)斷軸、打齒、箱體開裂和燒電機(jī)等問題。

1 現(xiàn)場使用工況及相關(guān)參數(shù)校核

1.1 現(xiàn)場使用工況

輥道減速電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與輥子相連，輥子兩端各有一個軸承座支撐固定（圖1）。減速電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動輥子旋轉(zhuǎn)，從而帶動輥子上的鋼坯移動[3]。鋼坯對輥子的沖擊力通過聯(lián)軸器傳遞到減速電機(jī)，該設(shè)備24 h 單向運行，環(huán)境溫度較高，沖擊較大[4-6]。由于運送的鋼坯受熱不均導(dǎo)致鋼坯頭、尾普遍存在彎曲叩頭現(xiàn)象。偶爾出現(xiàn)變形較大的鋼坯，例如1 個鋼坯僅由2 個輥子支撐，鋼坯中間的幾個輥子與鋼坯接觸很少甚至不接觸，此時會出現(xiàn)輥子轉(zhuǎn)動而鋼坯不動，操作人員發(fā)現(xiàn)后用夾鉗將不動的鋼坯吊離輥道。有時來不及將不動的鋼坯吊離，后面過來的鋼坯就會撞擊前面不動的鋼坯，推動鋼坯向前運動。這種情況對輥道減速電機(jī)的沖擊最大，其過載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)可承受的過載范圍，這也是導(dǎo)致該部位輥道減速電機(jī)頻繁損壞的原因之一。據(jù)了解，該生產(chǎn)線投產(chǎn)1 年左右，該部位50 多臺輥道減速電機(jī)頻繁損壞，其平均使用壽命為2 個月。輥道減速電機(jī)頻繁損壞，嚴(yán)重影響鋼廠的正常生產(chǎn)，并且大大增加了備件的修復(fù)費用。

圖1 入爐輥道輥子及傳動結(jié)構(gòu)

1.2 進(jìn)口輥道減速電機(jī)技術(shù)參數(shù)校核

該進(jìn)口輥道減速電機(jī)所配電機(jī)為YGP180L1-4-11 kW，減速機(jī)速比為27.58，兩級傳動，電機(jī)與減速機(jī)采用直聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖2）。齒輪按常用材料20CrMnTi 滲碳淬火進(jìn)行強度計算（表1）[7-8]。

圖2 兩級傳動減速機(jī)

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》可知，許用最小接觸安全系數(shù)應(yīng)大于1.25，許用最小彎曲安全系數(shù)應(yīng)大于1.6[9]。從表1 的計算結(jié)果可知，該減速電機(jī)的第一級齒輪接觸強度和彎曲強度勉強滿足工況要求，第二級齒輪接觸和彎曲強度嚴(yán)重不足。

表1 進(jìn)口輥道減速電機(jī)技術(shù)參數(shù)

由以上計算數(shù)據(jù)可知，進(jìn)口輥道減速電機(jī)選型偏小是其在生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)輸出軸斷軸、齒輪打齒、箱體開裂的直接原因。直接加大機(jī)座號是能夠解決問題，但是安裝尺寸需要全部加大，改造周期和費用超出業(yè)主預(yù)期，只能根據(jù)現(xiàn)場安裝條件，對減速電機(jī)進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計以達(dá)到現(xiàn)場使用的要求。

1.3 選型校核

原始選型參數(shù)由業(yè)主提供[10-11]。

已知，輥間距L=1600 mm，鋼坯線速度V=1.0 m/s，輥子直徑D=350 mm，鋼坯規(guī)格220 mm×1250 mm×10 000 mm，單個鋼坯重m≈22 t。

根據(jù)現(xiàn)場使用工況，要分兩種情況：

（1）在鋼坯不變形的情況下，單根鋼坯需要n 個輥子支撐：n=10 000/1600=6.25 個。即在鋼坯不變形的情況下，由6 個輥子同時支撐1 個鋼坯（此種情況與現(xiàn)場實際不符）。單個輥子承受鋼坯的重量m1=22/6=3.67 t。

（2）在鋼坯變形的情況下，例如變形最大時，即1 個方坯由2個輥子支撐[12]，單個輥子承受重量m2=22/2=11 t。

以鋼坯變形最大進(jìn)行計算。鋼坯在輥道上穩(wěn)定運行時的靜力矩[13]：

式中 Mj——輥道穩(wěn)定運行時的靜力矩，N·m

Q——該組輥道上鋼坯壓力，110 000 N

C——由1 臺輥道減速電機(jī)所驅(qū)動的輥子數(shù)目，1

G1——單個輥子的質(zhì)量，kg；取800 kg

μ——滾動軸承的摩擦因數(shù)；取0.005

f——鋼坯在輥子上的滾動摩擦因數(shù)；熱鋼錠為0.002

代入式（1）得Mj=270 N·m

由于鋼坯由0 加速到1 m/s，除鋼坯穩(wěn)定運行時的靜力矩外，還要考慮輥子和鋼坯的動力矩：

式中 Md——輥道穩(wěn)定運行時的動力矩，N·m

D——輥子直徑，mm；取350 mm

μ1——鋼坯打滑時的摩擦因數(shù)；熱鋼坯為0.3

代入式（2）得Md=6187 N·m

反饋源于控制論，是指作為輸入信號、回應(yīng)系統(tǒng)的控制器的輸出。[1] 教學(xué)環(huán)境中的反饋被定義為：“提供給學(xué)習(xí)者以告知其學(xué)習(xí)或表現(xiàn)的實際狀態(tài)的所有后期反應(yīng)信息”[2]127，是教學(xué)的重要因素和有效學(xué)習(xí)的基本原則。 “反饋是寫作過程法的一個基本要素”[3]294。

所以輥道在啟動時所需的力矩：

當(dāng)鋼坯在輥道受阻停止時，驅(qū)動輥道的靜力矩達(dá)到最大值Mmax。鋼坯在移動時碰撞到輥道側(cè)面板，或受到前面鋼坯、擋板的阻擋使其停止移動，而輥子還在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，輥子與鋼坯間發(fā)生打滑，此時，輥子與鋼坯間的滾動摩擦變成了滑動摩擦。

代入式（4）得Mmax=5870 N·m，M＞Mmax。

在輥道啟動時，為了保證鋼坯能在輥道上移動，所選擇的電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩M啟應(yīng)滿足以下條件：

式中 Mmax——電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m

i——輥道減速電機(jī)的減速比

η——傳動效率；取0.96

式中 Me——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m

K——電機(jī)最大過載倍數(shù)，≤2.5

原進(jìn)口減速電機(jī)所配輥道電機(jī)為YGP180L1-4-11 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速1470 r/min，輥道轉(zhuǎn)速53 r/min，減速比i=27.58，Me=71.7 N·m。

由式（5）和式（6）得：

所以K=3.15＞2.5。

由此可知，出現(xiàn)燒電機(jī)就是在鋼坯變形最大時發(fā)生，即只有2 個輥子支撐1 個鋼坯重量時。

將電機(jī)增大到Y(jié)GP180L2-4-15 kW 時，根據(jù)上述算式計算得出K=2.1＜2.5，即在載荷最大的情況下，電機(jī)功率加大到15 kW就可滿足現(xiàn)場使用。

2 國產(chǎn)化改造的可行性

2.1 改造思路

由于該項目為局部改造性質(zhì)，所以改造方案必須結(jié)合現(xiàn)場實際條件：①結(jié)合現(xiàn)有傳動條件，減速機(jī)由兩級傳動改為三級傳動；②結(jié)合現(xiàn)場安裝空間，要想大幅提高減速機(jī)的強度，必須加大中心距和齒輪模數(shù)；③安裝尺寸盡可能保持不變，尤其是減速機(jī)的中心高尺寸不能改變，但是高度方向尺寸沒有限制。因此，減速機(jī)由同軸式傳動改為平行軸式傳動，這樣才能保證優(yōu)化改進(jìn)后的減速機(jī)承載力大幅提高（圖3、圖4）。

圖3 兩級同軸式傳動

圖4 三級平行軸式傳動

2.2 改造方案

基于上述思路，確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)[14]并計算（表2）。

由于所配電機(jī)功率需要加大到15 kW，改造后的減速機(jī)地腳孔尺寸需要由Φ26 mm 加大到Φ33 mm，輸出軸直徑由Φ70（m6）mm加大到Φ90（m6）mm，其余安裝尺寸保持不變，減速機(jī)箱體采用焊接件或鑄鋼件。由表2 可知，國產(chǎn)化技術(shù)改進(jìn)后的減速機(jī)每一級齒輪接觸和彎曲強度安全系數(shù)都達(dá)到或超過要求的最小值。

表2 優(yōu)化改進(jìn)后的技術(shù)參數(shù)

2018 年3 月國產(chǎn)化技術(shù)改造的輥道減速電機(jī)第一批8 臺上線，使用一年后無任何問題。2019 年5 月把該部位余下40 多臺全部改造完畢，使用至今無任何質(zhì)量問題。改造后的輥道減速電機(jī)使用性能大幅提高，有力保障了該項目生產(chǎn)線的可靠運行，為該鋼廠節(jié)省了大量的改造和備件費用。

3 結(jié)語

據(jù)了解，國內(nèi)冶金設(shè)備配套的進(jìn)口減速電機(jī)存在類似問題很多，該部位輥道減速電機(jī)國產(chǎn)化的成功改造，為國內(nèi)冶金設(shè)備國產(chǎn)化改造積累了一定的成功經(jīng)驗。進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化是一項對技術(shù)有很強要求的工作，需要根據(jù)實際使用工況，科學(xué)選擇國產(chǎn)化項目和性能優(yōu)良的國產(chǎn)備件，并不斷提高技術(shù)人員理論水平和實踐經(jīng)驗，才能保證進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化工作的順利進(jìn)行。實踐表明，進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化改造只有在尊重科學(xué)、大膽創(chuàng)新和充分了解設(shè)備的實際使用工況下，才能使國產(chǎn)化工作邁向新臺階，企業(yè)的設(shè)備管理工作才會得到大幅度提高。