研究聯合減速機設計過程的特點

    1　概述

    線、棒材廠粗中軋機主傳動系統是保證軋制正常進行的關鍵設備之一。主電機帶動主減速機，再通過齒輪機座和萬向接軸帶動軋輥實現軋制。主電機帶動聯合減速機，再通過萬向接軸帶動軋輥實現軋制。

    由上述兩種結構的對比可以看出，所謂的聯合減速機就是將主減速機和齒輪機座合二為一，使之既減速又分速的一種裝置。聯合減速機有以下優(yōu)點：①縮短了軋機機列長度，有利于工廠設計；②降低機列重量；③減少備品備件；④節(jié)省投資和維護費用。

    聯合減速機具有以下結構特點：①減速和分速相結合；②由于工作條件惡劣，如低速重載、嚴重沖擊負荷、連續(xù)工作制、變速變載等，所以要求它有高的強度、精度和可靠性；③齒輪一般為經過精加工的硬齒面或中硬齒面漸開線圓柱齒輪；④軸承均采用滾動軸承；⑤采用稀油集中循環(huán)潤滑系統潤滑齒輪和軸承。由于這些特點，聯合減速機的設計過程和一般通用減速機有許多不同。筆者結合近年來參加多個線棒材廠工程的粗中軋機聯合減速機設計工作的實際，談一談聯合減速機的設計特點。

    2　設計計算

    2.1　計算依據計算的依據是軋鋼工藝專業(yè)提供的車間工藝平面布置圖及最難軋鋼種的軋制程序表。根據這兩份資料，明確以下參數：①原動機類型、功率、轉速；②軋制力矩；③軋輥轉速；④聯合減速機的安裝方式；⑤相鄰軋機間距；⑥車間跨距；⑦其它特殊要求（包括用戶要求）。

    2.2　計算的準備

    1）根據計算依據，確定聯合減速機的下列參數：

    （1）使用壽命：一般取8～10年，年工作小時為5500小時。

    （2）齒輪精度：一般硬齒面聯合減速機取6級精度，中硬齒面聯合減速機取7級精度。這點和通用減速機不同。通用減速機的齒輪精度等級與齒輪副的圓周速度有關，而聯合減速機的齒輪精度一般要比按圓周速度確定的精度要高，目的是在合理的加工費用的前提下，充分發(fā)揮材料能力，降低設備重量，減小噪音。

    （3）潤滑方式及潤滑油品：均采用稀油集中潤滑循環(huán)系統，油品一般為N320或N220工業(yè)齒輪潤滑油。

    （4）軸承壽命：一般大于6000小時，即能滿足一個大中修使用周期。

    （5）齒型、齒面硬度、齒輪材料及熱處理方法。

    2）減速級齒型一般為漸開線圓柱斜齒輪。分速級齒型有兩種選擇：若齒面為硬齒面，則可用斜齒輪；若齒面為中硬齒面，由于分速級中心距受軋機規(guī)格限制，一般用人字齒輪，以保證承載能力。

    （1）齒面硬度、齒輪材料及熱處理方式的選擇比較復雜。首先，采用硬齒面可以減小聯合減速機的外型尺寸，減輕設備重量（經測算，一般可減輕20%～30%以上），縮短機列長度，對軋機間距要求不嚴。但是需要滲碳淬火或表面淬火，需要磨齒，機加工費用較高。而采用中硬齒面，則可以減少機加工難度，降低機加工費用，但帶來的問題是設備外型尺寸較大，設備重量較大，增大了機列長度，對軋機間距要求較嚴，甚至有可能影響到工廠設計。

    （2）其次，對硬齒面齒輪，若采用表面淬火熱處理工藝，則齒輪材料為中碳合金鋼。但中碳合金鋼的焊接性能較差，使制造減速級大齒輪時的焊接難度加大。若采用滲碳淬火熱處理工藝，則齒輪材料為低碳合金鋼，大齒輪的焊接性能較好，但需要大型的滲碳爐，機加工費用較高。

    （3）再次，對中硬齒面齒輪，必須采用中碳合金鋼。

    由于其熱處理工藝相對簡單，一般機械廠都能加工，機加工費用低。但制造大齒輪時焊接性能不好，而且當中碳合金鋼調質處理硬度為HB300～350時，其芯部的其他機械性能指標，如σs、δs、Ak等都受到影響，特別是韌性指標有一定的下降，必須嚴格控制。

    3）由于目前國內中硬齒面聯合減速機的加工費用一般比硬齒面聯合減速機的加工費用便宜一半左右，所以，在選擇齒面硬度的原則是：尊重用戶的選擇，在軋機間距和機列長度許可的前提下盡量不用滲碳淬火熱處理工藝，盡量不用高檔材料，盡量降低齒面硬度，以適應市場經濟的需要。但隨著國內機加工能力的提高，加工費用的進一步合理，聯合減速機采用滲碳淬火硬齒面齒輪、大齒輪采用焊接結構將是發(fā)展的方向。

    2.3　齒輪計算

    正確而合理的計算是保證聯合減速機性能可靠，體積和重量合理，工藝性好的前提。齒輪計算的大致步驟是：先按體積最小原則進行速比分配，再初算齒輪傳動的幾何參數，最后按GB/T3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》進行接觸強度和彎曲強度校核。整個計算過程與通用減速機設計計算相似。這里僅介紹其不同之處。

    1）聯合減速機的輸入扭矩不是按電機功率和轉速計算出來的，而是按軋制程序表中最難軋鋼種的實際軋制力矩和轉速反算過來的。以某線材廠第一架Φ420中軋機為例，其電機功率P為239kW，電機轉速n為690r/min，則電機轉矩T為：T=9550P/n=9550×239/690=3308N.m而實際上，軋制最難軋鋼種時的軋制力矩反算到電機軸上僅為2195N.m.可見，如果按輸入扭矩為3308N.m設計計算聯合減速機，則聯合減速機將過于安全。

    2）使用情況系數KA全部按嚴重沖擊取值，一般取KA=1.75.接觸強度安全系數SH為1.1～1.3，彎曲強度安全系數SF為1.5～2.0.若進行強度校核后SH和SF超出這一范圍，則相應調整齒輪參數，重新校核。

    3）齒寬系數Φd的選擇比較復雜，多需反復計算。若Φd取值偏大，雖然可以提高齒輪的承載能力，但齒輪較寬，減速機尺寸加大，并且當齒寬大到一定程度以后，其提高齒輪承載能力的作用并不明顯，因為隨著齒寬的加大，齒向載荷分布系數、齒間載荷分配系數均明顯加大。而若Φd取值偏小，雖然可以克服此值偏大后的缺點，但可能滿足不了承載能力的要求，或者雖然能滿足承載能力的要求，但縱向重合度εβ小于1，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性。選擇齒寬系數的原則是：在滿足承載能力和縱向重合度εβ大于1的前提下，盡量減少齒寬系數。

    4）分速級的中心距不是根據強度條件確定的，而是按照軋機在最大、最小輥徑和不同開口度、不同橫移位置的情況下，萬向接軸有合理的工作傾角確定的，一般等于軋機的名義規(guī)格。如Φ450軋機的聯合減速機，其分速級中心距為450mm.盡管該級中心距受到限制，但是按此中心距確定的齒輪參數仍需滿足強度要求。因此分速級齒輪一般齒寬比較大，齒面硬度較高。隨著硬齒面技術的發(fā)展和使用，齒輪承載能力已經提高。現在制約分速級中心距的關鍵環(huán)節(jié)已不是齒輪的強度，而是該級滾動軸承的使用壽命了。

    5）為降低成本，提高效率，在進行新廠設計時，盡量使同一規(guī)格的軋機的聯合減速機的箱體相同。以某線材工程Φ450軋機聯合減速機為例，可按以下方案設計。

    這種設計方案的缺點是后三架聯合減速機偏于安全，有一定的浪費現象。優(yōu)點是減少了設計工作量，簡化了工藝工裝，減少了備品備件，便于維護，還可以將質量較差的箱體配置在負荷較低的機列上。據SMS公司測算，這種方案可使總成本下降10%以上。

    2.4　其它計算

    齒輪幾何計算和強度校核完畢后，先按扭轉強度計算出各軸的最小軸徑，然后初選軸承，并進行軸承壽命校核。當軸承確定之后，再根據軸承和齒輪的具體參數計算出該聯合減速機所需要的潤滑油量。等結構設計完畢后，對各軸進行精確地強度和剛度校核。需要說明的是，在進行軸承壽命校核時，要按軸承樣本上介紹的方法進行，而不要按一般設計手冊中的方法。一般設計手冊中的計算方法過于保守。隨著電子計算機的飛速發(fā)展，現在有關齒輪計算的軟件也隨之出現并越來越豐富。采用電子計算機計算將是軋機聯合減速機設計的發(fā)展方向。

    3　結構設計

    設計計算是在理想嚙合狀態(tài)下進行的，如果因為各種原因保證不了齒輪的正常嚙合，那么設計計算只是紙上談兵。因此在聯合減速機結構設計時，應牢固樹立保證各級齒輪嚙合良好的意識。緊緊圍繞這一點進行設計。結構設計的程序與一般通用減速機的設計程序基本相同，這里僅介紹其特別之處。

    3.1　箱體結構

    近些年國內外新設計的聯合減速機箱體均采用焊接結構。當分速級齒輪為人字齒輪時，可以設計成只有一個分箱面。為保證箱體剛度，各箱體，尤其是下箱體的承載鋼板應有足夠的厚度和合理的配筋。軸承座部位一般選用厚鋼板直接焊接。各箱體之間的聯接螺栓大小應按規(guī)范選取，并注意其與箱壁、筋的距離，以留有足夠的扳手空間。地腳螺栓應布置合理，以方便土建基礎施工，并注意安裝空間。下箱上的吊耳應能承受住整臺聯合減速機的重量，聯合減速機組裝完畢后，只允許使用下箱上的吊耳吊裝。

    3.2　軸系結構

    1）采用一端固定，一端游動的典型結構。若分速級齒輪為人字齒輪，那么較短的人字齒輪軸兩端均為游動結構。

    軸承固定端的選擇與軸承受力有關。一般一根軸兩端的軸承型號相同，為了使兩個軸承壽命接近，原則上應將承受徑向力較小的一端作為固定端。

    2）輪齒螺旋方向及齒輪旋轉方向的確定：

    輪齒螺旋方向：互相嚙合的一對齒輪螺旋方向相反。同根軸上的兩個齒輪螺旋方向相同，以使其產生的軸向力互相抵消一部分。

    3.3　潤滑配管設計

    齒輪和軸承的良好潤滑是保證不出事故的先決條件。由于齒輪和軸承公用一個潤滑循環(huán)系統，所以在配管設計時一定要注意以下幾點：

    1）軸承進油口部位一定要設置節(jié)流裝置，以使流量均衡。

    2）齒輪潤滑處的噴油嘴尺寸應按所需油量正確選擇，謹防不足。

    3）回油管直徑要足夠大，以保證排油順暢。

    4）軸承座上應留有回油孔，以便潤滑軸承的油能順利排出，防止從端蓋處漏油。

    5）將噴油嘴放在齒輪副的嚙入側還是嚙出側，過去一直爭論不休。由于粗中軋機聯合減速機的線速度一般不高，現在一般將噴油嘴放在嚙入側，以保證潤滑。

    6）通氣罩要足夠大，必要時可設置兩個，使箱體內外氣壓相同，減少從軸伸處或箱體結合面處滲、漏油的可能性。

    4　發(fā)展趨勢

    隨著線棒材軋坯尺寸的加大、軋制速度和對成品精度要求的逐步提高，對粗中軋機軋制能力及中間坯質量也有越來越高的要求。因此聯合減速機呈現以下發(fā)展趨勢。

    1）齒輪計算及強度校核采用電子計算機進行計算，可大大縮短設計周期。

    2）齒輪采用滲碳淬火熱處理工藝。根據計算，相同外型尺寸的聯合減速機，采用滲碳淬火比采用表面淬火可提高承載能力30%左右。還方便了大齒輪的加工制造。

    3）箱體采用全焊接結構，以縮短制造周期，減輕重量。

    4）齒輪采用高變位技術，以提高齒面接觸強度和齒根彎曲強度。

    5）輪齒采用修型技術（齒向修型和齒型修型）。根據計算，采用適當的輪齒修型后，承載能力可提高20%～30%.

    5　結語

    線棒材廠粗中軋機聯合減速機的設計有其自己的特點。在設計計算階段，應根據工藝要求、用戶要求及制造廠的加工能力合理確定齒面硬度、齒輪材料及熱處理方式，選擇合適的齒輪精度、使用壽命、齒寬系數等，按照輸出扭矩為最大軋制力矩的原則，使齒輪副的強度安全系數在一個合理的范圍內，并注意同規(guī)格聯合減速機的通用化，使計算出的減速機既安全，又體積小、重量輕、成本低。

    在結構設計階段，應牢固樹立保證各級齒輪嚙合良好的意識，采用適當的焊接箱體結構和軸系結構，合理確定輪齒旋向和齒輪旋轉方向，重視潤滑配管設計，以保證設計計算落到實處，減速機工藝性好，使用方便、可靠。