高速板材矯正機(jī)齒輪分配箱潤(rùn)滑方式及供油機(jī)構(gòu)的分析—滾針軸承與推力球軸承組合的潤(rùn)滑方式、油路夾層板式供油機(jī)構(gòu)

王 冰，孫瑞濤

WANG Bing, SUN Rui-tao

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

目前，根據(jù)“輥式板材矯正機(jī)”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的基本參數(shù)：鋼板寬度在1000mm以上的輥式板材矯正機(jī)其最大矯正速度Vmax≤1m/s，（對(duì)應(yīng)的鋼板強(qiáng)度σs≤400N/mm2）按此速度設(shè)計(jì)的大多數(shù)矯正機(jī)的齒輪分配箱的齒輪最大圓周速度V≤12m/s。因此，按照“基本參數(shù)”所設(shè)計(jì)的各種齒輪分配箱均可采用浸油潤(rùn)滑的方式。

浸油潤(rùn)滑方式借助齒輪或其他輔助零件轉(zhuǎn)動(dòng)將潤(rùn)滑油帶到嚙合處，并將油甩到箱壁上面得以散熱，同時(shí)部分潤(rùn)滑油又會(huì)落到箱內(nèi)的油槽里去潤(rùn)滑軸承。由于齒輪軸的轉(zhuǎn)速不太高，因此，浸油潤(rùn)滑方式中潤(rùn)滑的主體是各齒輪嚙合副，而對(duì)軸承部分，或者依靠飛濺到油槽里的油去潤(rùn)滑，或者在一些較低速的齒輪分配箱內(nèi)將油浸泡沒過軸承來潤(rùn)滑，依靠飛濺方式的潤(rùn)滑其飛濺到油槽里的油量與轉(zhuǎn)速和線速度有直接的聯(lián)系，而完全浸泡的潤(rùn)滑方式其油的粘度、溫度、及清潔又極易被箱內(nèi)的工作環(huán)境所破壞。因此，浸油潤(rùn)滑方式對(duì)于高速重載荷的齒輪分配箱潤(rùn)滑不宜采用。

作者所在公司在承擔(dān)為某鋼廠的板材配送中心設(shè)計(jì)年產(chǎn)量10萬噸的“板材矯平橫切生產(chǎn)線”時(shí)所遇到的生產(chǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1）鋼板寬度/厚度：1500mm / 0.5～2.5mm

2）鋼板強(qiáng)度：σs ≤ 500 MPa /σb ≤ 800 MPa

3）最大矯正速度：V ≤150m/min (2.5m/s)

4）最大負(fù)荷特性：Wx≈4700N.m

5）工作輥數(shù)-輥徑/輥距：21-60 / 63

6）工作輥?zhàn)畲笈ぞ兀篗x≈630N.m

7）工作輥?zhàn)畲筠D(zhuǎn)速：n ≤800 r.p.m

8）板材剪切精度：長(zhǎng)度偏差 ±0.35mm / 對(duì)角線偏差 ±0.50mm

在“板材矯平橫切生產(chǎn)線”的生產(chǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基本參數(shù)的情況下，經(jīng)過調(diào)研和計(jì)算，針對(duì)齒輪分配箱的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，放棄了浸油潤(rùn)滑方式，而采用對(duì)軸承組合強(qiáng)制潤(rùn)滑并對(duì)齒輪嚙合副噴淋潤(rùn)滑的“連續(xù)復(fù)合壓力潤(rùn)滑“方式。（本文僅對(duì)軸承組合潤(rùn)滑方式進(jìn)行工藝分析）

1 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1.1 軸承的確定

圖1 常用潤(rùn)滑油路布置分類圖

由于生產(chǎn)線對(duì)板材的剪切精度要求很高，為了盡量降低速度波動(dòng)對(duì)剪切板材精度的影響，矯平機(jī)在方案設(shè)計(jì)階段要求盡量減小齒輪分配箱上各輸出軸與矯平機(jī)各工作輥之間裝配萬向聯(lián)軸器后形成的扇形角度。為此重點(diǎn)要求控制齒輪分配箱輸出軸之間的排距。在設(shè)計(jì)上，除了利用斜齒輪的特點(diǎn)通過加大齒寬來減小模數(shù)和齒數(shù)，從而控制分度圓以保證各分配齒輪軸之間的中心距和排距外；另一方面在支撐各分配齒輪軸的軸承選型方面作了多種的比較，根據(jù)斜齒輪的受力計(jì)算和潤(rùn)滑方式的特殊要求，確定了軸承選型的原則：

1）對(duì)斜齒輪在傳動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的徑向力和軸向力，分別用滾針軸承和推力球軸承來加以克服；

2）利用滾針軸承較薄的特征可有效地減小軸承孔的直徑，增加軸承孔之間材料的厚度，從而減小各軸承孔的排距；

3）在常用的軸徑范圍內(nèi)，當(dāng)滾針軸承的外徑、寬度、額定負(fù)荷相同時(shí)，不帶內(nèi)圈的滾針軸承可配裝更大的軸徑，既相同直徑的軸，配裝不帶內(nèi)圈的滾針軸承所對(duì)應(yīng)的軸承孔徑為最小；

4）利用推力球軸承的座圈孔徑大于軸圈孔徑的環(huán)形間隙作為潤(rùn)滑油的流動(dòng)通道；

1.2 潤(rùn)滑方式的分析

常用的潤(rùn)滑油路布置方式按油的流動(dòng)方向大體可分為以下3種，如圖1所示。

1） 軸向供油方式：機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，一般在軸端的密封法蘭蓋上留出注油孔從外面接上管路即可，對(duì)于不貫穿箱壁的軸端上軸承多采用此種方式；

2）徑向供油方式：機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，需要沿軸承孔的徑向 (上方、下方或斜向)鉆出注油孔，借助滾針軸承外圈上的油孔和環(huán)形油槽或者圓錐滾子軸承內(nèi)外圈錯(cuò)開的臺(tái)階將潤(rùn)滑油引至滾動(dòng)體內(nèi)，對(duì)于貫穿箱壁的軸段上軸承多采用此種方式。由于各軸承孔距離箱壁邊緣有一定的距離，因此，沿軸承孔的徑向直接鉆細(xì)的注油孔其深度會(huì)很長(zhǎng)，這給加工帶來一定的難度，如果改變鉆細(xì)長(zhǎng)孔的加工方式又會(huì)增加制造成本。

為此，在箱體設(shè)計(jì)上也采取一些辦法來避免鉆細(xì)長(zhǎng)孔的工藝：一種方法是采用凸臺(tái)式結(jié)構(gòu)，在箱壁外側(cè)軸承區(qū)域周邊設(shè)置凸臺(tái)，由于凸臺(tái)厚度有限，因此，可縮短注油孔的深度，從而可以直接從外向內(nèi)鉆孔；另一種方法是采用分箱式結(jié)構(gòu)，將箱壁沿中心軸線分開，(根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)可分為2層、3層甚至4層) 從軸承孔內(nèi)向外鉆可控深度的盲孔，之后再通過鉆橫孔與其連通；

3）轉(zhuǎn)向供油方式：是前兩種方式的復(fù)合形式，往往布置在較特殊的部位，一般的形式是注油孔沿徑向布置，而進(jìn)入滾動(dòng)體內(nèi)的潤(rùn)滑油沿軸向流動(dòng)，對(duì)于貫穿和不貫穿箱壁的軸上軸承均可以采用此種方式。

2 潤(rùn)滑方式和供油機(jī)構(gòu)

在確定了軸承的組合形式后，如何將強(qiáng)制潤(rùn)滑的油路引至每個(gè)軸承點(diǎn)是箱體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于齒輪分配箱是由減速箱、模塊箱、分配箱及模塊箱內(nèi)的中部支架所組成，作為支撐軸承的箱壁就不僅只有前后2排，而是如下圖2所示有5排。

圖2 齒輪箱橫斷面圖

綜合分析5排箱壁上軸承孔的布置情況，因軸承孔較多、箱壁較高、空間較緊湊而不易直接設(shè)置注油通道的部位處在前部箱壁和中前部箱壁。結(jié)合供油的3種類型，專門設(shè)計(jì)了稱為“油路夾層板”式的潤(rùn)滑供油機(jī)構(gòu)。

油路夾層板式機(jī)構(gòu)是在箱壁的一側(cè)附加另一塊板，在該板與箱壁的接合面上開有對(duì)應(yīng)各軸承孔的油槽，油路夾層板上的油槽將供油通道引至箱壁的上部，而從箱壁的上部另外再鉆出連通盲孔并與油槽相連通，從而構(gòu)成完整的潤(rùn)滑供油通道。油路夾層板與分配齒輪軸端上的推力球軸承從兩面夾住箱壁。從上方注入的潤(rùn)滑油經(jīng)油封的阻擋繼而轉(zhuǎn)向沿軸向從滾針軸承的一端進(jìn)入，自另一端經(jīng)過推力球軸承后流出，形成轉(zhuǎn)向供油潤(rùn)滑方式。其原理如圖3所示。

圖3 油路夾層板結(jié)構(gòu)圖

注：當(dāng)分配齒輪軸上的斜齒輪所產(chǎn)生的軸向力頂向某一端推力球軸承時(shí)，此端的推力球軸承和箱壁便會(huì)壓緊互無間隙，從滾針軸承流過的潤(rùn)滑油必然要經(jīng)過該推力球軸承的座圈與軸的環(huán)形間隙流至滾動(dòng)體上潤(rùn)滑后再流出。而另一端的推力球軸承由于不受軸向力作用，其與箱壁之間會(huì)處于分離或臨界狀態(tài)，從此處滾針軸承流過的潤(rùn)滑油可以從推力球軸承與箱壁之間的微小縫隙流出，或是經(jīng)推力球軸承的座圈與軸的環(huán)形間隙流至滾動(dòng)體上潤(rùn)滑后再流出。由于此處的推力球軸承不受軸向力作用，因此，在此部位可以不用連續(xù)潤(rùn)滑。

3 特點(diǎn)和工藝性

采用“油路夾層板”式轉(zhuǎn)向供油方式帶來了如下的便利：

1）在箱壁上附帶油路夾層板的結(jié)構(gòu)雖然增加了一定的加工量，但是卻將鉆細(xì)長(zhǎng)注油孔的較難度加工轉(zhuǎn)變?yōu)殂婇L(zhǎng)注油槽的簡(jiǎn)單加工，由于注油槽的長(zhǎng)度不受加工方式的限制，因此，不論是處在箱壁中部還是處在邊緣的軸承孔的注油通道都能夠很簡(jiǎn)便地引至箱壁的頂部匯集；

2）附帶油路夾層板的結(jié)構(gòu)也使得各箱壁上的軸承孔群的加工變得簡(jiǎn)單了，由于不帶油路夾層板的單一箱壁上的軸承孔需要作成臺(tái)階孔，這使得加工難度增加。而附帶油路夾層板后，箱壁上的這些軸承孔可直接加工成通孔，擋住軸承的臺(tái)階可在油路夾層板上構(gòu)成；

3）油路夾層板的可拆卸結(jié)構(gòu)為注油通道堵塞、污染后的清洗帶來方便。當(dāng)然，油路夾層板與箱壁的接合面上需要密集的螺釘，在裝配時(shí)在接合面上還要求涂抹密封膠，特別是油路夾層板周邊的密封格外重要。(局部油槽和油槽之間的縫隙串流屬于內(nèi)部泄漏，并不影響油路夾層板整體的密封性)

4）直接利用滾針軸承外圈上的油孔和環(huán)形油槽進(jìn)行徑向供油，受到油孔小和環(huán)形油槽淺所形成的謎宮條件限制，供油的壓力要提高、而流量卻有限。另外，滾針軸承外圈上的小孔一旦堵塞，會(huì)對(duì)軸承潤(rùn)滑帶來嚴(yán)重后果。而采用油路夾層板后，潤(rùn)滑油所通過路徑簡(jiǎn)單、方式直接、潤(rùn)滑效果一步到位。油路夾層板的外形如圖4所示。

圖4 油路夾層析外形圖