精軋機(jī)組同步齒輪箱改造

余新望

武漢鋼鐵集團(tuán)鄂城鋼鐵公司 湖北鄂州市

1.概述

鄂鋼高線廠于2000年9月建成投產(chǎn)，采用當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的工藝裝備技術(shù)，其中關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備如精軋機(jī)組、吐絲機(jī)等引進(jìn)英國(guó)阿希洛技術(shù)，設(shè)計(jì)速度110m/s，保證速度90m/s，精軋機(jī)組某些部件轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min以上。

精軋機(jī)組同步齒輪箱承擔(dān)精軋機(jī)組的所有負(fù)載。在2002年到2007年間發(fā)生多起軸承燒損故障，其中2004年、2006年每年檢修約耗時(shí)120h，嚴(yán)重制約高線廠的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)。為此，決定利用2007年中修對(duì)精軋機(jī)組進(jìn)行改造，徹底解決問題。

在同步齒輪箱維修過程中，發(fā)現(xiàn)箱體高度相差1mm左右，而根據(jù)外方的箱體圖紙要求其平面度誤差<0.01mm，因此，在工作過程中，箱體變形嚴(yán)重使其運(yùn)行精度大大降低，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生非常大的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響軸承的使用壽命。從如下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：（1）求出箱體所受的力，校核軸承壽命；（2）在采用座漿法安裝情況下，校核液壓扭矩扳手產(chǎn)生的垂直向下的力是否使箱體變形；（3）校核軸承在最大負(fù)載時(shí)，潤(rùn)滑油是否充足。

2.改造設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用 1～7 編號(hào)齒輪和軸，即齒輪 1、2、3、4、5、6、7；軸 1、2、3、4、5、6、7，其中軸 1、7 輸入軸，輸入功率 P=2×1200kW，轉(zhuǎn)速n=700/1400r/min；軸2、6輸出軸，n6=3343r/min，n2=2711r/min。

由設(shè)計(jì)可知，齒輪3、4、5和軸3、4、5起到調(diào)向和聯(lián)動(dòng)作用，對(duì)箱體作用力較小（故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置1條肋板），而輸入輸出軸對(duì)箱體作用力較大（故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置3塊肋板）。輸入輸出軸由于被動(dòng)軸和齒輪的差別，軸1、2對(duì)箱體的作用較大。根據(jù)最大力原則，只計(jì)算軸1、2對(duì)箱體的作用力及箱體變形，即可滿足要求。

被動(dòng)軸：d2=387.69mm，m2=127kg（左旋），軸 m2=94kg；主動(dòng)軸：d1=750.77mm，m1=520kg（右旋），軸 m1=148.4kg；α=20°，β=12.8387°。

（1）求解作用在箱壁上的力。箱壁前后支點(diǎn)反力相同，前后箱壁所受外力相等。

齒輪上的受力如圖1所示：

圖1 齒輪、軸受力圖

由徑向力引起的水平反力Fr1x=32.63/2=16.3kN

由軸向力引起的水平反力

所以齒輪1和軸1所受水平力為：

對(duì)應(yīng)的箱壁受力如圖2所示。

（2）校核輸入軸軸承的設(shè)計(jì)壽命是否滿足使用要求。在校核箱體剛度和潤(rùn)滑油是否滿足要求時(shí)，選取電機(jī)功率最大，轉(zhuǎn)速最低時(shí)的轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行計(jì)算；進(jìn)行軸承壽命校核時(shí)，按照日常實(shí)際工作中實(shí)際最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。

圖2 箱體受力圖

實(shí)際應(yīng)用的當(dāng)量動(dòng)負(fù)載：

由上述計(jì)算可知，軸承壽命在實(shí)際最大負(fù)載作用下壽命可達(dá)到7.7年左右，而根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格的不同，精軋機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩也是不同，軸承的負(fù)載還會(huì)不斷變小，軸承的壽命還將延長(zhǎng)。因此軸承的設(shè)計(jì)壽命能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，軸承的選型沒有問題。

（3）校核安裝時(shí)箱體底部的變形力。由于在同步箱安裝過程中沒有安裝設(shè)備底座，而是直接將箱體安裝在水泥基礎(chǔ)的墊鐵上，在安裝過程中很容易造成某一塊或幾塊墊鐵與箱體底部接觸不實(shí)，在此情況下，求出使箱體變形最小力[Fz]，與安裝時(shí)使用的液壓扭矩扳手所產(chǎn)生的向下的力N進(jìn)行比較（圖3），簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁的情況計(jì)算。

對(duì)于碳鋼，彈性模量 E=2×1011，截面慣性矩 I=30.16×10-6m4，則使箱體變形的最小力[Fz]=251.333kN，實(shí)際使用的液壓扭矩扳手產(chǎn)生的向下力為N=264.86kN，N>[Fz]，因此在此種情況下箱體容易變形。由上述計(jì)算可知，箱體的變形主要是由安裝原因引起的。

（4）校核軸承潤(rùn)滑油是否充足。噴嘴面積S=3.9mm2，設(shè)計(jì)要求噴嘴孔為 Φ5mm， 所 以 S實(shí)=19.625mm2，故 S實(shí)＞S，即油量充足。

由上述計(jì)算可知，箱體軸承故障的發(fā)生主要是由于在安裝時(shí)采用座漿法安裝，沒有設(shè)計(jì)設(shè)備底座，直接將箱體安裝在墊板上，當(dāng)二次灌漿層中有空隙時(shí)在液壓扭矩扳手正常工作的壓力下，使箱體逐步變形，從而使軸承孔所需的同軸度喪失，引起較大的邊緣負(fù)載，使軸承壽命大大降低。因此，改造措施是給箱體增加一個(gè)剛性大底座，改變其地基上的安裝方式，從而增加箱體的整體垂向剛度。

圖3 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

3.同步箱設(shè)備底座設(shè)計(jì)與施工

底座設(shè)計(jì)如圖4所示，由于箱體結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)條型，在縱向容易變形；輸入輸出軸承載了大部分的傳動(dòng)負(fù)載，在箱體的相應(yīng)部位的負(fù)載也應(yīng)最大，因此在底座設(shè)計(jì)時(shí)在其相應(yīng)的位置設(shè)計(jì)了肋板，增加剛度，并增加底座與水泥基礎(chǔ)的附著力。

基礎(chǔ)沒有考慮安裝底座，水泥基礎(chǔ)沒有安裝底座的位置，必須對(duì)原基礎(chǔ)作進(jìn)一步的處理，打掉一部分水泥基礎(chǔ)，按照安裝高度安裝完底座和箱體以后，在底座與基礎(chǔ)之間再進(jìn)行二次澆灌。在二次澆灌時(shí)必須保證澆灌空間沒有空氣，這樣可以保證底座與水泥基礎(chǔ)牢固結(jié)合，以保證底座的穩(wěn)定性。

圖4 設(shè)備底座

4.改造效果

通過以上改造，高線廠同步齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)、噪聲比改造前大幅降低，其輸出軸垂向振動(dòng)均方根速度值由3.8mm/s降低到2.5mm/s，自2007年9月改造以后一直使用正常，改造取得較好效果。