200/75 t橋式起重機主起升齒輪聯軸器的優化改造郭峰明

摘要：二煉鋼120 t轉爐加料跨200/75 t冶金橋式起重機為吊運高爐鐵水，傾倒進轉爐進行冶煉，屬于轉爐煉鋼的重要生產設備，從2010年投產以來，主起升機構的制動輪齒輪聯軸器故障率較高，檢修協調時間長，嚴重影響二煉鋼轉爐的正常生產節奏。文章通過對齒聯軸器結構形式進行重新設計、優化，達到提高設備使用壽命，降低維修成本，確保設備穩定運行的目的。

關鍵詞：橋式起重機；齒輪聯軸器；結構優化；扭矩；潤滑

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）21-0083-01

1設備現狀

二煉鋼轉爐加料跨200/75 t冶金橋式起重機主起升機構電機輸出端與減速機輸入端之間是通過兩套帶雙制動輪的半齒聯軸器進行聯接。該起重機2010年3月投入使用，隨著設備運行時間的延長，主起升機構聯軸器發生的故障較多。通過拆檢發現由于密封性不好，聯軸器內潤滑脂較少，內、外齒圈磨損較為嚴重，且傳動軸帶動外齒圈的軸向竄動，有時還會把內齒圈軸端卡環竄掉，如處理不及時容易造成設備的安全事故，因此，需對現有的齒輪聯軸器進行結構優化改造，提高齒輪聯軸器的使用壽命。

2主起升齒輪聯軸器改進措施

2.1增大外齒圈的齒寬

由于齒輪聯軸器傳遞的扭矩由齒面比壓強度決定，在一個齒上受到的最大圓周力P按下式計算：

P=kN（1）

式中M為齒輪聯軸器傳遞的最大扭矩，kN·m；a為載荷不均勻系數，可取a=0.8；β為承載能力系數，與轉速和軸線傾角有關，對于直齒齒輪聯軸器可取β=0.75；Z為齒數；d為分度圓直徑，m；齒面的比壓：

P=≤[P]kN/m2（2）

式中A為與受力方向垂直的齒面投影面積，因內齒的齒高為1.8 m，故

A=1.8 mb，m2（3）

其中：m為模數，m；b為工作齒寬，m。

[P]為許用壓應力。當齒面淬火，硬度≥300 HB時，[P]=

25 000~30 000；當齒面預熱處理時，[P]=15 000~20 000，把式（1）、式（3）代入式（2），進行簡化后，得齒輪聯軸器傳遞的最大扭矩為：

M=cbd2kN/m2（4）

式（4）中，C為系數（齒面預熱處理時取=11 000 kN/m2；齒面淬火，且硬度≥300 HB時，取C=13 500 kN/m2）。

200/75 t行車主起升齒輪聯軸器現有外齒圈結構形式見圖2的齒寬度為35 mm，內齒圈的寬度為45 mm，因此當模數、齒數不變時，根據式（4），可以通過增大外齒圈的齒寬，達到增大齒輪聯軸器最大扭矩的目的，從而提高聯軸器的使用壽命。

考慮到與轉爐鋼水接受跨225 t行車主起升齒輪聯軸器的互換性及備件統一的因素，可以把外齒圈的結構形式做成與225 t行車主起升齒輪聯軸器的外齒圈一樣，齒寬改為55 mm，改造后結構形式。

2.2改變內齒圈端面的密封形式

原有的聯軸器裝配，內齒圈端面的密封僅靠孔用卡環來固定內齒圈上的擋環，當傳動軸高速轉動時，會帶動外齒圈產生軸向竄動，其竄動力容易把卡環頂出槽，導致聯軸器密封失效，潤滑油脂被甩出，最終造成潤滑不到位，加速了齒輪的磨損。而且由于傳動軸頻繁的竄動，會使內外齒的有效嚙合寬度減少，加劇了內外齒的局部磨損。因此，需改變內齒圈端面的密封形式。

經過重新設計，在外齒圈端面攻8個M8的螺紋孔，采用法蘭蓋密封，通過螺栓固定來壓緊骨架油封，可以有效的防止因傳動軸竄動而導致聯軸器的密封失效。改造后內齒圈如圖1所示。

2.3改善齒輪聯軸器的潤滑狀態

良好的潤滑是齒輪聯軸器安全可靠運行的必要保證，也是延緩磨損，提高齒輪聯軸器使用壽命的重要途徑。從齒的磨損來考慮，采用高粘度的潤滑油比采用潤滑脂好，但目前齒輪聯軸器上使用潤滑脂的趨多。

潤滑脂的工作原理是通過聯軸器旋轉時離心力的作用，被送往內腔的外側，在嚙合部位形成油楔，防止齒面磨損。

目前200/75 t橋式起重機上的齒輪聯軸器所使用的是YP 70192#極壓高溫潤滑脂，由于基礎潤滑油粘度低，導致齒輪聯軸器的潤滑效果較差。因此，聯軸器潤滑脂需使用高粘度的潤滑油，改為二硫化鉬鋰基脂（L-XBCBA13#），可以保證潤滑充分。

2.4改善齒輪聯軸器的材質

接觸應力決定齒輪聯軸器的承載能力，而齒面硬度是決定許用接觸應力的主要因素，提高齒面硬度有利于提高其使用壽命，因此材質的選擇和熱處理是提高齒面硬度的先決條件。

原有的齒輪聯軸器外齒圈所用材質為45#鋼，齒面淬火HRC33~43，內齒圈所用材質為ZG45，齒面熱處理HRC33~43。

現用42CrMo鋼替代45#鋼，因為42CrMo鋼屬于高強度合金鋼，較45#鋼有更高的強度，淬透性也較好，調質處理后有較高的疲勞極限，低溫沖擊韌性良好。

綜合考慮內外齒的磨損速度，選取內齒圈的材質為ZG42

CrMo，齒面淬火處理至HRC35~40，外齒圈的材質為42CrMo，齒面淬火處理至HRC40~45。

2.5外齒圈采用鼓形齒

原設計為直齒齒輪聯軸器。它的主要缺點在于：聯軸器工作時，由于兩軸間的角位移，使得內齒圈與弧形齒套的齒不可避免地要出現棱角接觸。這將造成齒在棱角接觸部位很快磨損，而磨下的鐵屑又作為磨料進入齒面，在軸向位移的作用下，使齒沿整個齒寬方向發生全面磨損。

目前，國內在礦山、冶金等機械設備的機械傳動上廣泛地使用鼓形齒齒輪聯軸器，特別是在軋鋼、起重設備上。其特點是：

①由于兩端齒厚比中間小，可避免棱角接觸，它允許兩軸軸線的角位移為±1.5 #778;，甚至當角位移在2 #778;~3 #778;時也能可靠地工作，而直齒聯軸器一般情況下，容許的角位移為0.5 #778;。

②能承受重載及沖擊載荷。在相同的角位移情況下，比直齒聯軸器提高承載能力15%~20%。

③較直齒聯軸器有更高的效率，可達0.99。

3改造總體效益評價

①通過對齒輪聯軸器外齒圈、密封結構及材質的改進，提高了200/75 t橋式起重機主起升聯軸器的使用壽命。

②對聯軸器潤滑脂的重新選型，實現了原來3個月加一次油脂，提高到6個月加一次油脂，減少了維修人員的加油潤滑次數。

③在加工工藝允許的情況下，采用鼓形齒，可以改善接觸情況，提高聯軸器的承載能力。

經過結構形式等幾個方面的優化，轉爐加料跨200/75 t橋式起重機主起升機構的故障率有了明顯的降低，提高了起重機械的穩定性和可靠性。3#、4#及5#車通過改造從2013年6月使用至今未出現過故障，達到了降本增效的目的。

參考文獻：

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[2] 《齒輪手冊》編委會.齒輪手冊（上冊）[M].北京:機械工業出版社，1990.