齒條式上料推鋼機的設(shè)計開發(fā)

李永峰（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

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齒條式上料推鋼機的設(shè)計開發(fā)

李永峰
（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

摘要：為滿足鋼坯加熱工藝要求，根據(jù)單根坯料的體積、推鋼速度及滿負荷水平推力要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，設(shè)計開發(fā)了齒條式上料推鋼機。重點介紹了齒條傳動機構(gòu)參數(shù)的設(shè)計校核以及零件的設(shè)計制造。齒條式傳動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動比準確、可靠，傳動效率高、壽命長、布局緊湊等特點，應(yīng)用表明，該推鋼機運行平穩(wěn)，滿足了鋼坯上料要求，綜合維護、運行成本消耗量降低40%以上。

關(guān)鍵詞：推鋼機；傳動機構(gòu)；齒條傳動；參數(shù)設(shè)計；零件制造

1　前言

山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹脂錨桿鋼筋為主要產(chǎn)品的棒材生產(chǎn)線。在生產(chǎn)過程中，需要頻繁的使用行車將鋼坯吊運到加熱爐上料輸送輥道，配合加熱爐上料系統(tǒng)將鋼坯送入蓄熱式加熱爐進行工藝加熱。為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需求，最初引進了1臺45T雙推桿式液壓推鋼機，采用機、電、液一體化的液壓傳動機構(gòu)。液壓式推鋼機雖然承載能力大，操作自動化水平高，但存在整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場占用空間大、維護工作量大、運行成本高的缺點，不但需要配備完整的液壓泵站系統(tǒng)，一次性投資成本高，而且液壓傳動介質(zhì)對工況環(huán)境的要求較高（油品的清潔度NAS7級，油溫50℃以下），需配備專門的加熱及冷卻系統(tǒng)，耗電量及耗水量較高，維護程序復(fù)雜、繁瑣，工作量大。

齒條式傳動機構(gòu)具有傳動比精確、傳動效率高、承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長的特點，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間設(shè)計研發(fā)出了一款結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)可靠、壽命長、操作維護方便的齒條式上料推鋼機。

2　齒條式上料推鋼機結(jié)構(gòu)簡介

齒條式上料推鋼機由原動機、傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)3部分組合而成。原動機采用YZR250M-8 37 kW電機，其具備過載能力大、機械強度高的顯著特點，特別適用于像加熱爐推鋼機這種工況惡劣、短時連續(xù)運轉(zhuǎn)、啟動制動頻繁、有過載負荷及顯著沖擊振動的場合。

傳動機構(gòu)選用標準軟齒面二級嚙合減速機ZQ650-2-40.17傳遞運動和扭矩。此種兩級展開式圓柱齒輪減速機通用性強、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，輸出軸具有較大強度與剛度，易于跑和，傳動平穩(wěn)性好。

執(zhí)行機構(gòu)采用齒輪—齒條嚙合傳動的結(jié)構(gòu)形式，通過一個主動小齒輪與被動長齒條的外嚙合來傳遞運動及扭矩。此種機構(gòu)相對簡單、可靠，齒條壽命長，應(yīng)用區(qū)域廣泛，可方便地將齒輪的徑向圓周運動轉(zhuǎn)化為齒條的縱向進給直線運動，并傳遞水平切向力。齒條式上料推鋼機運動結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　齒條式上料推鋼機運動結(jié)構(gòu)

3　齒條傳動機構(gòu)參數(shù)設(shè)計及校核

3.1滑動摩擦力的計算

單根鋼坯的橫截面尺寸為150 mm×150 mm，長度3 000 mm，單根坯料的體積為6.75×10-2m3；單根坯料質(zhì)量為526.5 kg。考慮到現(xiàn)場行車的實際上料能力及滑軌設(shè)計的有效工作行程，要求上料推鋼機在最大滿負荷工作狀態(tài)下必須提供足夠大的水平推力，同時推動40根（150×150×3 000）的熱鋼坯，以0.25 m/s的滑移速度在滑軌上移動。熱鋼在金屬上的滑動摩擦系數(shù)［1］為0.4～0.6，取中間值（0.5）計算滑動摩擦力。則推鋼機在滿負荷工作狀態(tài)下所需要提供的推力（即鋼坯在鋼軌上的滑動摩擦力）為103.2 kN（0.5×526.5×9.8×40）。

3.2電機輸出功率的計算

由推鋼機輸出的水平推力與切線速度可知，推鋼機所需輸出的名義功率Ps［2］為：

（103.2 kW×0.25 m/s）/1 000=25.8（kW）。

整個傳動機構(gòu)由1臺雙級圓柱齒輪減速機、2個鼓型齒聯(lián)軸器、1對齒輪齒條嚙合傳動、2對滑動軸承和1臺電機組合而成，傳動機構(gòu)總的機械效率η［1］：

η=η1η22η3η42=0.95×0.992×0.94×0.942=77.3%，則由電機傳輸給傳動機構(gòu)的功率Pr［2］為：

Pr=Ps/η=33.38（kW）。

因此，動力源選用YZR250M2-8型電機［3］，額定功率37 kW（＞33.38 kW），額定轉(zhuǎn)速n為720 r/min，執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計選用標準二級嚙合減速機ZQ650-2-40.17，速比i為40.17。

3.3減速機輸出軸轉(zhuǎn)速及扭矩的計算

減速機輸出軸的轉(zhuǎn)速n1：

n1=n/i=720/4017=17.92（r/min）；

減速機輸出軸角速度ω：

ω=n1π/30=1.88（rad/s）；

減速機輸出軸的功率（即主動小齒輪的輸入功率）［3］P1：

P1=Prη22η1=33.38×0.992×0.95=31.08（kW）。

則減速機輸出軸的扭矩（即主動小齒輪所傳遞的扭矩）［3］：

T1=9.55×106×P1/n1=16.56×106（N·mm）。

3.4主動小齒輪模數(shù)及齒數(shù)的設(shè)計

由于本設(shè)計采用的是開式漸開線齒輪的嚙合接觸，因此輪齒的齒根彎曲疲勞斷裂及齒面磨損是其主要失效形式。初始設(shè)計先按彎曲疲勞強度設(shè)計輪齒的模數(shù)，并綜合考慮補償因磨損而造成的輪齒強度削弱，設(shè)計模數(shù)適當加大10%～15%［4］。

根據(jù)現(xiàn)場實際工況，齒條式上料推鋼機每天在線工作20 h，每年工作300 d，設(shè)計預(yù)期壽命10 a，因此實際工作時間為th=60 000 h。小齒輪的轉(zhuǎn)速（即減速機輸出軸的轉(zhuǎn)速）n1=17.92 r/min，齒輪單周期嚙合次數(shù)r=1，則主動小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)［2］：

N=60n1rth=6.45×107。

查圖表可知小齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)YN= 0.93，尺寸系數(shù)YX=0.94，選用高可靠度安全系數(shù)SF= 2。小齒輪材質(zhì)選用合金鋼鍛35CrMo，齒坯經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理（HBS 240～280）后7級精度切齒，齒面高頻感應(yīng)電流加熱淬火（HRC 45～50）。查表可知齒輪材料的彎曲疲勞強度極限σFlim=720 MPa。因此主動小齒輪的彎曲疲勞許用應(yīng)力［2］：

[σ]F=σFlimYNYX/SF=314.7（MPa）。

標準直齒輪的最少齒數(shù)不應(yīng)少于17齒。開式齒輪傳動為了使傳動節(jié)構(gòu)緊湊，避免傳動尺寸過大，齒輪的齒數(shù)不宜過多，一般取17～20齒。在本設(shè)計中，考慮到現(xiàn)場機加工及裝配的工藝性和經(jīng)濟性，并盡量縮小齒輪傳動機構(gòu)的幾何尺寸，減少安裝空間，同時避免齒根的根切，主動小齒輪選用Z1= 17齒。原動機采用電機驅(qū)動，載荷平穩(wěn)，選用使用系數(shù)KA=1，齒間載荷分配系數(shù)Kа=1.1（假設(shè)KAFt/b≥100 N/mm），由齒寬系數(shù)查齒向載荷分布系數(shù)Kβ= 1.08，初選動載系數(shù)Kv=1.1。

則載荷系數(shù)K=KAKVKβKα=1.31。由減速機的輸出扭矩（即小齒輪所傳遞的扭矩T1）、小齒輪齒數(shù)Z1查圖表可知，主動小齒輪齒頂?shù)凝X形系數(shù)YFa=2.98，齒根應(yīng)力修正系數(shù)Ysa=1.525，重合度系數(shù)Yε=0.67。為了降低齒向載荷分配的不均勻性，在不影響承載能力的情況下，齒輪的齒寬系數(shù)ψd可適當取小，并采用“分段式雙齒同軸”的優(yōu)化設(shè)計方案以增大承載能力。設(shè)計選用ψd=0.6［1］。

因此主動小齒輪的設(shè)計模數(shù)［2］：

考慮到齒面磨損及設(shè)計安全系數(shù)較高（SF=2），設(shè)計選用主動小齒輪模數(shù)m=14。

由以上計算分析可得出主動小齒輪的5大端面參數(shù)：齒數(shù)17，模數(shù)14，分度圓壓力角20°，齒頂高系數(shù)1，頂隙系數(shù)0.25。

4　零件設(shè)計及制造

4.1主動小齒輪軸

由于主動小齒輪選用的齒數(shù)較少（17齒），小齒輪基圓直徑較小，導(dǎo)致其漸開線的綜合曲率半徑較小，形狀比較彎曲，工作齒廓接觸面積小，齒面接觸應(yīng)力大，因此主動小齒輪所采用材質(zhì)的綜合力學(xué)性能必須要高于齒條，齒面硬度也要適當加大。考慮到現(xiàn)場機械加工和熱處理工藝性的要求，主動小齒輪選用綜合力學(xué)性能好、韌性好、耐沖擊的合金鋼鍛35CrMo材質(zhì)。齒坯經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理（HBS 240～280）后直接7級精度切齒，齒面淬火（HRC 45～50），最后磨齒處理，精度等級7-6-6，齒面粗糙度1.6［3］。由于小齒輪齒頂圓直徑較小，將齒輪設(shè)計成實心結(jié)構(gòu)，并將齒輪與軸用同一種材料制成“聯(lián)體結(jié)構(gòu)”雙齒對稱布置的齒輪軸。主動齒輪軸結(jié)構(gòu)見圖2。

4.2被動齒條

齒條相當于齒數(shù)無窮多的大齒輪，由于基圓半徑趨于無窮大，因此其漸開線齒廓也變成了兩條傾斜方向相反的斜直線，齒形設(shè)計相對簡單，機械加工的工藝性較好，容易加工制造，精度易保證。由于齒條齒廓工作段嚙合點的綜合曲率半徑大，接觸區(qū)域廣，齒面接觸應(yīng)力小，有利于提高其齒面的接觸疲勞強度，具有齒根齒厚大、抗彎性好、彎曲疲勞強度高的特點。為降低機加工成本，延長配對小齒輪的使用壽命，齒條材質(zhì)選用普通碳素鋼ZG310-570。齒條毛坯正火處理后8級精度切齒，機加工后表面火焰淬火熱處理（HRC 40～45），輪齒加工精度等級8-7-7，齒面粗糙度3.2。被動齒條零件圖如圖3所示。

圖2　主動齒輪軸結(jié)構(gòu)

圖3　被動齒條零件圖

4.3滑動軸承

主動小齒輪軸在與齒條嚙合的過程中承受過節(jié)點、垂直于水平速度方向并指向齒輪中心的徑向載荷。此徑向力作用于齒輪軸上，隨著水平輸出推力的增加而增大，并由主動齒輪軸兩側(cè)的軸承所承擔(dān)。綜合各方面的因素，軸承設(shè)計時選用了采用油脂潤滑的剖分式徑向滑動軸承。這種滑動軸承雖然徑向游隙較大，低速狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度不如滾動軸承，但軸承的徑向結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力大、軸向結(jié)構(gòu)緊湊、抗振性好、壽命長、裝配及拆卸方便、對環(huán)境要求的敏感性低，比較適宜于惡劣環(huán)境下的低速重載工況。為了便于現(xiàn)場拆裝與調(diào)整，與滑動軸承座相配的軸瓦也采用剖分式軸瓦結(jié)構(gòu)。考慮到滑動軸承的磨合性、順應(yīng)性、嵌藏性，本設(shè)計采用了低硬度、高塑性、小彈性模量的鉛青銅ZCuPb30材質(zhì)。滑動軸承裝配圖見圖4。

4.4平托輥

推鋼機滿載工作狀態(tài)下，齒條嚙合所受的徑向分力直接垂直作用在其下方的平托輥上，輥身與齒條下底面剛性緊密接觸的同時會承受較大的徑向壓力，單位面積接觸壓強高，極易使輥面產(chǎn)生塑性變形而影響到機構(gòu)運行的平穩(wěn)性。在齒條下方采用平托輥機構(gòu)既可以降低齒條水平運動的摩擦力，使滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，減少功率損耗，提高機構(gòu)的機械效率，又可以提高齒條的抗彎剛度，改善其傳動性能，延長使用壽命。為滿足上述要求，平托輥設(shè)計采用了整體框架式的上下插裝式結(jié)構(gòu)方案，機座采用整體式剖分設(shè)計，兩側(cè)的正方形凹形卡槽可在一次裝卡中完成定位加工，確保了機座孔的同心度及裝配同軸度，平托輥設(shè)計成軸承內(nèi)嵌式單元結(jié)構(gòu)，輥身、轉(zhuǎn)軸、軸承組合成整體的運動單元，由上方直接插入機座卡槽中，并用上壓蓋固定。采用這種設(shè)計方案，徑向結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場裝配、維修方便，機構(gòu)的整體剛性及安裝精度較高。平托輥裝配結(jié)構(gòu)見圖5。

圖4　滑動軸承裝配結(jié)構(gòu)

圖5　平托輥裝配結(jié)構(gòu)

5　結(jié)語

設(shè)計開發(fā)的齒條式推鋼機于2014年10月加熱爐年修改造時上線使用，1 a多來一直運行平穩(wěn)、可靠。相較現(xiàn)階段廣泛使用的液壓式推鋼機，采用齒條式傳動結(jié)構(gòu)的上料推鋼機，具有傳動比精確、傳動效率高、承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊簡單等特點，一次性投資建設(shè)費用較低，對現(xiàn)場惡劣工況環(huán)境適應(yīng)性好，其綜合服役壽命可延長30%，常規(guī)維護、運行成本消耗量降低40%以上，非常適用于中小規(guī)格棒線的加熱爐上料系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］東北大學(xué)機械零件設(shè)計手冊編寫組.機械零件設(shè)計手冊（上冊）［M］.3版.北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

［2］吳宗澤.機械設(shè)計［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1997.

［3］吳宗澤.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1999.

［4］張世民.機械原理［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1993.

Design and Development of Feeding Rack Type Pusher

LI Yongfeng
（The Bar Plant of Laiwu Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271200, China）

Abstrraacctt:: To meet the technical requirement of billet heating, based on the actual situation, the feeding rack type pusher was developed. According to the single billet volume, feeding speed and full load horizontal pushing force, this thesis mainly introduces design and check of rack gear unit parameter. The rack gear unit is of simple structure, accurate transmission ration, reliable, efficient, long life and compact. It’s shown by the application that the machine runs well and it can meet the feeding requirement. The comprehensive maintenance-running cost was reduced by more than 40%.

Key worrddss:: billet pusher; drive gear; rack and pinion; parameter design; part manufacturing

作者簡介：李永峰，男，1976年生，2000年畢業(yè)于山東廣播電視大學(xué)機械設(shè)計制造專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間設(shè)備組組長，工程師，從事設(shè)備管理維護工作。

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TG307

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0048-03