高爐水冷傾動齒輪箱偏載分析

余延旺，代霈崧

(武漢理工大學 機電工程學院 ，湖北 武漢 430070)

高爐水冷傾動齒輪箱偏載分析

余延旺，代霈崧

(武漢理工大學 機電工程學院 ，湖北 武漢 430070)

基于三維設計軟件Pro/E建立水冷傾動齒輪箱模型，通過機械動力學仿真軟件ADAMS建立虛擬樣機，模擬樣機在正常傾動和偏載時輪齒嚙合力變化。研究得出，傾動狀態時，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪嚙合力最大，蝸桿上部小齒輪與大齒輪嚙合時存在較大的震動沖擊，而在偏載時，一側輪齒的嚙合力會增大，但溜槽保持正常的傾動速度。

高爐；傾動齒輪箱；偏載；嚙合力

0 前言

高爐爐頂水冷齒輪箱作為無料鐘爐頂布料的核心控制部件，對鋼鐵的冶煉起著至關重要的作用。水冷齒輪箱分為上部齒輪箱和下部齒輪箱，下部齒輪箱又稱為水冷傳動齒輪箱，上下齒輪箱分別控制布料溜槽旋轉和傾動。劉豐偉、徐名濤等人對水冷齒輪箱的動力學特性做了比較系統的研究，并指出水冷齒輪箱布料溜槽在高速旋轉和低速旋轉時溜槽外圈齒輪所受嚙合力相對較小，然而當溜槽傾動運動時，溜槽外圈所受的嚙合力變大，最大值是溜槽旋轉運動時溜槽外圈齒輪所受嚙合力的兩倍，說明布料器在溜槽傾動時很不穩定[1]。

當前我國的特大型高爐中無料鐘爐頂的使用已成為一種趨勢，但是無料鐘依賴國外盧森堡公司進口，長期以來形成技術壟斷，導致高爐的維修成本一直居高不下。

2005年8月，武鋼5號高爐傾動齒輪箱發生故障，蝸桿軸承外套轉動將壓蓋磨損，蝸輪齒單面被磨掉5mm；2012年1月，1號高爐齒輪箱布料溜槽與傾動機箱連接的耳子斷裂，溜槽傾動左右傾動機箱受力不均衡，致使傳動齒輪負荷增大，傾動電流增大[2]。

在Pro/E建立起整體傾動齒輪箱三維模型的前提下，將Pro/E三維模型導入ADAMS中建立虛擬樣機，從理論上探討布料溜槽傳動裝置偏載時的載荷變化，對于使用和掌握該齒輪箱以及將來的進一步發展該項技術，改進傳動和控制系統有著重要意義。

1 水冷傾動齒輪箱偏載綜述

水冷齒輪箱傳動系統原理圖如圖1所示，三維模型圖如圖2a所示。下部傾動機箱是由小齒輪Z14、蝸桿Z15、蝸輪Z16、蝸輪齒輪軸Z17、扇形齒輪Z18和傾動軸組成。小齒輪Z14與大齒輪Z13嚙合，再通過蝸輪蝸桿把動力傳到扇形齒輪，傾動機箱終端是與溜槽相連的一根傾動耳軸，傾動耳軸傳遞扭矩并帶動溜槽傾動。如圖2b所示。

圖1 水冷齒輪箱傳動系統原理圖Fig.1 Principle diagram of transmission system for water-cooled gearbox

圖2 水冷齒輪箱模型Fig.2 water-cooled gearbox model

齒輪箱傾動角度定位的精確度直接關系到高爐布料及上部調劑的準確性和有效性，關系到高爐生產的穩定運行和爐況維護，如果傾動角度過大，會造成高爐布料偏析，爐溫異常和爐況失常，嚴重的甚至會引發管道、懸料、爐涼乃至爐缸凍結等惡性事故[3]。高爐傾動齒輪箱分為左傾動和右傾動，是一個中心對稱的傳動機構，左右傾動共同運作來調節溜槽傾動速度和角度，當齒輪箱發生偏載時，必定會對溜槽正常運作造成一定的影響。引起齒輪箱偏載的因素很多，水冷齒輪箱在高爐爐頂不便安裝，在安裝過程中易存在較大安裝誤差，或輪齒間長期磨損，齒側間隙增大，震動沖擊加大都會導致左右傾動不對稱從而引起偏載。另一方面，爐料在爐面上的下落軌跡是隨機的，對溜槽存在非對稱沖擊載荷。

在國內外，幾乎沒有對高爐爐頂傾動齒輪箱的偏載研究，對下部水冷傳動齒輪箱的研究主要集中在對溜槽布料傾角的研究，比如利用無抱閘電機和變頻調速裝置來實現對傾角的精準控制[4-5]。而國外學者建立溜槽三維模型，分析爐料軌跡和在溜槽的受力，再通過函數關系建立方程來探索爐料材料和大小對溜槽傾角的影響[6]。

2 建立傾動裝置虛擬樣機

2.1 建模導入

利用Pro/E軟件良好的建模功能，建立參數化建模建立齒輪箱三維模型，導出為Parasolid格式，生成一個后綴名為.x_t格式的文件，然后導入到多體動力學軟件ADAMS中，進行運動學和動力學分析。

為了提高ADAMS仿真效率，通常在簡化模型后導入。由于水冷齒輪箱結構復雜，導入后約束設置過于繁瑣，仿真時間長，效果不佳，故本文在不影響傳動性能和效率的前提下，只把水冷齒輪箱下部溜槽和傾動部件模型導入，并把固定使用的螺栓和螺孔省去。導入后的模型如圖3所示。

圖3 虛擬樣機仿真模型Fig.3 Virtual prototyping simulation model

2.2 碰撞力參數選擇

在ADAMS中，有兩種計算接觸力的方法，一種是補償法(Restitution)；另外一種是沖擊函數法(Impact)，一般使用沖擊函數法求解兩構件之間的接觸力[7]。

ADAMS 軟件中碰撞力定義為

MAX{0,K(q0-q) e-C*dq/dt}*

STEP(q,q0-d,1,q0,0)

其中，q0為兩物體間初始距離；q為兩物體間碰撞過程中的實際距離；q0-q即變形量D，當q>q0時,即兩物體不發生接觸，其碰撞力值為零，當q≤q0時,表示兩物體發生碰撞，其碰撞力大小與剛度系數K、變形量q0-q、碰撞力指數項e、阻尼系數C和阻尼完全作用時變形距離d有關。根據Hertz彈性撞擊理論,在撞擊過程中力的變化主要由彈簧控制,即按準靜態方式變化，并且由阻尼器所吸收的能量將是撞擊總能量的很小一部分，所以在仿真計算中將阻尼力項中的阻尼系數C取值一般較小。

根據Hertz 碰撞理論, 考慮接觸面積為圓形時為

(1)

由此式可得撞擊時接觸法向力P和變形δ關系為

式中，K取決于撞擊物體材料和結構形狀。

(2)

式中，R1、R2分別為接觸物體在接觸點的接觸半徑；μ1,μ2分別為兩接觸物體材料的泊松比；E1,E2為兩接觸物體材料的彈性模量。

根據齒輪的材料，確定其彈性模量、泊松比見表1。

表1 輪齒材料性能參數

根據表1，確定選取的參數數值為

K=9.1E+005N/mm

d=0.1mm

C=50 N·S/mm

考慮碰撞時摩擦，齒輪間采用了潤滑處理，取靜摩擦系數為μ1=0.08，動摩擦系數μ2=0.05,根據經驗，取指數e=2.2。

2.3 設置約束和載荷

模型導入ADAMS后，裝配關系會失效，在簡化模型后，需要對各零件重新添加約束。ADAMS功能列表中提供多種約束，除了對零件添加3D接觸碰撞力和整體載荷外，仿真要用到的機械約束有固定副和旋轉副。

(1)添加固定副。在分析傾動時，由于溜槽不旋轉，故可以把上回轉齒圈Z10和下部的回轉體與大地用固定副連接。 左右傾動小齒輪Z14與蝸桿Z15添加固定副。

(2)添加旋轉副。分別與大地之間添加的旋轉副：左右傾動中Z14與Z15整體、蝸輪和扇形齒輪。

(3)設置載荷。考慮溜槽和爐料的重量，在溜槽中心處設置一個豎直向下的力，大小恒定為45 kN[1]。

3 正常運作時仿真分析

根據高爐正常傾動時電機轉速，在Z12處添加模型輸入驅動為34.4d·t，即恒定轉速34.3°/s。仿真時間t設定為3 s，步數step設置為200。仿真結果如圖4所示。

圖4 傾動裝置正常工作仿真時域圖Fig.4 Time-domain simulation of tilting device normal working

根據仿真結果可看出，在電機啟動一瞬間，輪齒間存在瞬間沖擊，嚙合力均達到穩定后均值的兩倍左右。輪齒間的嚙合力在一均值附近周期性、無衰減的上下波動，波動周期和幅度(即齒輪傳動中的動載荷)都表現為一個穩定的循環值，表明漸開線輪齒在嚙合中存在沖擊振動。Z13和Z14嚙合穩定時振幅最大，說明存在較大的震動沖擊；Z17與Z18嚙合力最大。由圖4d看出，傾動布料時，溜槽角速度在電機啟動時，迅速達到最大值11.47°/s，之后快速下降，最終穩定在1.309°/s左右，與理論值1.302°/s基本一致，表明樣機的建模和各項參數設置的比較合理，仿真結果具有一定的可信度。

4 左右傾動偏載仿真分析

在實際生產作業中，由于安裝誤差，齒輪箱左右傾動受力必然不是完全一樣的，或多或少存在偏載現象，偏載現象使連接溜槽和傾動齒輪箱的耳子負載加大，嚴重時甚至會折斷，影響高爐生產正常運行。

正常狀態下，水冷齒輪箱施加的負載為溜槽上自身的重力和爐料沖擊載荷,取兩者總載荷為G=45 kN[1]。布料過程中，隨著布料傾角和溜槽內料重的不斷變化，考慮到耳軸處于最危險的工作狀態即布料溜槽傾動角度達到最大53°[8]，又知溜槽與爐料的重心到耳軸的距離為L=2.125m，等同于左右傾動施加的扭矩T為

T=G·Lsin53°=7.65E+004 N/m

(3)

而在偏載狀態下，只需在左右傾動上施加大小不同的扭矩即可。故在偏載仿真時，作如下設置：左傾動上施加負載扭矩T1=4E+007 N/mm，右傾動施加負載扭矩T2=3.65E+007 N/mm。左右傾動仿真結果如圖5所示。

仿真結果可看出：偏載時由于左右傾動負載大小不同，左傾動輪齒嚙合力比常態時稍大，而右傾動嚙合力明顯減小。而溜槽角速度穩定后在一均值上下波動，與理論值比較變化不大，能正常進行布料工作。表2為常態和偏載下嚙合力值和溜槽角速度穩定時均值比較。

表2 常態和偏載下嚙合力、角速度均值比較

圖5 傾動裝置偏載仿真時域圖Fig.5 Time-domain simulation of tilting device unbalance loading

5 結論

通過ADAMS多體動力學軟件建立水冷齒輪箱虛擬樣機模型，著重分析了傾動裝置正常傾動和偏載時輪齒嚙合力變化。在布料方式為傾動狀態時，扇形齒輪和與之嚙合的小齒輪嚙合力最大，達到94.5 kN，偏載時更大；蝸桿上部小齒輪與大齒輪嚙合時存在較大的震動沖擊。而在偏載時，左右輪齒的嚙合力也隨之增大和減小，但溜槽保持正常的傾動，長期偏載，可能會導致傾動齒輪箱發生故障影響高爐正常作業。因此在實際生產中，要加強傾動齒輪箱的監測和維護保養，盡可能減少故障的發生頻率。

[1] 劉豐偉,徐名濤.高爐爐頂水冷齒輪箱虛擬樣機及力學特征分析[J].機械傳動，2015,39(3):129-136.

[2] 沈文衛,陳征宇.高爐爐頂水冷齒輪箱原理及故障分析[J].山西冶金，2014(1).

[3] 余少華,羅治平,丁宇.能耗制動在高爐爐頂傾動角度定位中的應用 [A].2014全國中小高爐煉鐵學術年會論文集[C].烏魯木齊：中國金屬學會煉鐵分會，2014

[4] 焦國宣.變頻調速裝置在攀鋼四號高爐布料溜槽傾動控制中的應用實踐[J].儀表儀器用戶，2004(5).

[5] 陳明,王文為,李暉實,等.高爐布料溜槽傾動無抱閘電機的精確控制[J].自動化技術與應用，2009(7).

[6] S. Nag and V. M. Koranne.Development of material trajectory simulation model for blast furnace compact bell-less top[J].Ironmaking and Steelmaking,2009,36:371-377.

[7] 趙三明,韓振南.基于虛擬樣機技術的風電齒輪箱動力學分析[J].機械傳動，2013,37(07):58-61.

[8] 吳昊.高爐無料鐘爐頂溜槽合適長度的研究[J].金屬材料與冶金工程，2015,43(1):31-36.

Analysis of unbalance loading of water-cooled tilting gearbox for blast furnace

YU Yan-wang，DAI Pei-song

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Aiming to simulate the change of engaging force of virtual prototype build by mechanical dynamics simulation software of ADAMS when it works in normal and unbalance loading, the model of water-cooled tilting is established based on the 3d design softsore of Pro/E. By means of ADAMS, the maximum engaging force occur in the sector gear and the small gear meshed with it, and there is some violent vibration impact between the small located in the upper of the worm and the big gear. The one side of meshing force increased when apply unbalance loading, but the chute keep the normal tilting velocity.

blast furnace；tilting gearbox；unbalance loading；meshing force

2016-03-16；

2016-04-08

余延旺(1992-)，男，湖北武漢市人，漢族，碩士研究生,主要研究方向：齒輪傳動、機械設備運行監測。

TF321.4

A

1001-196X(2016)06-0070-05