板材輥式矯直機主傳動齒輪箱的配置及優(yōu)化設計

李波

（太原重工齒輪傳動設計研究所， 山西　太原　030024）

板材輥式矯直機主傳動齒輪箱的配置及優(yōu)化設計

李波

（太原重工齒輪傳動設計研究所， 山西太原030024）

闡述了輥式矯直機的主傳動齒輪箱的配置方案，對幾種方案作了詳細的分析和說明，為主傳動方案的前期方案論證、方案選用及設計奠定基礎。以中厚板七輥熱矯直機主傳動齒輪箱的配置為例，比較不同配置設計方案的優(yōu)缺點，結合工廠生產和現場使用具體情況，選擇聯(lián)合齒輪箱配置方案作為主傳動的最終方案，按矯直工藝技術參數要求進行齒輪箱的詳細設計和結構優(yōu)化。對比分析表明，聯(lián)合齒輪箱的設計配置在經濟性、技術先進性、使用可靠性等方面更為優(yōu)越。

輥式矯直機主傳動配置齒輪箱優(yōu)化設計

板材輥式矯直機在矯直鋼板時，鋼板受矯直力和矯直力矩的影響產生塑性彎曲，不管其原始彎曲的程度有多大，在彈復后所殘留的彎曲程度差別會顯著減小，趨于一致。隨著壓彎程度的減小，其彈復后的殘留彎曲必然會趨于零值，達到鋼板矯直的目的[1]。為使電動機的輸入功率分配給每個工作輥，需對矯直機工作輥配置減速電機或齒輪箱。輥式矯直機的主傳動設計通常采用電機聯(lián)接齒輪箱驅動工作輥工作，完成鋼板的矯直[2]。

1　輥式矯直機主傳動齒輪箱的配置

1.1減速電機傳動布置

如圖1所示，減速電機通過萬向聯(lián)軸器直接與矯直輥相對應連接。為了使每一套驅動減速電機之間互不干涉，可將其設計成一前一后的布置方式，也可設計成一上一下的結構。傳動方式為電動機通過法蘭盤連接減速機，電機軸與減速機輸入軸用聯(lián)軸器連接。此布置方式結構簡單，傳動配置零部件少，各部件為模塊化設計，有利于檢修和維護。適用范圍窄，由于電機的外形及安裝、齒輪箱的最大輸出力矩的影響，減速電機的最大輸入電機功率僅為160 kW，最大輸出力矩僅為18 kN·m。由于每臺減速機上都配有電機，因此，總體電氣控制系統(tǒng)復雜，故障點多。

1.2品字形傳動布置

如圖2所示，電動機與減速機通過中間鼓形齒聯(lián)軸器連接，減速機輸出軸接聯(lián)軸器與分配齒輪箱的輸入軸連接，分配齒輪箱輸出軸與矯直機工作輥相對應，經中間萬向聯(lián)軸器連接[3]。其中左右兩臺減速機速比一致，根據矯直工藝要求，通過分配齒輪箱的設計，既可以實現兩臺電機的聯(lián)合驅動，又可以使兩臺電機單獨驅動。這種傳動布置較為常用，傳動路線清晰，齒輪箱的結構簡單。各部分為模塊化設計制造，有利于整體的更換和檢修。適用矯直板材的范圍廣，從薄板到中厚板，從有色金屬材料、普碳鋼、合金鋼到不銹鋼等都適用。由于矯直力矩大，所以設計時可按工藝矯直力矩要求設計。

圖1　減速電機布置傳動原理圖

圖2　品字形布置傳動原理圖

1.3聯(lián)合齒輪箱傳動布置

如圖3所示，兩臺電機與聯(lián)合齒輪箱的兩個輸入軸相連，聯(lián)軸器為鼓形齒式聯(lián)軸器，聯(lián)合齒輪箱的輸出軸與矯直機的矯直輥通過萬向聯(lián)軸器對應連接。聯(lián)合齒輪箱由兩套減速單元和一套齒輪分配單元組成，通過設計各齒輪之間的嚙合關系，實現矯直工藝的要求。此傳動方式集成了減速機和分配箱于一套箱體內，具有結構緊湊、傳動效率高、傳動組件少、傳動系統(tǒng)簡單、占地面積小、總體重量輕、適用范圍廣等特點，可按矯直工藝要求對齒輪箱進行設計。

圖3　聯(lián)合齒輪箱布置傳動原理圖

2　齒輪箱的傳動方案設計比較與分析

隨著船舶、鍋爐、化工設備工業(yè)的長足發(fā)展和市場的需求，中厚板的使用量逐年上升，作為板材精整設備的矯直機已成為不可或缺的關鍵設備。現以熱板七輥矯直機為例，按矯直工藝技術參數設計矯直輥的主傳動方案，實現矯直機的設計、制造要求。主傳動技術特性為：電機功率（交流變頻）P=2×355 kW（兩臺電機獨立驅動，同時工作），電機轉速n=0～750～1 000 r/min，減速機傳動比i=7.5，矯直輥單輥最大力矩Tmax=2 000 kg·m。

齒輪強度計算依據GB/T 3480—97，ISO 6336—1996；齒輪設計制造精度等級依據GB/T 10095.1—10095.2—2001，選用6級精度[4]。齒輪材料及熱處理為低碳合金鋼滲碳淬火處理，齒面硬度為HRC58-62，齒面磨削粗糙度為Ra0.8。箱體采用焊接結構，進行二次退火+時效處理，消除焊接應力和加工應力。軸承為進口調心滾子軸承，承載力大、抗彎扭能力強。潤滑方式為循環(huán)稀油噴淋潤滑，可提高齒輪箱工作效率和使用壽命。齒輪箱的設計技術參數見表1。

表1　齒輪箱的設計技術參數

2.1傳動方案的設計

結合此例的設計技術參數，減速電機傳動的配置方案滿足不了矯直輥最大矯直力矩的要求，可考慮其余兩種傳動布置方案。

圖4為減速機與齒輪機座呈品字形布置的傳動設計，兩臺減速機通過聯(lián)軸器與七輥齒輪機座連接，減速機兩級減速后將電機功率分配給齒輪機座的七根輸出軸上，七根輸出軸與矯直機矯直輥相對應連接。

圖4　品字形傳動布置

下頁圖5為聯(lián)合齒輪機座傳動設計，兩臺電機通過聯(lián)軸器直接與聯(lián)合齒輪箱的輸入軸連接，通過齒輪箱內齒輪的相互嚙合，實現速度與功率的分配。

圖5　聯(lián)合齒輪箱傳動布置

按照齒輪箱的設計技術參數，在中心距、中心高、七輥輸出軸的外形連接尺寸一致的基礎上，設計不同的傳動方案，其總體的傳動路線略有不同，但都可以滿足矯直工藝的要求。

2.2設計方案的比較與分析

1）按圖4布置的使用面積為13.2 m2，圖5為8.3 m2。可見聯(lián)合齒輪箱的占地面積更小、更緊湊。

2）圖4為組合模塊化設計，傳動簡單及制造工藝簡單。圖5為集成一體化設計，傳動鏈多，制造工藝復雜。

3）圖4的傳動部件多，安裝調整量大；圖5部件少，安裝簡便。

4）圖4的傳動部件總重為12.1 t（不含電機），圖5的傳動部件總重為9.9 t。聯(lián)合齒輪箱在重量上輕2.2 t，生產制造成本更低。

5）圖4由于齒輪箱布置分散，潤滑系統(tǒng)需配置潤滑站，對減速機、齒輪機座單獨配置進、回油配管。管路密集且齒輪箱的潤滑點多，容易造成齒輪潤滑油滲漏而污染環(huán)境。圖5聯(lián)合齒輪箱結構緊湊，既可以設置獨立潤滑站，對齒輪箱本體進行管路配置，又可以將齒輪箱本體作為一個潤滑系統(tǒng)，潤滑配管較短，出現滲漏的機率較低。

3　齒輪箱的優(yōu)化設計

綜合比較各方案的優(yōu)缺點，認為聯(lián)合齒輪箱配置傳動方案更為優(yōu)越，具有安裝簡單、結構緊湊、傳動部件少、制造成本低等優(yōu)點。圖6為聯(lián)合齒輪箱的設計圖。

考慮到電機的外形大、中心高以及聯(lián)合齒輪箱輸出輥的位置關系，將齒輪箱的高速軸（輸入軸）與低速軸（輸出軸）布置在兩側，高速軸與下排輸出軸布置在同一高度，可降低聯(lián)合齒輪箱的重心位置，減少功率的損耗，提高使用效率。將高速軸及低速軸設計為機械迷宮密封，改變了以往接觸式橡膠密封結構的設計，解決了定期更換油封的不便。在潤滑系統(tǒng)的設計上，選用齒輪箱本體作為油箱，配置泵、冷卻器、過濾器、油流檢測等裝置（元器件），形成自有的獨立潤滑系統(tǒng)，不再單獨配置潤滑站，在節(jié)省空間的同時降低了總體的生產成本。

圖6　聯(lián)合齒輪箱設計圖

4　結語

輥式矯直機是板材精整的關鍵設備，廣泛應用于冶金和高技術裝備制造業(yè)。矯直機主傳動的配置及設計是主機能否高效率運行的前提和基礎，因此在設計矯直機主傳動的配置方案時，應從技術性、經濟性、可靠性等多因素綜合考慮，比較與分析不同配置設計方案的優(yōu)缺點，選擇最優(yōu)的配置方案，結合生產和使用的特點對齒輪箱的設計進行優(yōu)化，最后將方案應用于設計制造中。

[1]崔甫.矯直原理與矯直機械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]施東成.軋鋼機械設計方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[3]喬莉，朱才朝.輥式矯直機減速分配箱承載能力的研究[J].現代制造工程，2005（2）：28-30.

[4]齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

（編輯：胡玉香）

Configuration and Optimization Design of the Main Drive Gear Box of Roller Leveling

LI Bo
（Gear Drive Design Institute of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper expounds the roller straightening machine configuration scheme of main drive gear box，makes detailed analysis and explanation on several scheme to lay a foundation for main transmission scheme of prophase scheme comparison，selection and design.With thick plate in seven hot straightening roll configuration of main drive gear box，for example，compared the advantages and disadvantages of different configuration design，combined with the production and the specific situation of the field use，choose the joint scheme as the main drive gear box final plan，according to the requirements of technical parameters of straightening technology has carried on the detailed design and the structure optimization of gear box.Comparative analysis shows that the design of the combined gear box configuration in such aspects as economy，technology，the use of reliability is more superior.

roller leveling，main drive configuration，gear box，optimization design

TG333.2+3

A

1672-1152（2016）04-0065-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.22

生產實踐·應用技術

2016-05-30

李波（1979—），男，從事傳動產品的設計開發(fā)，工程師。