中鋼西重XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱的設(shè)計(jì)

楊立江，段小朋，李 棟

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司， 陜西 西安 710201)

0 前言

水冷傳動(dòng)齒輪箱(布料器)是爐頂裝料設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)備性能直接影響到高爐出鐵效率。目前，國(guó)內(nèi)外水冷傳動(dòng)齒輪箱主要有兩種：一種是行星差速傳動(dòng)系統(tǒng)溜槽布料器；另一種是旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)合成運(yùn)動(dòng)溜槽布料器。旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)合成運(yùn)動(dòng)溜槽布料器的溜槽傾動(dòng)通過(guò)油缸或鋼絲繩提升來(lái)實(shí)現(xiàn)，適用于小高爐，占有市場(chǎng)較少。行星差速傳動(dòng)系統(tǒng)溜槽布料器具有布料方式靈活、設(shè)備重量輕、密封性能好、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)方便、焦比低、產(chǎn)量高等特點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)高爐大型化、爐頂壓力和溫度的不斷提高以及高爐冶煉強(qiáng)度的不斷提高對(duì)布料器提出了更高、更嚴(yán)格的要求，長(zhǎng)壽化、環(huán)保節(jié)能成為布料器的關(guān)鍵要求。

中鋼西重從1987年開(kāi)始制作水冷傳動(dòng)齒輪箱，具備350～6 000 m3爐頂設(shè)備自主設(shè)計(jì)的能力。中鋼西重水冷傳動(dòng)齒輪箱按照爐容分三種：緊湊型水冷傳動(dòng)齒輪箱，適用于300～1 080 m3高爐；標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱，適用于1 500～2 800 m3高爐；加強(qiáng)型水冷傳動(dòng)齒輪箱，適用于2 800～6 000 m3高爐。在1 000 m3級(jí)高爐項(xiàng)目中使用緊湊型水冷傳動(dòng)齒輪箱能力有所欠缺，而采用標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱又存在能力過(guò)剩的問(wèn)題，為此中鋼西重開(kāi)發(fā)出了適用于750～1 800 m3高爐的XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱。

1 XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱的設(shè)備組成

如圖1所示，XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱由行星差動(dòng)減速機(jī)、齒輪箱本體、傾動(dòng)減速機(jī)、布料溜槽組成。行星差動(dòng)減速機(jī)安裝在齒輪箱本體上部，為布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)提供動(dòng)力。布料溜槽傾動(dòng)由兩個(gè)傾動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖1 XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱

2 XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱設(shè)備校核

水冷傳動(dòng)齒輪箱是爐頂設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，在設(shè)計(jì)水冷傳動(dòng)齒輪箱過(guò)程中，對(duì)水冷傳動(dòng)齒輪箱關(guān)鍵零件進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，并校核其安全系數(shù)。布料溜槽正常工作最大角度70°工況下，考慮溫度的影響，分別對(duì)傾動(dòng)減速機(jī)蝸輪承載力矩、傾動(dòng)軸強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 蝸輪承載力矩

設(shè)置幾何模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于傾動(dòng)軸軸線上，不考慮蝸輪輪齒，溜槽在70°時(shí)簡(jiǎn)化幾何模型如圖2所示。蝸輪1和傾動(dòng)軸2通過(guò)鍵固定在一體，傾動(dòng)軸2和鎖緊軸5通過(guò)螺栓連接固定為一體可以同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，傾動(dòng)軸通過(guò)焊接在本體上的圓軸推動(dòng)溜槽支承板擺動(dòng)。

圖2 溜槽70°工況下簡(jiǎn)化幾何模型

布料溜槽受力分析簡(jiǎn)圖如圖3所示。由于中心喉管軸線和Z軸重合，因此料流沖擊力對(duì)原點(diǎn)Y軸不產(chǎn)生力矩。故可知溜槽(含支承板)所產(chǎn)生的力矩為：

M=G·L0=16 028 N·m

(1)

式中，G為矢量力；L0為從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到受力點(diǎn)的距離矢量。

圖3 溜槽和支承板受力分析簡(jiǎn)圖

蝸輪設(shè)計(jì)承載力矩為140 000 N·m，安全系數(shù)為17.46，大于安全系數(shù)1.5，因此是安全的。

2.2 傾動(dòng)軸等效應(yīng)力

傾動(dòng)軸等效應(yīng)力分析時(shí)設(shè)置相應(yīng)的假設(shè)條件和邊界條件。

假設(shè)條件：

(1)分析是在標(biāo)準(zhǔn)地心引力加速度9.81 m/s2下進(jìn)行；

(2)不考慮焊縫處材質(zhì)的變化，焊縫材料視為與母體材料相同；

(3)材料為彈性材料，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性；

(4)采用線性靜力學(xué)進(jìn)行分析，認(rèn)為傾動(dòng)軸受力瞬間蝸輪輪齒圓柱面靜止不動(dòng)；

(5)由于水冷傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)部允許最高溫度為55 ℃，故極限情況下假設(shè)參與分析各部件的溫度為55 ℃恒溫。

邊界條件：

(1)約束條件，假設(shè)傾動(dòng)軸受力瞬間蝸輪輪齒圓柱面靜止，故該圓柱面施加固定約束；傾動(dòng)軸和鎖緊軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此傾動(dòng)軸內(nèi)部與鎖緊軸接觸面處施加圓柱形約束，使接觸面徑向自由度固定。傾動(dòng)軸的載荷約束如圖4所示。

圖4 傾動(dòng)軸載荷約束

(2)載荷條件，溜槽和支承板受力分析如圖3所示，支承板U形開(kāi)口處所受推力為F，根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系可知，傾動(dòng)軸上部的圓柱形突起所受的載荷為

(2)

(3)接觸條件，根據(jù)載荷所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)，傾動(dòng)軸和鍵，鍵和蝸輪之間設(shè)置為粘合邊界條件；傾動(dòng)軸和蝸輪為線性接觸條件，如圖5所示。

圖5 鍵聯(lián)接處的粘合邊界條件

根據(jù)傾動(dòng)軸的受力情況，傾動(dòng)軸等效應(yīng)力分析如圖6所示，最大應(yīng)力為204 MPa，位于上部鍵槽根部。

圖6 傾動(dòng)軸等效應(yīng)力分布

運(yùn)用材料軟件Jmatpro計(jì)算傾動(dòng)軸材料在55℃時(shí)的屈服強(qiáng)度≥470 MPa。

故傾動(dòng)軸的安全系數(shù)為：

(3)

傾動(dòng)軸的安全系數(shù)大于1.5，因此是安全的。

2.3 傾動(dòng)軸理論計(jì)算

傾動(dòng)軸主要用于傳遞扭矩，且軸向尺寸較小，因此忽略彎矩作用時(shí)的安全系數(shù)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，只考慮扭矩作用的安全系數(shù)按下式計(jì)算：

(4)

式中，Sτ為只考慮扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)；τ-1為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限；Kτ為扭轉(zhuǎn)時(shí)有效應(yīng)力集中系數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；ετ為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)；τα，τm為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；ψt為材料扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)。

傾動(dòng)軸材料為合金鋼，鍛件熱處理方式一般為調(diào)質(zhì)，加工方法暫定為車削，根據(jù)手冊(cè)查得：τ-1=185 MPa，Kτ=1.71，β=0.9，ετ=0.68,ψτ=0.21。傾動(dòng)軸應(yīng)力循環(huán)方式為對(duì)稱循環(huán)，因此τm=0。

傾動(dòng)軸是雙鍵槽形式，危險(xiǎn)截面為鍵槽處截面，故：

(5)

式中，T為傳遞的扭矩，8 014×103Nm；d為傾動(dòng)軸鍵槽截面處外徑，135 mm；d1為傾動(dòng)軸鍵槽截面處內(nèi)徑，113 mm；b為傾動(dòng)軸鍵槽寬度，32 mm；t為傾動(dòng)軸鍵槽深度，為鍵槽面到外圓相應(yīng)象限點(diǎn)距離，7.5 mm。

因此，傾動(dòng)軸只考慮扭矩作用的安全系數(shù)為Sτ=3.15。安全系數(shù)一般情況取1.5。由此可知，用理論計(jì)算的傾動(dòng)軸危險(xiǎn)截面疲勞強(qiáng)度可以滿足。

3 XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱的特點(diǎn)

XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱特點(diǎn)如表1所示，具有穩(wěn)定性可靠、使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)精度高、布料精準(zhǔn)、利用系數(shù)高、閉式加壓水冷冷卻效果好、承載力矩大、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

表1 XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)動(dòng)齒輪箱技術(shù)指標(biāo)

3.1 設(shè)備穩(wěn)定性可靠、使用壽命長(zhǎng)

水冷傳動(dòng)齒輪箱是爐頂上料設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其關(guān)鍵性和應(yīng)用環(huán)境的特殊性對(duì)水冷傳動(dòng)齒輪箱提出了可靠性高、使用壽命長(zhǎng)的要求。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱基本原理與中鋼西重標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱相同，是基于中鋼西重標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。XZ-Ⅳ水冷傳動(dòng)齒輪箱回轉(zhuǎn)支承、軸承、密封采用進(jìn)口件，傳動(dòng)齒輪表面采用氮化處理，使用壽命按照一代爐齡設(shè)計(jì)，滿足設(shè)備長(zhǎng)壽化要求。另外XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱冷卻水采用閉式加壓冷卻，冷卻效果好，不需要定期維護(hù)，滿足高爐一代爐齡使用壽命要求。

3.2 傳動(dòng)精度高、布料精確、利用系數(shù)高

XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)全部采用齒輪系傳動(dòng)，由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)安裝在差動(dòng)減速機(jī)上，通過(guò)差動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)布料溜槽可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)、單獨(dú)傾動(dòng)、也可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)同時(shí)動(dòng)作。可以實(shí)現(xiàn)高爐料環(huán)形布料、螺旋式布料、點(diǎn)式布料，布料靈活，滿足高爐布料工藝要求。靈活的布料方式更適合不同高爐布料工藝要求，可以有效提高高爐利用系數(shù)。MINI型水冷傳動(dòng)齒輪箱的傾動(dòng)由一個(gè)傾動(dòng)減速驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)布料溜槽傾動(dòng)，傾動(dòng)減速驅(qū)動(dòng)角速度恒定，通過(guò)四連桿傳遞后，由于四連桿本身的特性，驅(qū)動(dòng)桿角速度恒定，從動(dòng)桿角速度非線性，從而導(dǎo)致布料溜槽傾動(dòng)傳動(dòng)比非線性比例，布料溜槽傾動(dòng)角度不準(zhǔn)確，布料不穩(wěn)定。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱由兩個(gè)傾動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)布料溜槽傾動(dòng)，布料溜槽傾動(dòng)通過(guò)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)傾動(dòng)軸傳動(dòng)，全齒輪系傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高，布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)通過(guò)單獨(dú)編碼器檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)精度可達(dá)±0.1°，優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品±0.3°，布料精度達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

3.3 閉式加壓水冷、節(jié)省氮?dú)?/h3>

中鋼西重標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱水冷系統(tǒng)采用半閉環(huán)冷卻方式，齒輪箱內(nèi)裝有上下水槽和冷卻蛇形管，水流因重力從齒輪箱中的上水槽經(jīng)冷卻蛇形管流到下水槽中，通過(guò)熱交換帶走箱內(nèi)熱量，冷卻水通過(guò)下水槽排到齒輪箱外水冷系統(tǒng)。另外齒輪箱內(nèi)通氮?dú)饷芊鉅t內(nèi)氣流，防止?fàn)t內(nèi)灰塵進(jìn)入齒輪箱。標(biāo)準(zhǔn)型水冷傳動(dòng)齒輪箱水冷系統(tǒng)主要缺點(diǎn)在于冷卻水與密封用氮?dú)庠邶X輪箱內(nèi)不分離而導(dǎo)致系統(tǒng)不夠穩(wěn)定、氮?dú)庀牧看蟮葐?wèn)題。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱采用閉式加壓冷卻，齒輪箱內(nèi)部采用閉式蛇形管，冷卻水和氮?dú)夥蛛x；密封形式采用迷宮密封和橡膠密封結(jié)合的方式，節(jié)省氮?dú)庀牧浚ǔ５獨(dú)庥昧繛?00～500 m3/h。閉式加壓水冷，冷卻水流量更大，更有利于齒輪箱在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作，適應(yīng)較高的爐頂煤氣溫度。河北天柱880 m3高爐水量達(dá)到27 m3/h，壓力0.35 MPa，可滿足爐頂溫度150～350 ℃工作環(huán)境，適應(yīng)異常溫度600 ℃工作環(huán)境，優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品20 m3/h。另外，全封閉式水冷循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水不被污染且不需要定期維護(hù)，減少用戶維護(hù)成本與延長(zhǎng)維護(hù)時(shí)間，從而提高設(shè)備使用的安全性和工作效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

3.4 承載力矩大

XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱布料溜槽傾動(dòng)采用蝸桿副式雙傾動(dòng)齒輪機(jī)驅(qū)動(dòng)布料溜槽傾動(dòng)，兩個(gè)傾動(dòng)減速機(jī)同步的安裝在齒輪箱旋轉(zhuǎn)底盤(pán)上，安裝時(shí)調(diào)整兩個(gè)減速機(jī)的同步性，保證兩個(gè)減速機(jī)同步驅(qū)動(dòng)布料溜槽傾動(dòng)。與中鋼西重緊湊型水冷傳動(dòng)齒輪箱的單傾動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)布料溜槽傾動(dòng)相比較，兩個(gè)傾動(dòng)減速機(jī)提升能力大幅增加，布料溜槽長(zhǎng)度可提高到3.2 m。

3.5 維護(hù)成本低、使用維護(hù)方便

XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱冷卻水采用閉式加壓冷卻，冷卻水和氮?dú)夥蛛x，冷卻水不被污染且不需要定期維護(hù)，減少用戶維護(hù)成本與延長(zhǎng)維護(hù)時(shí)間。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱傾動(dòng)采用雙傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)，僅有4個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)。中鋼西重緊湊型型水冷傳動(dòng)齒輪箱，布料溜槽傾動(dòng)由四連桿驅(qū)動(dòng)，共有8個(gè)銷軸鉸接潤(rùn)滑點(diǎn)。相比較XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱潤(rùn)滑點(diǎn)較少，檢修維護(hù)方便。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱布料溜槽傾動(dòng)由兩個(gè)傾動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)傾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與中鋼西重緊湊型水冷傳動(dòng)齒輪箱相比較，沒(méi)有復(fù)雜的四連桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作空間大，維護(hù)方便，兩個(gè)銷軸潤(rùn)滑點(diǎn)，受三個(gè)月檢修周期影響小，潤(rùn)滑效果好。

4 結(jié)束語(yǔ)

中鋼西重XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱吸收國(guó)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)檢測(cè)、生產(chǎn)測(cè)試滿足現(xiàn)代高爐工藝技術(shù)和裝備要求。XZ-Ⅳ型水冷傳動(dòng)齒輪箱在河北天柱880 m3高爐應(yīng)用，高爐水量達(dá)到27 m3/h,壓力0.35 MPa；其靈活的布料有效提高高爐利用系數(shù)，高爐日最大產(chǎn)量3 728.26 t，設(shè)備利用系數(shù)達(dá)到4.23，利用系數(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；布料溜槽旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)精度可達(dá)±0.1°，布料精度達(dá)到世界領(lǐng)先水平。