密煉機齒輪箱上水平基準塊實際意義的分析

張曉超，夏志民

(南京寧嘉機電有限公司，江蘇 南京 211153)

1 背景概述

密煉機配套齒輪箱是橡膠密煉設備中的一個重要設備，用于連接密煉機主機和驅動電機，在傳遞動力的同時，起到減速增扭的作用。該設備的安裝狀態，對整套設備的工作狀況有很大的影響。但是在密煉機配套齒輪箱的實際安裝中，很多廠家對齒輪箱的安裝水平度要求過于苛刻，并且曲解了其中的意思，導致了齒輪箱很難安裝到要求的水平狀態。并且由于安裝過程中為了保證水平度，安裝人員通過不斷調整齒輪箱底部墊板和地腳緊固螺栓的方法進行調整，導致最終安裝完成后，齒輪箱反而處于不健康的工作狀態。

針對此情況，本文對齒輪箱安裝時的水平度調整情況進行了分析，并給出更為合理的調整方法。

2 水平度的定義及測量

齒輪箱水平基準塊一般位于齒輪箱下箱體上方分型面上，由于齒輪箱的中分面平面度限制，齒輪箱水平基準塊的調整精度也會有限制。以規格為400 L的密煉機齒輪箱為例，其箱體總長約為3.5 m，箱體中分面的平面度取6級精度（GB/T 1184），此時的平面度值為0.06 mm。因此，當箱體加工完全合格，同時齒輪箱不出現任何變形的情況下，水平度也有可能僅為0.06 mm/m。考慮到箱體安裝受力等其他因素，此齒輪箱的許用水平度偏差應當高于0.06 mm/m。

齒輪箱在客戶現場安裝時，普遍存在一個誤區，即框式水平儀的讀數方法。以一個長度為200 mm，精度為0.02 mm/m的框式水平儀為例，大部分的廠家會這樣認為：將校準好的框式水平儀安放在水平基準塊上后，反復調換水平儀方向，最終讀取框式水平儀讀數為0.04 mm/m，則認為該水平基準塊的水平度為0.04 mm/m。其實則不然，如圖1所示。

圖1 水平儀放在水平基準塊上的讀數示例

這種測量方法所得到的數值，是將200 mm的水平度偏差放大到1 m之后的結果，實際該水平塊的水平度偏差應當為：

因此，在此種情況下，當水平度要求為0.06 mm/m時，允許的框式水平儀的最大讀數應當是：

而什么時候從框式水平儀測量讀出的數值就是真實的數值呢？這就需要有一個標準的完全平直的長度為1 m的測量桿，將測量桿的兩端分別放在齒輪箱的兩個水平基準塊上，然后將框式水平儀直接放在測量桿上測量，此時水平儀的讀數才是實際的水平度，如圖2所示。

圖2 水平儀放在標準測量桿上的讀數示例

3 密煉機主機和主電機對齒輪箱水平度的要求

目前有很多客戶會通過校正齒輪箱的水平度，然后校正齒輪箱和主機之間的同軸度，最終保證密煉機主機的水平度。這種方案是不合適的，其原因在于：密煉機主機和齒輪箱之間的同軸度要求，換算到水平度的要求上，會寬松很多，因此該同軸度要求只適合于調整聯軸器的工作狀態，而對于密煉機主機的水平度，應當通過校正密煉機本身的水平度來保證。

同樣以規格為400L的密煉機齒輪箱為例：齒輪箱輸出軸同密煉機主機軸之間的同軸度會影響到水平度的部分為在垂直于水平面并穿過軸線的方向上的角度偏差，如圖3所示。

圖3 齒輪箱輸出軸同主機軸軸線偏移后情況分析

我們以在此方向上半徑為200 mm處的跳動值為衡量標準，該值即使我們取較為苛刻的0.08 mm，此時軸線偏移角度為β，按圖示將其對應到水平方向上，并放大到1m的距離，跳動值就已經變為了：

這相對于齒輪箱水平度0.06 mm/m的要求已經偏差太多，因此，用齒輪箱的水平度來校正密煉機主機的水平度是不合適的。

基于以上相同的原因，用齒輪箱的水平度來校正主電機的水平度同樣是不合適的。

4 齒輪箱本身對水平度的要求

對于齒輪箱本身，對于水平度的要求是很低的，主要原因在于齒輪箱本身并沒有對重力很敏感的零部件，其次，些許的水平度偏差造成的齒輪箱零部件重力方向的變化量，相對于零部件本身的重量是很小的，相對于齒輪箱在負載工作時所傳遞的力來說更是微乎其微。所以齒輪箱本身對于水平度的要求是可以忽略的。以400L密煉機齒輪箱輸入軸為例，如圖4所示。

圖4 400 L密煉機齒輪箱輸入軸軸線偏移后受力分析

其軸系質量m大約為420 kg，重力N為:

式中g為重力加速度，取g=9.8 N/kg

當其軸線與水平面傾斜角度α=1°（1°的水平度偏差已經很大了，相當于水平度為1 000×tan1°=17.455 mm/m）時，力的分布如圖四所示,可見其產生的沿軸線方向的傾斜力：

而此輸入齒輪軸工作時所承受的力F，可通過如下方式計算：

已知400L密煉機電機轉速為n=1000 r/min，功率為P=2 500 kW，齒輪位置分度圓直徑約為D=295，則可知其所傳遞的扭矩T為：

同時，該扭矩還可換算為該軸系承受的切向力F與齒輪分度圓直徑D之間的關系：

由上式可得出該軸系承受的切向力：

由此可見，輸入齒輪軸傾斜1°所產生的沿軸線方向的傾斜力Fa，相對于該軸系工作時承受的切向力F來說是很小的，可以忽略不計。因此，齒輪箱本身對于水平度的要求是很低的。

另外，有很多實例可以證明這一論斷，比如多復合的單螺桿擠出機齒輪箱，其中有的便是在傾斜大約30°的位置上工作；還有密煉機下方的擠出機齒輪箱，也有很多是在傾斜15°的狀態下工作。

5 強行調整齒輪箱水平度對齒輪箱的影響

由第一條可以看出，目前現場所常用的齒輪箱水平度檢測方法及安裝水平度要求是基本不可能達到的，因此安裝人員會通過不斷調整齒輪箱底部墊板和地腳緊固螺栓的方法進行調整，這種調整方法是通過扭曲齒輪箱的箱體，來達到齒輪箱安裝水平度的要求，這將導致最終安裝完成后，齒輪箱處于不健康的工作狀態。這種狀態可以通過齒輪箱內部齒輪的嚙合面積很直觀的反映出來，我們曾跟蹤了一臺齒輪箱，齒輪箱在我公司裝配完成后，其中兩級齒輪副的齒面嚙合情況如圖5所示。

圖5 裝配后的齒面嚙合情況

隨后該齒輪箱發往客戶現場進行整機組裝，并且現場的安裝人員為達到第1條所提到的水平度，對齒輪箱底部墊板和地腳緊固螺栓進行調整，最后勉強達到了0.06mm/m（其實此時真正反映的是測量點的水平度為0.015 mm/200 mm，并且箱體已經出現了很大的形變，該水平度已經失去了實際意義）。

調整完成后，我們對內部齒輪的嚙合情況進行了再次檢測，最終檢測結果如圖6所示。

圖6 調整水平度后的齒面嚙合情況

由圖6可以看出，強行調整水平度，對齒輪箱內部齒輪嚙合面積的影響是很大的，尤其是第二級齒輪副的嚙合面積已經只剩下齒輪一側的一部分，這說明箱體的軸線已經產生了很大的變形，該齒輪箱已經被調整到了一個非常不健康的狀態。

鑒于此種狀態，我們要求將齒輪箱的地腳螺栓全部釋放開，使齒輪箱處于自由狀態，并放置一天后，再次進行內部齒輪的嚙合情況檢查，自由狀態下的齒輪箱嚙合面積檢查結果如圖7所示。

圖7 釋放地腳螺栓后齒面嚙合情況

可見，完全釋放地腳螺栓并放置一段時間后，齒輪箱內部齒輪的嚙合面積又重新回到了初始裝配完成后的情況。

6 結語

根據理論分析和現場實際檢測，均說明在安裝時對齒輪箱強行調整水平度是沒有必要，甚至是需要嚴格禁止的。齒輪箱安裝水平度的調整，應當在盡可能不改變齒輪箱本身自由狀態前提下，兼顧滿足減速機輸入軸同驅動電機之間聯軸器和輸出軸同密煉機主機之間聯軸器的同軸度要求，使齒輪箱位于基本水平的狀態。所謂的基本水平狀態，即是通過對齒輪箱各水平基準塊和輸入、輸出軸水平度的檢測，齒輪箱不會出現明顯的一端高，另一端低的情況，而是應該呈現為中間高兩端低，或者中間低、兩端高的情況。此時的水平度情況，才是齒輪箱的最佳工作狀態。