大型磨機多支路齒輪傳動系統均載技術研究與應用

2022-03-23 03:11:04陳松戰

礦山機械 2022年3期

瞿鐵，陳松戰，信穩，楊超

1中信重工機械股份有限公司河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室河南洛陽 471039

3洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司河南洛陽 471039

為提高能源利用率，磨機的規格日益向大型化方向發展，故對大型磨機傳動裝置的要求也越來越高。根據國際認可的磨機驅動方式選用原則[1]，裝機功率 10 MW 以下建議選用單邊驅動；10～20 MW 建議選用雙邊驅動；20 MW 以上建議選用無齒傳動即環形電動機直聯驅動。對于裝機功率 20 MW以內的大型磨機主要以齒輪驅動為主，技術較為成熟；20 MW 以上大型礦用磨機主要采用環形電動機直聯驅動。

近些年對國外用戶和自身應用情況調研表明：環形電動機驅動應用效果并不理想，電動機和控制系統造價高昂，對運行環境要求極高，且結構復雜，維護成本高。相對環形電動機驅動，齒輪傳動具有明顯的技術優勢，如投資成本較低，結構簡單，維護方便，所需備件少等，另外齒輪技術經過近百年的快速發展，技術成熟，安全可靠。為適應未來大型磨機的發展需求，擺脫對環形電動機驅動的依賴，出現了雙電動機多支路齒輪傳動方案[2]。由于雙電動機多支路齒輪傳動系統中多點嚙合的均載直接關系到齒輪副的承載能力，以及傳動系統能否平穩運行，因此筆者主要開展對齒輪均載影響因素的研究，并提出相應的解決方案。

1 多支路齒輪傳動原理

多支路齒輪傳動如圖 1 所示，動力由輸入小齒輪 1 輸入，通過與一級大齒輪齒輪嚙合將動力傳遞給一級大齒輪，一級大齒輪與二級小齒輪通過扭力軸連接，由此將動力傳遞給二級小齒輪，二級小齒輪同時與磨機大齒輪嚙合驅動磨機轉動。多支路齒輪傳動的主要特點是通過增加小齒輪與磨機大齒輪的嚙合點實現大磨機高功率大轉矩驅動。另外，所有齒輪副均采用 2 點支承，保證齒輪副工作位置的穩定性；一級大齒輪與二級小齒輪采用扭力軸連接，通過調整扭力軸相位角保證二級小齒輪與開式大齒輪的嚙合同步性，同時通過扭力軸的扭轉位移，降低齒輪副的加工、安裝誤差對不均載系數的影響[3]。故在進行大型磨機多支路齒輪傳動裝置研發過程中，計算大齒輪與二級小齒輪保持嚙合同步所需的最大扭轉補償量是確保設計滿足性能要求的前提，扭力軸補償如圖 2 所示。

圖1 多支路齒輪傳動Fig.1 Multi-branch gear drive

圖2 扭力軸補償Fig.2 Compensation of torsion shaft

2 誤差補償分析

大型磨機多支路齒輪傳動裝置主要采用并行齒輪傳動鏈進行功率分流，然后通過增加與開式大齒輪之間的嚙合點，實現大型磨機的驅動。由于磨機存在安裝誤差、基礎沉降、熱變形、大齒輪徑向跳動、軸向跳動及齒距累積偏差等，工作過程中會使齒輪傳動鏈功率分流不均，控制不好易出現較大的不均載，進而降低傳動裝置的承載能力和可靠性。故在多支路齒輪傳動裝置研制過程中，需綜合考慮以上因素的影響。

2.1 傳遞誤差

齒輪運轉過程中，隨著單雙齒嚙合的交替進行并在加工誤差的綜合影響下，齒輪副的速比與公稱速比相比，存在傳遞誤差，并隨著時間做周期性變化。傳遞誤差會使齒輪在嚙合過程中產生沖擊激勵，引起振動噪聲，不利于承載能力的提高和運行的平穩性。傳遞誤差是普遍存在的現象，雖然可通過齒輪修形技術改善齒輪的嚙合狀態，減小嚙合沖擊激勵，但無法消除。在多支路齒輪傳動中，因齒輪加工精度、嚙合剛度及輪齒嚙合相位偏差等的影響，會產生較大的傳遞誤差，引起較大的嚙合沖擊，故在齒輪參數設計、輪齒修形及結構優化設計中要嚴格控制傳遞誤差的影響。

2.2 齒距累積偏差

齒距累積偏差決定了齒與齒之間的位置精度。如圖 3 所示，當 2 個小齒輪同時與大齒輪 G1嚙合時，由于齒距累積偏差的存在，嚙合過程中會使 2 對齒輪副嚙合不同步，導致提前進入嚙合的輪齒承受較大的載荷，對齒輪副的可靠性造成較大的影響。故在多支路齒輪傳動中，要設置彈性補償機構，以減小齒距累積偏差對齒輪嚙合同步性的影響。嚙合點相對齒距累積偏差可通過一系列現場數據測量，利用數據統計分析獲得，也可根據齒輪對應精度的齒距累積偏差公差帶近似估算。假設大齒輪 G1齒距累積偏差為Fpg1，小齒輪 P1、P2的齒距累積偏差為Fpp1、Fpp2，則小齒輪平均齒距累積偏差

圖3 齒距累積偏差Fig.3 Accumulated pitch error

小齒輪與大齒輪因齒距累積偏差引起的最大嚙合相位偏差F∑，為大小齒輪齒距偏差之和，

2.3 大齒輪外圓徑向跳動

對于大型礦用磨機開式大齒輪，由于體積和質量較大，現場安裝很難控制其徑向跳動在 1.0 mm 以內；正常工作過程中由于磨機受載彈性變形和熱彈變形等的影響，大齒輪外圓實際徑跳可達 1.5 mm。大齒輪外圓徑跳對齒輪的嚙合會產生較大的影響，如圖 3所示，當徑跳較大時，兩齒輪副的中心距會隨著時間來回變化，進而使兩齒面的接觸位置產生變化，由于磨機速度的穩定性，在此過程中會產生較大的沖擊載荷。

如圖 4 所示，當小齒輪 P1相對齒輪 G1徑向跳動量為LAB時，輪齒接觸點A會瞬間脫開，齒輪G1與小齒輪 P1產生相對位移LBC，使該對齒輪副B點和C點相互接觸。假設齒輪節圓處嚙合角為αω，則齒輪副嚙合輪齒相對位移

圖4 徑向跳動對齒輪接觸的影響Fig.4 Influence of radial runout on gear contact

2.4 大齒輪端面跳動

由磨機結構可知，磨機兩支撐部位分為固定端和游動端，其中固定端約束磨機筒體軸向移動。為保證大齒輪嚙合的平穩性，大齒輪安裝在固定端。但實際工作過程中，由于固定端軸向游隙、加工偏差及大齒輪在筒體位移作用下彈性變形的影響，大齒輪端面會隨著磨機筒體軸向跳動，導致齒輪嚙合不連續，對于多支路驅動則會出現嚙合不同步的問題。如圖 4 所示，假設齒輪軸線方向跳動為LEF，齒輪螺旋角為β，則齒輪副會產生齒面法向偏移

2.5 安裝誤差及基礎沉降

由于磨機系統及傳動系質量、體積均較大，對其安裝提出了極高的要求。另外，隨著磨機帶料運行時間的推進，安裝基礎也會自然沉降產生位移，對齒輪傳動系統的承載能力和可靠性造成較大的影響。如圖 5 所示，對于多支路齒輪傳動裝置，在多種因素的影響下，小齒輪與大齒輪之間會產生高度方向和水平方向的偏移，在偏移過程中，小齒輪與大齒輪的嚙合會因中心距的變化而出現不同步，導致齒輪傳動不均載。