冶金環境下齒輪傳動裝置設備改造應用

朱澤華，金 洋

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000）

1 冶金齒輪傳動裝置設備概述

1.1 原理概述

齒輪傳動裝置主要起動能傳輸和機械聯接的作用。 具體使用過程中，首先要設定齒輪的轉速以及力矩，確保齒輪設備要滿足冶金設備整體運轉的需求。 其次必須要結合具體的工藝要求和產品規劃，確定合理的動能傳動路線，并對產品具體的傳遞方向、傳遞位置做好規劃。

1.2 應用現狀

從具體應用情況來看，目前所應用的齒輪零部件一般都會選用滲碳，磨削以及淬火等制造工藝，目前齒輪強度＜HB300 規格的傳動齒輪已經被逐步淘汰。 目前齒端修整工藝已經趨于成熟，齒輪傳動裝置選配方面，精度水平達到85%以上。 在現實場景應用中，還可以根據機械結構以及尺寸空間，選用單一式齒輪傳動裝置或分流式齒輪傳動裝置，這一做法能夠確保齒輪傳動裝置在固定的環境下，盡可能的輸出較大的傳送力矩。

1.3 性能參數

大型冶金機械設備在設定齒輪傳動參數時，應當對下列問題重點考慮：即傳動齒輪配置是否滿足荷載需求、配置方案是否滿足高速均衡條件、各齒輪的荷載壓力分布是否位于荷載限位之內。 只有當上述要素能夠得到保障，才能夠確保齒輪傳動裝置達到預期規劃效果。 齒輪參數和選配方案確定需關注以下要點：

一是要關注到中心距和齒數比的問題。 大型冶金機械設備齒輪中心件在設計過程中需要針對加工。 在齒輪齒數比配置過程中，傳動機單齒數比一般都會控制在4－6 區間，從而實現對穩定性、經濟性的兼顧。

圖1 齒輪中心距、齒數比計算參考要素

二是需要參考齒寬系數核定公式來確定比值。目前常用的核定公式為ψd ＝bd1，其中b 代表有效齒寬值，d1 為小齒輪分度圓的直徑值。 以鞍鋼2030 軋機主傳動系統的齒輪參數方案為例，其中ψd 值＝bd1 ＝0.82—0.44。

1.4 主要零部件

冶金設備傳動裝置的作用效能是借助兩個齒輪的輪齒嚙合，來搭載一條傳動力的傳輸渠道。 因此從軸線相對位置區分，可以區別為平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動三種。

齒輪傳動模式之所以能夠在大型冶金機械設備當中得到有效應用，關鍵在于齒輪傳動模式具備傳動平穩性和精準性特點，工作穩定性水平相對較高且結構緊湊，功率、速度、尺寸的可選范圍具有顯著優勢。 而目前常見的齒輪傳動功率已經可以達到5w—數十萬Kw，齒輪最高轉速記錄300 m／s；齒輪直徑區間為3 mm—27.46 m。

2 傳動齒輪性能優化改造的制造技術

2.1 材料以及熱處理技術

各類大型冶金機械所搭載的傳動裝置，最為關鍵的就是軸齒輪以及焊接齒輪圈等零部件，而此類零部件所選用的原材料都是性能極強的合金鋼優質材料。 如常見的38SiMnMo、42CrMo4、35CrMo等，這些齒輪材料的結構硬度處于HB280－360 之間。 另外，滲碳淬火齒輪主要材料是20CrMnMo、20CrNi4、20CrNiMo、25Cr2Mov 等。

重型承載齒輪的結構強度、硬度要求水平，相較于一般的小型齒輪而言，在參數需求和規格方面有著顯著差距。 在齒輪搭載方案初期規劃階段，往往就會根據擬定的產線強度和工況環境，進行齒面應力分布情況的預計算。 在配置傳動齒輪時，還會進行最大剪應力條件下齒輪深度值的核定計算，而這一計算結果將作為齒輪參數配置、齒輪強度結構水平的關鍵參考依據。

2.2 漸開線齒輪修整技術

轉爐傾動設備、軋機主減速機等核心部件的齒輪需要根據現場工況情況進行適當調整和優化，一般以齒向修型、齒高修型兩種工藝為主。

上述當中修正方法在具體操作時，都需要借助專業化的修整設備，對齒輪齒面進行一次磨削來達成。 如寶鋼2050 熱軋機驅動副齒輪在確定修整方案時，就對淬火、調質等修整工藝進行了反復對比與研討，最終結合齒輪配置方案的具體情況，選用了滲碳淬火的齒輪修正方案。 而沙鋼1075 軋鋼設備驅動齒輪組的修整方案，則是選用了齒輪調質的修整工藝。 之所以要對齒輪進行修整，關鍵是為了確保齒輪齒根曲線相切關系能夠穩固，來實現對應力的集中消除，避免應力積累和間隙釋放導致齒輪形變。

2.3 配套軸承

冶金機械設備傳動裝置減速機在齒輪配置方案確定過程中“滾動軸承”的配置方案相較于其他配置模式而言，往往更受青睞。 而這一選擇傾向的關鍵在于滾動軸承配置模式，能夠有效應對不同條件、環境下的“齒輪→軸系比”變化問題，在穩定性和適用性上更具優勢。 配套軸承的作用效能是通過各元件之間的滾動接觸，來提供零件轉動所需效能的有效傳輸。 滾動軸承之所以在冶金機械設備傳動齒輪裝置中得到廣泛應用，是因為該軸承模式具有顯著的摩擦阻力小、功率消耗少、起動容易等特點。 當然需要指出的是，滾動軸承也會因間隙調整不當等緣故，出現過熱變色、銹蝕、紋裂等損壞情況，因此需要對齒輪及軸承設備間隙進行合理掌控和動態調整。

2.4 偏心套方案

傳統齒輪位置調整方法，由于步驟繁瑣和受外界環境干擾較大等客觀因素的存在，往往會在調整過程中給冶金機械設備的日常運轉帶來顯著干擾。即由于減速機本身軸承孔加工過程出現誤差，或者齒輪制造設計失誤等，從而最終使得實際齒輪嚙合位置達不到設計所需要的狀態。 國內學術界及研究人員針對這一問題進行了深入探討，最終經過綜合論證與實踐反饋，并借助計算機編程技術進行了精準計算，最后偏心套式結構設計模式。 這一結構設計模式使得齒輪減速機的正確位置嚙合水平得到有效保障。

圖4 齒輪偏心套結構示意圖

減速機齒輪傳動裝置的裝配和調試過程中，應當借助偏心套結構進行動態調試和不斷調整，從而使得齒輪嚙合得到盡可能的最優狀態。 借助于科學的偏心套位置調整方案和具體方法，能夠對傳統齒輪設計、裝配模式過程中出現的齒面傾斜、摩擦情況進行有效改善。 此外通過調整單個偏心套的操作，還能夠確保一根齒輪的導輪軸兩側偏心套轉動的角度相同且方向相同，能夠改變齒輪嚙合的中心距，從而調整齒輪完成嚙合的側面縫隙，最終才能夠實現減速機齒輪嚙合設計所要求的理想狀態和最佳精度。

3 冶金環境下齒輪傳動裝置的改造提升要點

3.1 齒輪強度進一步提升

主流的齒輪方案在確定過程中，一般都會傾向于硬齒面鑄造工藝。 占到了全部齒輪應用情境的95%以上。 而隨著國內外關于材料科學和機械設備研究領域的不斷深入，齒輪鑄造工藝將會得到進一步優化，因此，大型冶金機械設備當中所運用的齒輪傳動裝置零部件強度將會得到進一步提升。

3.2 吻合精準度水平有效提升

目前，各類大型設備在安裝和調試過程中，一般都會采用磨齒和著硬刮削等修整工藝，對齒輪設備進行調整和修整，從而進一步提升齒輪吻合精準度水平。 目前冶金齒輪粗糙度在Ra0.8－1.6 左右，從而使得齒輪轉定穩定性水平得到有效提升，并且齒輪摩擦噪音得到了明顯降低。 近年來以漸開線修整技術為主要代表的齒輪調配工藝，能夠使得齒輪的嚙合性能、重疊系數、傳動效率、彎曲強度等工藝水平得到進一步強化，并且以直齒圓柱齒輪、螺旋齒輪和人字齒圓柱齒輪等齒輪結構造型為主的鑄造工藝不斷優化，將會使得齒輪吻合精準度水平得到明顯提升。

3.3 齒輪性能得到明顯加強

近年來，國內冶金齒輪裝置的發展方向，開始不斷朝著更大的模數以及更少的齒數方向發展。各類冶金設備的傳動方案在設計過程中也開始紛紛應用柔性均載結構設計模式，從而進一步保障和提升了所應用傳動齒輪裝置的平均承載力水平。齒輪加工技藝進一步朝著集成化、穩定化和多元化方向前進，并且隨著相關配套工藝的成熟，以及材料學、力學等工業技術領域研究成果的不斷出現，將會進一步提升冶金齒輪傳動裝置的性能水平。

3.4 齒輪傳動系統復雜程度進一步提升

齒輪傳動裝置自身所具備的可選擇性和帶動性特點，是其他結構模式和零部件所無法比擬的，因此在冶金機械設備領域得到了廣泛應用。 而隨著精密加工技藝的不斷優化，以及冶金設備聯合產線方案的不斷成熟，對于齒輪傳動裝置聯合性、系統性的水平要求將會更高。 而隨著齒輪傳動裝置力學研究的不斷深入，也將會支持著冶金機械設備齒輪傳動系統復雜度水平進一步提升。

4 結語

本文以齒輪傳動裝置設備為對象。 首先對齒輪傳動裝置設備適用原理、性能參數、主要零件及應用現狀進行介紹；其次研究了冶金傳動齒輪改造的制造材料和技術，包括鑄造材料優化、漸開線齒輪修整技術、配套軸承以及偏心套調整方案等；最后對齒輪傳動裝置的改造進行了研究。 隨著材料學、力學等學科研究的深入以及齒輪傳動裝置設備的實踐優化，冶金機械設備所應用傳動齒輪的強度、精度、穩定性水平以及系統集成水平將會得到進一步提升。