150T钢包倾翻装置的国产化改进设计

□ 马丽君 □ 冯 萍

哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所 无锡分部 江苏无锡 214151

柔性传动装置（即悬挂安装柔性传动）是一种用途十分广泛的低速、大转矩、大减速比且结构紧凑的传动装置，其结构主要有3大特点：悬挂安装、多点啮合和柔性支承［1］。

上海宝山钢铁股份有限公司炼钢厂的150T电炉钢包倾翻装置，是由法国DURAND公司引进，采用拉杆式（BFT型）、半悬挂、两点啮合的柔性传动设备。整个设备主要包括第一、二级蜗轮蜗杆减速器，第三级齿轮传动，弹簧重量平衡器和扭杆转矩平衡装置及两个成对角线布置的拉杆（见图1）。该设备从1996年投产使用至2001年，靠近驱动侧的第二级传动的蜗杆出现断齿，蜗轮出现严重点蚀、剥落。2003年10月，该设备又发生扭力轴两端断裂的事故。经过对该设备传动系统负荷测试以及上述故障的分析，对原设计第一、二级蜗轮蜗杆副以及扭力轴两端花键的强度进行校核后，国产化设计了蜗轮蜗杆传动副以及扭力轴。

1 设备改进技术指标

（1）钢包的负载总重由原设计82 t提高10%。

▲图1 150T电炉钢包倾翻装置简图

（2）每天清理钢包30只，使用寿命大于10年。

2 对蜗轮蜗杆副、齿轮副的故障分析及改进设计

2.1 原蜗轮蜗杆副、齿轮副的强度校核复算

原机第一级、第二级蜗轮蜗杆副（阿基米德蜗杆）强度、刚度计算结果见表1。

蜗轮蜗杆副的强度校核复算（表1）是依据参考文献［1］上册第2章第4节进行的。从表1中得出，原第一级蜗轮蜗杆副强度、刚度均满足要求，第二级蜗轮蜗杆副齿面接触疲劳强度虽满足要求，结果却偏低,其蜗杆轴刚度明显不足。表1列出的数据主要与国产化改进设计后的数据作比较。

2.2 原蜗轮蜗杆副、齿轮副点蚀、剥落及断齿情况失效分析

表1 原蜗轮蜗杆副强度、刚度校核复算结果

蜗杆轴刚度不足将严重影响齿的啮合，造成偏载，加剧磨损和发热［2］。蜗杆齿根部本身是个应力集中源，长期在交变应力的作用下，蜗杆齿部产生疲劳裂纹，随着疲劳裂缝的扩展，导致蜗杆轮齿断裂破坏。由于两啮合点间的载荷不可能达到完全相等，靠近驱动侧的第二级传动蜗杆比另一侧的蜗杆在任何情况下受到的载荷更大一些，所以靠近驱动侧的第二级传动的蜗杆首先出现断齿现象 （见图2所示）。

蜗轮齿面出口处本身存在二次接触区，蜗轮旋转一周，这里接触两次，载荷作用的频率高，久而久之，齿面或齿面以下很浅处的疲劳裂缝扩展导致点蚀、剥落（如图3所示）。

材料上的缺陷和热处理质量差，润滑系统处理不好，装配方面的失误，使用和维护方面的失误同样也能造成轮齿折断、齿面点蚀和剥落［3］。

由中冶集团北京冶金设备研究总院2002年9月编写的《宝钢电炉钢包倾翻装置负荷测试分析报告》第5.1条：在3#工况（钢包自水平位置停留后，继续转动到倒立位置，即钢包底部朝上的位置）开始阶段，由于电动机带载起动，引起较大的扭矩冲击，扭矩峰值达1.197 kN·m，是额定扭矩0.877 kN·m的1.36倍，是起动前水平负荷的1.74倍，这是本次测试中高速轴出现的最大动态扭矩。

报告第6.3条：当传动系统带载起动时，将出现较大的扭矩冲击，使传动系统过载。由于钢包水平位置负载最大，因此在生产中应避免在水平位置起动。

在本钢包倾翻装置生产过程中，实际上并没有正确按照操作规程执行，操作员经常在钢包处于水平位置时直接转至倒立位置（此时转矩最大），如此瞬间或因系统运行不稳定使载荷发生急剧变化，轮齿不断受到强力冲击，使齿轮载荷严重集中，局部应力过高，导致齿面的点蚀乃至失效。

生产设备上的齿轮传动发生失效事故时，对轮齿的失效进行科学而周密的观察和测量，不仅可以找出改进齿轮传动工作能力和质量的措施，还可以给齿轮传动的研究、设计、制造和维护使用等方面提供重要的资料。

2.3 对蜗轮蜗杆副的改进设计

▲图2 原机驱动侧第二级蜗杆断齿图

▲图3 原机驱动侧第二级蜗轮轮齿点蚀图

因钢包的负载总重提高了10%，为提高承载能力，提高加工精度以及齿面硬度，蜗杆齿形由原阿基米德齿 （ZA型）改进为圆弧齿（ZC1型），蜗杆表面渗碳淬火，中心距和模数适当加大，从而提高传动性能，达到提高蜗轮蜗杆副的接触疲劳强度极限和蜗杆轴刚度的目的。

另外，除了采用本系统中左右传动架下的弹簧重量平衡器及转矩平衡装置以达到自动平衡外，在加工装配中，也通过精确调整左右两台第二级蜗轮蜗杆副的侧隙，使其左右两边的侧隙基本一致，并且确保大齿轮与两小齿轮轴的中心位于同一水平线上，公差要求±1 mm。如此，使左右两啮合点载荷分配均衡。

2.4 改进设计后蜗轮蜗杆副、齿轮副强度计算结果

改进后第一级、第二级蜗轮蜗杆传动副强度、刚度计算结果见表2。

表2 改进后蜗轮蜗杆副的强度计算结果

从表2强度计算结果可以看出，齿面接触强度以及蜗杆轴刚度有了明显的提高，同时也达到了项目技术指标的要求。

3 对扭力轴两端花键的故障分析及改进设计

3.1 原扭力轴两端断裂的原因分析

扭力轴是转矩平衡装置的重要组成元件。扭力杆除了平衡转矩外，还起到随时均衡两小齿轮载荷的作用。2003年10月，扭力轴两端发生断裂 （如图4所示），首先当钢包从水平位置直接转至倒立位置时产生的转矩最大，这时最容易发生事故。同时当左右两啮合点载荷出现严重不平衡，超过扭力轴所能承受的转矩，也会发生事故。通过对原扭力轴两端花键强度的校核复算（见表3）可知，在3种情况下挤压强度也都无法满足要求。

3.2 对扭力轴两端花键的改进设计

针对扭力轴两端花键，其材料由原来的50CrVA改为40CrNiMoA（调质），原矩形花键改用渐开线花键，通过对渐开线花键的强度计算（见表4），可知其满足设计要求。

表3 矩形花键的挤压强度校核结果（计算方法按参考文献［1］第2卷第三章第3.2节进行）

表4 渐开线花键的挤压强度校核结果（计算方法按参考文献［1］第2卷第三章第3.2节进行）

4 结束语

（1） 通过该设备的国产化改进设计，使新设计装置在安装尺寸及机械接口与原装置保持不变的情况下，大大提高了承载能力，与原引进设备相比，运转平稳，噪声低。

（2）正确的操作维护也是提高设备寿命的因素之一。对于本设备，专门编制了运行维护使用说明书，特别指出，在任何情况下，禁止在钢包水平位置直接转至倒立位置。同时设备每次拆卸后重新装配，各项内容必须按装配要求调整准确。

▲图4 原机扭力轴轴端断裂图

［1］ 成大先主编.机械设计手册［M］.北京.化学工业出版社，2002.

［2］ 齐麟编著.蜗杆传动设计［M］.北京.机械工业出版社，1987.

［3］ 中国机械工程学会，中国机械设计大典编委会编著.中国机械设计大典［M］.南昌：江西科学技术出版社，2002.