趙　崠　吳慶君

(1．太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工機械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

?

十三輥高強度中板矯直機集中傳動齒輪分配箱的傳動方案設(shè)計

趙崠1吳慶君2

(1．太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工機械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

摘要：針對高強度中板矯直機性能和傳動特點，分析了其集中傳動齒輪分配箱的傳動特點、方案設(shè)計與技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：矯直機；齒輪分配箱；傳動方案

板材矯直機的傳動系統(tǒng)主要由電機、聯(lián)軸器、減速機、齒輪分配箱、萬向接軸等組成。傳動原理是電機傳動經(jīng)減速機減速后得到所需要的矯直速度與矯直力矩，輸入齒輪分配箱，再經(jīng)萬向接軸輸出至每一個矯直輥單元以帶動設(shè)備轉(zhuǎn)動運行。

齒輪分配箱是傳動系統(tǒng)中的重點裝置，其內(nèi)部是一系列齒輪軸，各齒輪軸之間聯(lián)系緊密、受力復雜、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩大。在設(shè)計中需針對不同類型的矯直機來制定符合其傳動特點的齒輪分配箱傳動方案。

高強度中板矯直機具有矯直的板材厚度較薄、屈服強度高、矯直速度快、矯平精度高、矯直力矩大，矯直輥數(shù)量多、輥徑和輥距小的特點。選用集中傳動齒輪分配箱是符合其技術(shù)要求的。

1矯直機主要技術(shù)參數(shù)

1.1矯直鋼板性能規(guī)格

鋼板溫度：≤80℃

鋼板寬度：(900～2 150)mm

鋼板厚度：(3～12)mm

鋼板屈服強度：≤700 MPa

1.2矯直速度與矯平精度要求

矯直速度：(15～100)m/min

矯平精度：≤2.5 mm/m2

1.3輥系參數(shù)

矯直輥數(shù)量：13根(上排6根，下排7根)

矯直輥直徑：?130 mm

矯直輥輥距：140 mm

十三輥高強度中板矯直機的輥系排列與傳動方向如圖1所示。

2矯直機的集中傳動系統(tǒng)

十三輥高強度中板矯直機的集中傳動系統(tǒng)主要由電機、聯(lián)軸器、減速機、齒輪分配箱、萬向接軸等組成，如圖2所示。電機傳動經(jīng)減速機減速后由單支傳動輸入齒輪分配箱，再經(jīng)其內(nèi)部的一系列齒輪軸傳動分配后等速輸出至13根萬向接軸，從而帶動上下排矯直輥分別以相反方向轉(zhuǎn)動。

3矯直機齒輪分配箱的傳動特點

3.1齒輪箱功能要求

齒輪箱由單支輸入，經(jīng)內(nèi)部齒輪傳動后多支輸出到萬向接軸傳遞至各個矯直輥，故各傳動輸出軸的排列與傳動方向要與圖1矯直機的輥系排列與傳動方向一致。

齒輪箱輸入、輸出轉(zhuǎn)數(shù)一致，傳動比i=1。

3.2齒輪箱傳遞總扭矩大，各輥輸出扭矩不同

在矯直過程中，因所需矯直板材的變形原始曲率大小和方向均不相同。當軋件進入矯直機時，原始曲率最大，加之應(yīng)用大變形矯直方案，所以前幾根矯直輥受到的矯直力矩最大，而隨著軋件的原始曲率逐漸減小，后續(xù)矯直輥所受的扭矩也相應(yīng)減小。因此，每根矯直輥受到的矯直力矩都是不一樣的，各矯直輥傳遞到齒輪箱相應(yīng)輸出軸的矯直扭矩也就不一樣。

圖1　矯直輥系排列與傳動方向

1—電機　2—安全聯(lián)軸器　3—減速機

計算得出各矯直輥扭矩Mn：

M1= 927.5 N·m

M2= 2 782.5 N·m

M3= 3 710 N·m

M4=M5=M6=M7=M8=M9=M10= 3 091.6 N·m

M11= 2 473.2 N·m

M12=1 854.9 N·m

M13= 618.3 N·m

總扭矩M=34 007.6 N·m

由計算結(jié)果得知，進料側(cè)第3根矯直輥所受扭矩為單輥最大扭矩，前4根矯直輥的扭矩總和占總扭矩的30%。

3.3齒輪箱運轉(zhuǎn)方向具有可逆性

由于板材在矯直過程中會進行多道次的往復矯直，矯直機的出料側(cè)也是軋件的進料側(cè)，出料輥也是進料輥，各矯直輥依次反轉(zhuǎn)，各矯直輥傳遞到齒輪箱相應(yīng)輸出軸的扭矩也相應(yīng)改變。

3.4結(jié)構(gòu)緊湊，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)

齒輪箱的傳動輸出是通過萬向接軸連接到各個矯直輥的。萬向接軸屬于易損件，為保證傳遞扭矩與使用壽命，其安裝軸線的工作折角應(yīng)小于3°。與萬向接軸相連的矯直輥數(shù)量多、間距小，且各輥呈上下交錯排列、結(jié)構(gòu)緊湊，要滿足上述接軸工作折角要求，齒輪箱各出軸的排列間距也要小。

3.5性能可靠，經(jīng)濟適用

齒輪箱內(nèi)部的傳動齒輪軸的齒形采用漸開線硬齒面齒形，齒形經(jīng)滲碳淬火后需進行磨齒，制造周期長、成本高。故齒輪箱的傳動方案在滿足性能要求的同時還應(yīng)降低生產(chǎn)制造成本。

4矯直機齒輪箱傳動方案設(shè)計

4.1主要設(shè)計參數(shù)

矯直機傳動電機功率P=450 kW，轉(zhuǎn)速n1=1 000 r/min，減速機速比i=8，環(huán)境溫度為0~45℃，齒輪箱采用漸開線圓柱斜齒輪傳動，軸承采用圓柱滾子調(diào)心軸承。

齒輪箱傳遞總扭矩M=34 007.6 N·m；入口側(cè)第3根矯直輥所傳遞的力矩為單輥最大扭矩，傳動比i=1，過載系數(shù)K=1.6，承受中等沖擊載荷，運轉(zhuǎn)方向可逆。齒輪箱輸出軸排列結(jié)構(gòu)緊湊，使連接到各個矯直輥的萬向接軸工作折角小于3°。

4.2傳動布置形式

齒輪箱傳動形式應(yīng)使齒輪箱輸出軸排列結(jié)構(gòu)緊湊，總扭矩得到合理的分配，并能以單輥最大扭矩進行齒輪強度校核。故采用兩級分配的傳動方案，第一級分配先將單支輸入扭矩分配到第1、4、7、10、13軸上，再通過這五根軸分別進行第二級分配，將力矩分配到所有矯直輥上。在第二級分配中齒面布置采用交替分布，這樣可以有效的減小輸出軸中心距(見圖3)。

4.3各級分配齒輪技術(shù)參數(shù)及強度核算

因為各輸出軸受到的彎扭合成力矩會作用到傳動齒輪上，所以可通過計算彎扭合成力矩、齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力來校核軸與齒輪的強度。若齒輪在兩處嚙合時，則取兩個切向力中的較大值進行計算。由圖3可知，第4軸所受力矩最大，其與3、5軸齒輪在兩處嚙合，由于第3軸所傳遞的力矩為單輥最大扭矩，所以取第3軸切向力進行齒輪強度校核。

圖3　傳動布置形式圖

4.3.1二級分配齒輪的主要技術(shù)參數(shù)與強度計算

(1)二級分配齒輪的主要技術(shù)參數(shù)

二級分配齒輪的中心距a1=175 mm，齒數(shù)Z=21，螺旋升角β=8°，法向模數(shù)mn=8，分度圓直徑d=169.651 mm，工作齒寬b=140 mm。材料為20CrNi2Mo，調(diào)質(zhì)熱處理硬度217~255HBW，齒部滲碳淬火，滲碳層深度(1.2~1.5)mm(550HV時)，芯部硬度為30~38HRC，齒面硬度為58~62HRC，齒輪精度等級為6級，試驗齒輪的接觸疲勞極限σHlim=1 500 MPa，彎曲疲勞極限σFlim=450 MPa。

(2)齒輪強度計算

1)齒面接觸應(yīng)力σH計算公式為：

式中ZB——單對齒嚙合系數(shù)，ZB=1；

ZH——節(jié)點區(qū)域系數(shù)，ZH=2.3；

ZE——彈性系數(shù)，ZE=189.8；

Zε——重合度系數(shù)，Zε=0.852；

Ft——分度圓上名義切向力，單位為N；

KA——使用系數(shù)，KA=1.5；

KV——動載系數(shù)，KV=1.03；

KHβ——螺旋線載荷分布系數(shù)，KHβ=1.254；

KHα——齒間載荷分布系數(shù)，KHα=1.1；

u——齒數(shù)比，u=1。

代入計算得：Ft=43 736.85 N

σH=1 037.28 MPa

2) 齒根彎曲應(yīng)力σF計算公式為：

式中KFβ——螺旋線載荷分布系數(shù)，KFβ=1.22；

KFα——螺旋線載荷分配系數(shù)，KFα=1.1；

YFα——齒廓系數(shù)，YFα=2.35；

YSα——應(yīng)力修正系數(shù)，YSα=1.71；

Yε——重合度系數(shù)，Yε=0.72；

Yβ——螺旋角系數(shù)，Yβ=0.95。

代入計算得：σF=222.55 MPa

3)接觸強度的安全系數(shù)SH計算公式為：

式中ZNT——壽命系數(shù)，ZNT=1.1；

ZLZVZR——潤滑油膜影響系數(shù)，ZLZVZR=0.92；

ZW——齒面硬化系數(shù)，ZW=1；

ZX——尺寸系數(shù)，ZX=0.99。

代入計算得：SH=1.45

計算所得SH值大于規(guī)定的較高可靠度時最小安全系數(shù)SHmin=1.25~1.30，齒面接觸強度核算合格。

4)彎曲強度的安全系數(shù)SF計算公式為：

式中YST——試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，YST=2；

YNT——壽命系數(shù)，YNT=0.94；

YδrelT——相對齒根角敏感系數(shù)，YδrelT=1；

YRrelT——相對齒根表面狀況系數(shù)，YRrelT=1.03；

Yx——尺寸系數(shù)，Yx=0.97。

代入計算得：SF=3.8

計算所得SF值大于規(guī)定的高可靠度時最小安全系數(shù)SFmin=2，齒面彎曲強度核算合格。

4.3.2一級分配齒輪的主要技術(shù)參數(shù)(強度計算過程從略)

一級分配齒輪的中心距a1=297.363 mm，齒數(shù)Z=29，螺旋升角β=8°，法向模數(shù)mn=10，分度圓直徑d=292.85 mm，工作齒寬b=170 mm。材料為20CrNi2Mo，調(diào)質(zhì)熱處理硬度217~255HBW，齒部滲碳淬火，滲碳層深度(1.4~1.8)mm(550HV時)，芯部硬度為30~38HRC，齒面硬度為58~62HRC，齒輪精度等級為6級，試驗齒輪的接觸疲勞極限σHlim=1 500 MPa，彎曲疲勞極限σFlim=380 MPa。

圖4　齒輪分配箱安裝尺寸

4.4齒輪箱安裝尺寸

齒輪箱安裝尺寸見圖4。

外形尺寸：長1 880 mm×寬1 500 mm×高1 300 mm；

設(shè)備重量：6 627 kg；

萬向接軸工作折角：齒輪箱輸出軸間距170 mm，當萬向接軸計算長度為2 050 mm時，下排矯直輥萬向接軸最大水平方向工作折角為2.51°，上排矯直輥萬向接軸最大水平方向工作折角為2.09°，最大垂直方向工作折角為0.42°。安裝尺寸滿足接軸傳遞扭矩的要求。

5結(jié)論

針對十三輥高強度中板矯直機的技術(shù)參數(shù)和傳動特點，分析了集中傳動齒輪分配箱傳動特點，進行了齒輪箱傳動方案設(shè)計。經(jīng)該傳動方案設(shè)計制造的齒輪箱，性能可靠，經(jīng)濟適用，能夠完全滿足實際生產(chǎn)需要。

編輯杜敏

Gearing Scheme Design of Gear Distribution Box with Centralized Drive for Thirteen Rolls High Strength Middle Plate Straightener

Zhao Dong, Wu Qingjun

Abstract：Regarding to property and transmission features of high strength middle plate straightener, transmission characteristics, scheme design and technical parameters of gear distribution box have been analyzed.

Key words：straightener; gear distribution box; gearing scheme

中圖分類號：TH132.41

文獻標志碼：B

收稿日期：2015—07—06