胡廣生， 昌子達(dá)， 袁 歡， 明江勇

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

轉(zhuǎn)爐作業(yè)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠傳動(dòng)裝置來完成的，轉(zhuǎn)爐的操作會(huì)對(duì)減速器蝸輪副產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)初次投入運(yùn)行和(或)未經(jīng)完全跑合的蝸輪副影響嚴(yán)重。本文結(jié)合某廠多臺(tái)銅锍吹煉PS轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)裝置運(yùn)行情況，介紹PS轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)裝置專用減速器蝸輪副跑合方案設(shè)計(jì)、過程和結(jié)果分析，提出注意事項(xiàng)，成功預(yù)防和解決蝸輪副過早出現(xiàn)異常磨損故障。

1 轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)簡(jiǎn)介

大型銅锍吹煉PS轉(zhuǎn)爐由于其具有熱容量大、作業(yè)周期內(nèi)溫度變化小、爐襯壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]，如圖1所示,轉(zhuǎn)爐主要由爐體、支承和傳動(dòng)裝置、送風(fēng)和捅風(fēng)眼系統(tǒng)以及配套的余熱鍋爐、環(huán)境集煙等組成,其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1-滾圈和支撐裝置；2-爐口；3-爐體；4-大、小齒圈；5-專用減速器；6-送風(fēng)系統(tǒng)；7-電機(jī)圖1 PS轉(zhuǎn)爐示意圖

大型轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)裝置普遍采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)和圓柱齒輪傳動(dòng)于一體的專用減速器作為簡(jiǎn)潔的傳動(dòng)裝置配置方案[2-3]，由交流和直流電機(jī)、專用減速器、制動(dòng)器、開式齒輪副等組成。轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)作業(yè)采用交流電機(jī)傳動(dòng)，交流失電或故障時(shí)由直流電機(jī)將爐體驅(qū)動(dòng)至安全位置。

其中專用減速器工作原理如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)為：型號(hào)- 3TUG560；傳動(dòng)比- 108；蝸輪蝸桿傳動(dòng)中心距560 mm，圓柱齒輪傳動(dòng)中心距800 mm。

1-斜齒輪副；2-直流電機(jī)；3-傘齒輪；4-制動(dòng)器；5-蝸輪蝸桿；6-交流電機(jī)圖2 減速器工作原理圖

2 蝸輪副運(yùn)行中的問題

轉(zhuǎn)爐作業(yè)時(shí)，常會(huì)發(fā)生下列情況：一是在裝料、吹煉、排料等過程中需要頻繁間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)回轉(zhuǎn)體(含砌體、銅锍)總重達(dá)到550 t左右；二是局部砌體如風(fēng)眼區(qū)需要經(jīng)常性挖修；三是吹煉過程中產(chǎn)生大量的噴濺物，易形成局部粘接堆積?；谵D(zhuǎn)爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)影響因素，上述情況會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)體重心與幾何中心不重合(通常在爐體初次安裝時(shí)，調(diào)整配重使重心處于幾何中心位置)，致使?fàn)t體回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生附加力矩[4]，而附加力矩對(duì)傳動(dòng)裝置產(chǎn)生影響，即PS轉(zhuǎn)爐專用減速器時(shí)常在變負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，這將對(duì)于初次投入運(yùn)行和(或)未經(jīng)完全跑合的蝸輪副產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

如果蝸輪副跑合未達(dá)到理想狀態(tài)(嚙合接觸面積不足)，當(dāng)附加力矩成為阻力矩時(shí)，可能造成蝸輪副接觸應(yīng)力大于許用值，甚至導(dǎo)致蝸輪表面直接擦傷，它產(chǎn)生的金屬碎屑夾雜在嚙合面之間，使磨損進(jìn)一步快速加劇。如此循環(huán)，將導(dǎo)致蝸輪副在短時(shí)間內(nèi)因過度磨損而失效。

近年，某冶煉廠多臺(tái)φ4 m×11.7 m大型轉(zhuǎn)爐相繼投入運(yùn)行，其中1#轉(zhuǎn)爐蝸輪副連續(xù)發(fā)生了二次異常磨損而報(bào)廢，主要運(yùn)行故障總結(jié)見表2。

表1 PS轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)參數(shù)

表2 某廠PS轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副主要運(yùn)行(故障)情況

當(dāng)轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副發(fā)生異常磨損又未及時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)，對(duì)正在作業(yè)期的轉(zhuǎn)爐將可能失去控制而發(fā)生嚴(yán)重事故，并產(chǎn)生較大的修理費(fèi)用和較長(zhǎng)的修理時(shí)間。轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副異常磨損的發(fā)生，與潤(rùn)滑或初期跑合技術(shù)控制等有關(guān)。因此對(duì)大型轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副的跑合至關(guān)重要，應(yīng)使跑合完全、接觸良好、承載能力達(dá)到規(guī)定值，同時(shí)在初期運(yùn)行一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)納入嚴(yán)密的技術(shù)狀態(tài)管理。

3 轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副跑合方案設(shè)計(jì)

蝸輪副制造時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工誤差，一般通過跑合性磨損，可逐漸消除齒面凸點(diǎn)、毛刺[5]，增大有效接觸面積，降低接觸應(yīng)力，使減速器從“出廠狀態(tài)”過渡到“使用狀態(tài)”，并且達(dá)到以下目的：使齒面形成新的和足夠的接觸面，降低嚙合接觸應(yīng)力；硬化齒面，增強(qiáng)蝸輪表面的機(jī)械性能，避免產(chǎn)生破壞性磨損；降低蝸輪表面粗糙度，減少膠合和點(diǎn)蝕。

理想狀態(tài)下，作為大型轉(zhuǎn)爐主傳動(dòng)裝置的專用減速器蝸輪副正式投入作業(yè)前，應(yīng)進(jìn)行空載和完全負(fù)載跑合，即分別以0、25%、50%、75%、100%的額定載荷運(yùn)轉(zhuǎn)。每一階段運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以油溫平衡為準(zhǔn)，但不得小于2 h，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)制定檢查記錄標(biāo)準(zhǔn)，并保證潤(rùn)滑良好，無異常振動(dòng)和噪音，使蝸輪副形成足夠的嚙合接觸面。

基于大型PS轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在安裝后的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往不能嚴(yán)格按照理想載荷遞增的要求進(jìn)行跑合,通常利用自身的傳動(dòng)裝置和非生產(chǎn)作業(yè)載荷進(jìn)行跑合。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出了簡(jiǎn)化后的跑合方案，該方案通過了多臺(tái)轉(zhuǎn)爐專用減速器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證。

3.1 無負(fù)載跑合

空載跑合，時(shí)長(zhǎng)4 h。在設(shè)備安裝調(diào)試完成后，利用現(xiàn)場(chǎng)主傳動(dòng)裝置，斷開負(fù)載聯(lián)軸器，先正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各30 min，觀察運(yùn)行電流、減速器油溫等變化情況并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)束后分別停車檢查蝸輪副嚙合情況。此后，以油池溫升小于60 ℃和最高運(yùn)行油溫不能超過90 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置合理的間隙時(shí)間，并使正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到4 h。

3.2 負(fù)載跑合

3.2.1 轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)重心和跑合起始位置的確定

如圖3所示，在轉(zhuǎn)爐正常吹煉作業(yè)時(shí)設(shè)定位置1、位置2、位置3、位置4，分別對(duì)應(yīng)爐體刻度0°、90°、180°、270°，并在位置1設(shè)置角度指示器，設(shè)定爐體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為正轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為反轉(zhuǎn)。

圖3 轉(zhuǎn)爐吹煉位置示意圖

為了使跑合載荷從小到大逐漸增加，應(yīng)正確確定爐體重心位置(注意：對(duì)于經(jīng)過作業(yè)的爐體，由于吹煉過程中噴濺粘結(jié)物的形成導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐爐體重心是變化的)。

通過對(duì)爐體360°旋轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)重心在通過位置1和位置3將產(chǎn)生最大的動(dòng)力矩和最大的阻力矩，對(duì)應(yīng)點(diǎn)運(yùn)行電流將為最小和最大值。那么在對(duì)爐體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，記錄電機(jī)運(yùn)行電流的最大和最小值時(shí)爐體對(duì)應(yīng)位置即可標(biāo)定爐體回轉(zhuǎn)重心位置。

若將回轉(zhuǎn)體重心調(diào)整到位置2并當(dāng)爐體正轉(zhuǎn)時(shí)，附加力矩將按正弦函數(shù)變化。跑合時(shí)，考慮滿足跑合載荷逐步增加的原則，可將回轉(zhuǎn)體重心調(diào)整到位置2或位置4附近，設(shè)置此時(shí)爐體在角度指示的位置為0°，并作為跑合起始點(diǎn)。

3.2.2 負(fù)載跑合方案

為了實(shí)現(xiàn)跑合過程施加給蝸輪副的載荷均勻增加和控制實(shí)際嚙合范圍，以蝸輪副旋轉(zhuǎn)1周作為運(yùn)行控制單元，可以通過式(1)計(jì)算出蝸輪副回轉(zhuǎn)一周時(shí)爐體所轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

θ=360°/(i1×i2)

(1)

式中：θ為爐體旋轉(zhuǎn)角度；i1為開式齒輪傳動(dòng)比；i2為專用減速器斜齒輪傳動(dòng)比。

根據(jù)設(shè)備參數(shù)，計(jì)算得：θ=360°/(8.764 7×2.16)=19.02°(取20°)，即爐體回轉(zhuǎn)約20°時(shí)，蝸輪副回轉(zhuǎn)約1周。同時(shí)，可以得出每回轉(zhuǎn)20°時(shí)的有效嚙合時(shí)間t，見式(2)。

t=(θ/(r×360°))×60+t1=(20/(0.606×360)×60)+2=7.5 s

(2)

式中：t1為制動(dòng)器慣性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，2 s；r為爐體轉(zhuǎn)速 (rpm)。

跑合的第一步，使?fàn)t體在0°至+20°范圍內(nèi)運(yùn)行。先從0°運(yùn)行到+20°，停機(jī)3 min；再從+20°回轉(zhuǎn)至0°，停機(jī)3 min；如此反復(fù)運(yùn)行30次。并進(jìn)行運(yùn)行電流檢測(cè)，即I運(yùn)行，見式(3)。

I計(jì)算=I空載+(I滿載—I空載)×(30%～40%)

(3)

比較電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流與計(jì)算電流值：當(dāng)I運(yùn)行≤I計(jì)算時(shí)，執(zhí)行跑合方案一，見表3；否則，執(zhí)行跑合方案二，見表4。

表3 跑合方案一

表4 跑合方案二

4 PS轉(zhuǎn)爐專用減速器蝸輪副跑合實(shí)例

某廠1#轉(zhuǎn)爐2014年建成，投入運(yùn)行后不久先后發(fā)生二次蝸輪副異常磨損(表2)，在第二次更換蝸輪副后，至今運(yùn)行正常，跑合過程和數(shù)據(jù)整理如下所述。

4.1 空載跑合

空載跑合時(shí)，先進(jìn)行了正、反轉(zhuǎn)各30 min運(yùn)行，檢查后進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)各90 min運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行4 h。運(yùn)行電流、減速器油池溫度、嚙合情況見圖4～6。圖6中圖中高亮部分為實(shí)際嚙合面，并提示蝸輪副有效接觸面較少。

4.2 負(fù)載跑合

4.2.1 跑合起始角度0°角的確定

對(duì)于剛剛完成的耐火襯砌體，往往需要進(jìn)行一次吹煉掛渣作業(yè)以保護(hù)砌體在跑合運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的安全，此時(shí)爐體重心往往與幾何中心不重合(對(duì)于經(jīng)過多次吹煉作業(yè)的爐體可能尤為明顯)，將爐體正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)360°，分別記錄電流最大值和最小值對(duì)應(yīng)位置，重心處于其連線上。

測(cè)得，正轉(zhuǎn)時(shí)，185°Imax=132 A，350°Imin=120 A，反轉(zhuǎn)時(shí)，10°Imax=132 A，190°Imin=122 A，可知爐體重心在近似刻度10°附近。在正常生產(chǎn)過程中，主要傾轉(zhuǎn)角度為0°至130°，實(shí)際跑合時(shí)爐體重心處于最下端。因此，按照設(shè)計(jì)方案，跑合的第一步傾轉(zhuǎn)角度為100°至80°，如圖7所示。

4.2.2 跑合方案的選擇

在完成第一步跑合后，實(shí)際運(yùn)行電流為：119～131 A(正轉(zhuǎn))和121～130 A(反轉(zhuǎn)), 且電流多處于130 A左右。

根據(jù)式(3)，且范圍30%～40%選取30%(結(jié)合實(shí)際運(yùn)行電流即負(fù)載情況，優(yōu)先采用小角度范圍作為跑合方案)，則：I計(jì)算=I空載+(I滿載-I空載)×30%=88+(217 A-88 A)×30%=126.7 A。即I運(yùn)行>I計(jì)算，執(zhí)行跑合方案二。即跑合角度確定為100°至80°、80°至60°、60°至40°、40°至20°、20°至0°。跑合時(shí)控制蝸輪副有效嚙合時(shí)間達(dá)到4 h，表4中方案二有效嚙合時(shí)間為20 min，需通過重復(fù)跑合來確保效果。

圖4 空載運(yùn)行時(shí)間電流曲線

圖5 空載跑合時(shí)間油溫曲線

4.3 數(shù)據(jù)分析和比較

4.3.1 1#轉(zhuǎn)爐實(shí)際跑合數(shù)據(jù)

2015年1月，某廠1#轉(zhuǎn)爐蝸輪副蝸輪實(shí)際接觸面情況(選取n次跑合后)和運(yùn)行電流如圖8所示。

圖6 空載嚙合接觸面情況

圖7 跑合起始位置

4.3.2 跑合結(jié)果與分析對(duì)比

經(jīng)過重復(fù)方案二13次跑合后，1#轉(zhuǎn)爐投料運(yùn)行，經(jīng)過定期檢查發(fā)現(xiàn)和比對(duì)，轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時(shí)，爐體正轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)運(yùn)行電流平穩(wěn)，反轉(zhuǎn)時(shí)由于粘接物的阻力矩作用運(yùn)行電流偏大但均小于額定電流。同時(shí)，1#轉(zhuǎn)爐蝸輪副表面光滑，其接觸面進(jìn)一步緩慢擴(kuò)展，運(yùn)行穩(wěn)定，電流波動(dòng)較小。

某廠作業(yè)轉(zhuǎn)爐正常作業(yè)時(shí)交流電機(jī)運(yùn)行電流情況見表5，蝸輪副接觸面情況見圖9。

圖8 跑合n循環(huán)后蝸輪接觸面和運(yùn)行電流

圖9 轉(zhuǎn)爐蝸輪嚙合情況

4.3.3 跑合方案簡(jiǎn)化

在以蝸輪副旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈原則下，逐步擴(kuò)大載荷變化范圍進(jìn)行跑合，設(shè)計(jì)了表6簡(jiǎn)化跑合方案，該方案可以通過編制跑合程序自動(dòng)運(yùn)行和記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，見圖10，注意事項(xiàng)同前。實(shí)踐表明，簡(jiǎn)化后的跑合方案是可行的。

表5 轉(zhuǎn)爐正常作業(yè)時(shí)運(yùn)行電流(運(yùn)轉(zhuǎn)角度0°～120°)

注：3#、5#轉(zhuǎn)爐數(shù)據(jù)來源就地電流表；“*”處數(shù)據(jù)超出電流表量程，沒有顯示。

表6 簡(jiǎn)化后轉(zhuǎn)爐跑合方案

圖10 轉(zhuǎn)爐自動(dòng)跑合記錄(+15°～+140°)

5 結(jié)束語

實(shí)踐表明，本文中設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化后跑合方案可以滿足PS轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)裝置專用減速器后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，避免蝸輪早期異常磨損。但應(yīng)注意以下問題。

1)無論新建和檢修后的減速機(jī)，在投入負(fù)荷運(yùn)行前均需要跑合完全，使得蝸輪副嚙合面光滑、均勻，接觸面積達(dá)標(biāo)；跑合完畢后一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)納入嚴(yán)格技術(shù)管理，即定期檢查嚙合面情況。

2)跑合前，應(yīng)要進(jìn)行負(fù)荷評(píng)價(jià)，確認(rèn)爐體重心位置，將重心調(diào)整到爐體中心線的正上方或者正下方，并作為跑合的起始點(diǎn)。

3)跑合前，編制跑合計(jì)劃和檢查記錄表。按照規(guī)定的時(shí)間(如每一段程序運(yùn)行結(jié)束)檢查和記錄實(shí)際運(yùn)行電流、嚙合情況、電機(jī)溫升、油池溫度變化等的情況。

4)跑合時(shí)，確保蝸輪副工作面有效嚙合時(shí)間大于4 h，每一運(yùn)行周期以蝸輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)整數(shù)倍來設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度?？梢酝ㄟ^編制PLC程序自動(dòng)運(yùn)行簡(jiǎn)化跑合過程管理。

5)跑合時(shí)，應(yīng)定期檢查各部連接螺栓緊固情況、耐火襯完好情況、引起載荷變化的運(yùn)轉(zhuǎn)情況(如萬向接頭、制動(dòng)器)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行電流異常時(shí)應(yīng)及時(shí)停車，檢查并排除異常后方可繼續(xù)跑合。

6)跑合時(shí)，如果嚙合面出現(xiàn)非跑合性磨損，應(yīng)立即評(píng)估運(yùn)行載荷，調(diào)整跑合方案(在負(fù)荷最小區(qū)域內(nèi)運(yùn)行跑合過程消除非正常磨損)。

7)當(dāng)跑合性磨損消失后，應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行處理。跑合后需定期對(duì)蝸桿和直流輸入軸的軸向竄動(dòng)間隙進(jìn)行檢查，避免定距環(huán)異常磨損；再次，定期對(duì)低速軸的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)進(jìn)行檢查，避免軸承異常磨損。