張玉忠^{1, 2} 　王　鐵¹

(1 太原理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 　山西太原　030024)

(2 太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司, 　山西太原　030024)

摘 要：轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)爐煉鋼最主要的機(jī)械設(shè)備。本文提出一種新型多點(diǎn)嚙合全懸掛柔性傳動(dòng)裝置, 其一次減速機(jī)采用行星差動(dòng)均載機(jī)構(gòu), 使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn);一、二次減速機(jī)之間采取花鍵套裝懸掛式簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu), 并將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置, 可解決傳統(tǒng)型全懸掛轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置因一、二次減速機(jī)之間的靜不定聯(lián)接結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題, 從而提高了轉(zhuǎn)爐設(shè)備的運(yùn)行可靠性和檢修維護(hù)性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；傾動(dòng)裝置；多點(diǎn)嚙合；柔性傳動(dòng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)爐煉鋼最主要的機(jī)械設(shè)備, 用于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備中爐體的平穩(wěn)傾動(dòng)及準(zhǔn)確定位, 并完成轉(zhuǎn)爐兌鐵水、出鋼、加料、修爐等一系列工藝操作。這種裝置的作業(yè)負(fù)荷的特點(diǎn)是:低速、重載、正反轉(zhuǎn)、頻繁啟制動(dòng)、強(qiáng)烈沖擊, 承受較大的動(dòng)負(fù)荷, 工作條件惡劣。因此如何提高該設(shè)備的可靠性和使用的方便性, 一直是冶金及其制造行業(yè)研究的重要課題。

1 　傳統(tǒng)型全懸掛轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置及其存在的問(wèn)題

目前應(yīng)用比較多的是傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置, 其常見的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示, 為全懸掛結(jié)構(gòu)。裝置由4臺(tái)一次減速機(jī)傳動(dòng)裝置(含電機(jī)、制動(dòng)器和減速機(jī))、一臺(tái)二次減速機(jī)和一套扭力桿彈性支撐裝置, 以及配套的安全和潤(rùn)滑裝置等組成;其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:該裝置為全懸掛多點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)裝置, 一次減速機(jī)采用平行軸普通圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 二次減速機(jī)大齒輪由4個(gè)與一次減速機(jī)聯(lián)為一體的小齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng), 每臺(tái)一次減速機(jī)均由若干個(gè)定位銷和緊固螺栓將其箱體與二次減速機(jī)箱體聯(lián)接為一體, 一次減速機(jī)輸出齒輪軸的遠(yuǎn)端套裝一套滾動(dòng)軸承后, 輔助支撐于二次減速機(jī)高速軸軸承座上。即4 個(gè)一次減速機(jī)懸掛于二次減速機(jī)上, 4 點(diǎn)嚙合共同驅(qū)動(dòng)二次減速機(jī)中的大齒輪, 二次減速機(jī)懸掛于耳軸上, 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)工作, 傾翻力矩通過(guò)扭力桿來(lái)平衡。

這種傳統(tǒng)型傾動(dòng)裝置在結(jié)構(gòu)上存在的不足主要有:

1)3 個(gè)軸承同時(shí)支撐的二次減速機(jī)小齒輪軸, 使裝置中存在著一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu), 時(shí)常會(huì)導(dǎo)致裝置運(yùn)行可靠性的降低

2)二次減速機(jī)常采用斜齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu), 在裝置頻繁正反轉(zhuǎn)啟制動(dòng)作業(yè)過(guò)程中, 小齒輪軸承受著嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈的正反雙向軸向沖擊負(fù)荷。由于小齒輪軸是與一次減速機(jī)裝為一體的, 一旦一、二次減速機(jī)之間的定位銷軸和聯(lián)結(jié)螺栓有所松動(dòng), 就會(huì)造成一、二次減速機(jī)聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的失效, 導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的二次減速機(jī)嚙合副不能繼續(xù)正常嚙合和傳力, 從而直接影響整個(gè)傾動(dòng)裝置的安全運(yùn)行。

3)從一、二次減速機(jī)的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)分析, 一次減速機(jī)相對(duì)于二次減速機(jī)的位置是由一組定位銷軸確定的, 但銷孔的位置不是一、二次減速機(jī)組合成一體后,與齒輪軸孔一次裝卡配制的, 因此其裝配精度不易保證, 而且兩臺(tái)一次減速機(jī)箱體之間不具有互換性。所以, 一次減速機(jī)很難整機(jī)更換和離線檢修;如果某臺(tái)一次減速機(jī)因故障需要檢修則必須將整臺(tái)傾動(dòng)裝置暫停作業(yè)直至檢修完成, 這對(duì)保證設(shè)備的運(yùn)行可靠性和提高轉(zhuǎn)爐的作業(yè)率顯然是不利的。

本文針對(duì)傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置存在的不足, 提出的TZQD 型全懸掛柔性裝置是一種適用于大噸位轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的新型全簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)式傾動(dòng)裝置, 其結(jié)構(gòu)型式如圖2 所示。此裝置為新型全懸掛多點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)裝置, 將一次減速機(jī)由平行軸普通圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化為行星差動(dòng)機(jī)構(gòu), 對(duì)傳統(tǒng)型裝置中存在的超靜定結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了成功的改進(jìn)。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:一次減速機(jī)采用行星差動(dòng)機(jī)構(gòu), 太陽(yáng)輪聯(lián)接力矩平衡連桿裝置, 高速輸入軸兩兩同步聯(lián)接, 通過(guò)太陽(yáng)輪的浮動(dòng), 實(shí)現(xiàn)傳遞力矩與傳動(dòng)速度完全均衡, 使傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。二次減速機(jī)小齒輪由兩套軸承簡(jiǎn)支于二次減速機(jī)箱體軸承座上, 一次減速機(jī)經(jīng)花鍵套裝于二次減速機(jī)小齒輪軸外懸軸伸上, 一次減速機(jī)由固裝于二次減速機(jī)箱體上的兩個(gè)鉸接桿實(shí)現(xiàn)其防擺功能。即4 個(gè)一次減速機(jī)懸掛于二次減速機(jī)上, 4 點(diǎn)嚙合共同驅(qū)動(dòng)二次減速機(jī)中的大齒輪, 二次減速機(jī)懸掛于耳軸上, 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)工作, 傾翻力矩通過(guò)環(huán)形緩沖彈簧和壓桿結(jié)構(gòu)來(lái)平衡。

由于其上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 該裝置應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng), 較傳統(tǒng)型傾動(dòng)裝置有下述明顯的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn):

1)同一標(biāo)高的兩個(gè)一次減速機(jī)高速輸入軸通過(guò)同步聯(lián)接裝置兩兩相連, 保證兩個(gè)一次減速機(jī)輸入軸同步運(yùn)行, 又通過(guò)電氣控制系統(tǒng)保證不同標(biāo)高的兩對(duì)電機(jī)同步運(yùn)行使一次減速機(jī)末端輸出齒輪軸與二次減速機(jī)大齒輪的4 個(gè)嚙合點(diǎn)的運(yùn)行保持同步。

2)在每個(gè)一次減速機(jī)中都有一套行星差動(dòng)補(bǔ)償裝置, 其太陽(yáng)輪軸伸出向外, 與力矩平衡連桿裝置聯(lián)接,形成均載補(bǔ)償系統(tǒng)。當(dāng)二次減速機(jī)內(nèi)同標(biāo)高的兩根小齒輪軸的嚙合面受力均衡時(shí), 均載裝置的太陽(yáng)輪不動(dòng),它僅作為行星輪的支承, 力矩平衡連桿裝置中的連桿位置穩(wěn)定不動(dòng), 此時(shí), 齒面受力均衡, 連桿內(nèi)力相等, 行星輪繞太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩根小齒輪軸中的一根因嚙合

面?zhèn)认洞蠡蚴瞧渌蛭茨芘c二次大齒輪嚙合或者嚙合力不均等時(shí), 行星差動(dòng)裝置中的太陽(yáng)輪就作為兩套裝置中的扭力補(bǔ)償, 在力矩平衡連桿裝置中的連桿推動(dòng)下, 稍作轉(zhuǎn)動(dòng), 并通過(guò)行星輪的差動(dòng), 實(shí)現(xiàn)齒輪副側(cè)隙的自動(dòng)補(bǔ)償, 從而達(dá)到均載同步的目的。

3)全套傾動(dòng)裝置是4 點(diǎn)嚙合全懸掛式結(jié)構(gòu), 不僅能夠補(bǔ)償耳軸撓曲變形后齒輪傳動(dòng)的良好嚙合, 而且由于一次減速機(jī)與二次減速機(jī)也是全懸掛式, 一、二次減速機(jī)通過(guò)內(nèi)外花鍵聯(lián)接, 使齒輪軸的受力合理, 提高了傾動(dòng)裝置運(yùn)行的可靠性。而且與扭力桿結(jié)構(gòu)的傾動(dòng)裝置相比, 一、二次減速機(jī)傳動(dòng)自成體系, 可以分別調(diào)試, 易于分合, 安裝和拆解都很容易, 有利于縮短安裝

和檢修周期。

4)傾動(dòng)裝置工作時(shí)所產(chǎn)生的水平作用力, 通過(guò)二次減速機(jī)箱體下部壓桿, 作用于由壓桿與環(huán)形彈簧組成的柔性受載裝置, 通過(guò)環(huán)形彈簧傳遞到地基。由于環(huán)形彈簧的緩沖減振能力很高, 而且安裝環(huán)形緩沖彈簧時(shí)有一定的預(yù)緊力, 傾動(dòng)裝置工作時(shí)由傾翻力矩產(chǎn)生的水平作用力必須先克服彈簧的此預(yù)緊力后, 彈簧才產(chǎn)生壓縮變形。因此, 彈簧和壓桿裝置作為平衡裝置, 具有傳動(dòng)平穩(wěn), 性能可靠的特點(diǎn)。

5)二次減速機(jī)小齒輪軸由兩套軸承簡(jiǎn)支于二次減速機(jī)箱體軸承座上, 使得傳統(tǒng)型裝置中存在的超靜定支撐結(jié)構(gòu)被成功克服, 裝置的可靠性從結(jié)構(gòu)原理上得以根本保證。

6)二次小齒輪軸所承受的軸向負(fù)荷可以被二次減速機(jī)自身完全吸收, 不會(huì)傳至一、二次減速機(jī)的聯(lián)接部, 根除了導(dǎo)致一、二次減速機(jī)聯(lián)結(jié)部聯(lián)結(jié)松動(dòng)和失效的根本原因, 提高了可靠性。

7)一次減速機(jī)與二次減速機(jī)為花鍵套裝式聯(lián)接,聯(lián)接的定位基準(zhǔn)單一, 定位準(zhǔn)確, 可以實(shí)現(xiàn)一次減速機(jī)的整體更換, 從而縮短檢修對(duì)正常生產(chǎn)的不利影響, 有利于轉(zhuǎn)爐冶煉作業(yè)率的進(jìn)一步提高。

3 　優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的性能特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的TZQD 型全懸掛柔性傳動(dòng)裝置已經(jīng)在武鋼新建250t 轉(zhuǎn)爐項(xiàng)目中采用經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際運(yùn)行考核, 證明該裝置除了具有上述性能特點(diǎn)外, 還有以下制造和使用方面的優(yōu)點(diǎn):

1)設(shè)備制造過(guò)程中, 設(shè)計(jì)精度易于保證, 設(shè)計(jì)意圖可以得到準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

2)一、二次減速機(jī)傳動(dòng)單元自成體系, 可以分別調(diào)試, 易于分合, 安裝和拆解都比較容易, 有利于縮短安裝和檢修周期。

4 　結(jié)論

本文提出的TZQD 型全懸掛柔性傳動(dòng)裝置, 其一次減速機(jī)采用行星差動(dòng)均載機(jī)構(gòu), 使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn), 特別適用于大噸位轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)。二次減速機(jī)小齒輪軸采用全簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 使得轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的若干臺(tái)一次減速機(jī)同時(shí)穩(wěn)定出力的設(shè)想真正實(shí)現(xiàn), 不僅使得機(jī)械部件可以按照成熟的理論方法進(jìn)行可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算, 而且還為真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定出力奠定了理論基礎(chǔ), 對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)備的整體優(yōu)化和可靠性的進(jìn)一步提高具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

1 　譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1983

2 　潘毓淳.煉鋼設(shè)備.北京:冶金出版社, 1992

3 　羅振才.煉鋼機(jī)械.北京:冶金出版社, 1995