齿轮减速机在直进式拉丝机中的应用

2014-07-01方法兴

机械工程师 2014年4期

关键词：皮带轮油封杂物

方法兴

（杭州杰牌传动科技有限公司，杭州311223）

齿轮减速机在直进式拉丝机中的应用

方法兴

（杭州杰牌传动科技有限公司，杭州311223）

从四大系列减速机在直进式拉丝机中的实际应用出发，研究了减速机选型的合理性，总结了减速机在直进式拉丝使用时产生的各种失效形式，并提出了多种改进对策和解决方案，为今后直进式拉丝机选择减速机时提供参考。

四大系列减速机；直进式拉丝机；应用

0 引言

拉丝机加工的硬化钢丝有极广的民用与工业用途，如弹簧、钢丝绳、琴弦、焊芯、钢帘、轮胎钢丝等等，故拉丝机在工业界有很重要的位置。拉丝机的种类按进线及结构型式的不同，可分为直进式、舞轮式和倒立式拉丝机。本文只研究减速机在最常用的直进式拉丝机上的使用。

直进式拉丝机是由多个拉拔头组成的小型连续生产设备，通过逐级拉拔，可以一次性地把大直径钢丝冷拉到所需的规格，所以工作效率比较高。每个时刻通过拉模的钢丝的秒流量体积不变,通过每一级的拉拔后，钢丝的线径发生了变化，每个拉拔头工作线速度也有相应的变化。减速机是通过带动卷筒旋转为拉丝机提供拉拔力，是拉丝机设备上重要传动装置。

目前应用最为广泛的中小功率齿轮减速机是斜齿轮减速机、斜齿轮伞齿轮减速机、平行轴斜齿轮减速机和斜齿轮蜗轮蜗杆减速机，在减速机行业中被称为四大系列减速机，以高度模块化设计为主要特征，通用性非常强。本文中如无特殊说明，减速机均指四大系列减速机。

1 减速机的失效形式及原因

减速机在拉丝机上使用时，常见的失效形式是齿根断裂、齿面磨损、轴承早期失效和油封失效。其原因如下：

1）减速机齿根断裂和齿面磨损的主要原因是减速机过载，多是由于拉拔力的计算不准确，偏小的拉拔力使减速型号选择过小而致。

2）输入轴轴承早期失效的主要原因是输入轴径向力过大，而过大的径向力是由于过大的皮带轮张紧力引起的。输出轴轴承早期失效的主要原因多是润滑不良。

3）油封失效的主要原因是杂物侵入油封唇部导致唇口破损。这是多粉尘工况以及钢丝表面脱落的碎片落入油封档处所致。

一般拉丝企业生产线都24 h连续生产，只要生产中多台减速机中的一台出现故障，就会导致整条生产线的瘫痪，所以减速机的可靠性尤为重要。

下面就正确计算拉拔力的方法，改进减速机的局部结构以增加轴承寿命和可靠性进行介绍。并提出新的防止油封失效与漏油的方法，以及输出轴轴承润滑的方法。

2 问题的解决

2.1 拉拔力计算

拉丝机设计时，减速机的选型非常重要，大型号不但增加了减速机成本，也增加了由于减速机体积增大而导致整个拉丝机体积增加的成本；减速机型号选小了，就不能保证拉丝机正常运行。这就需要准确地计算减速机的输出转矩。要计算输出转矩，必须对钢丝拉拔力进行科学计算。

拉拔钢丝的机理是，单位拉拔力必须大于钢丝进入变形区时的屈服点σ0而小于钢丝从变形区引出时的屈服点σ1，钢丝的单位拉拔力为拉拔力P与钢丝的横断面积Fx之比。拉拔力计算方法很多，其中古伯金公式的计算最为准确，公式如下：

其中：P为拉拔力，kg；σn为材料抗拉强度，kg/mm2；Fx为钢丝的出口截面积，mm2；μ为延伸系数，拉伸后的长度/拉伸前的长度；θ为模孔工作锥半角；f为摩擦系数；Л为变形金属的周长，mm；l为定径带长度，mm。

根据钢丝在拉拔过程中体积流相等的原理，计算每道的拉拔速度和每一个辊筒的转速；根据经验，平均压缩率取22%左右，具体计算时适当修正；材料抗拉强度与线径变化之比的平方根成正比：

式中：σn-1为初始材料抗拉强度；D为初始材料直径；d为拉伸后材料直径。

2.2 输入结构的改进

在拉丝机中，减速机动力输入多是由电机通过皮带轮输入。理论计算的皮带径向力本身就大，实际安装中，加上人工调整张紧轮的差异也造成额外的径向力。过大的皮带轮张紧力是导致输入轴轴承早期失效的主要原因，因此需根据实际输入轴径向力正确选择输入轴轴承。

图1 通用型拉丝机减速机输入部分

图1是一种通用型拉丝机减速机输入部分的结构图，从图1中我们发现：1）轴承4所受径向力偏大，计算寿命偏小，要改变这一缺陷，必须加大轴承型号，但这与中心距产生矛盾；2）轴承4与皮带轮9有一定距离，在皮带轮9受到较大径向力时，齿轮轴8会产生挠度，由于输入转速一般在2 000 r/min以上，油封6处很容易漏油；3）在拉丝机中，各个减速机的速比均不同，当速比较大时，齿轮轴8齿部直径就偏小，在皮带轮9受到较大径向力时，齿轮轴8齿部会产生挠度，影响齿轮正常啮合。

图2 改进后的拉丝机减速机输入部分局部结构图

图2为改进后的拉丝机减速机输入部分局部结构图，轴承4、5经过补强后寿命能达到要求。油封保护盖8与输入轴6的间隙很小，防止大颗粒杂物进入，油封保护盖8与油封7之间加填高温油脂，以阻止小颗粒杂物进入，这样可有效防止油封7因异物进入而导致的破坏。这种结构的不足之处是虽然能有效规避因速比改变而导致对轴系的影响，但不能完全消除挠度对油封 7的影响；减速机内杂物容易在轴承5处聚集，而且轴承5处的润滑油为死油，不容易更换，容易造成轴承5的早期失效。

图3 全新设计的减速机输入结构图

图3是一套全新设计的减速机输入结构图，皮带轮9的径向力通过轴承8和联接盘1作用在减速机箱体上，轴承5和轴承13仅承受来自齿轮2的轴向力和径向力，不承受皮带轮9的径向力。输入轴10与皮带轮9通过花键11传递转矩。整个拉丝机配置统一的循环供油系统，由进油口14压力供油，每分钟供油一次，每次5 mL，油品为昆仑0号润滑脂或相似性质的润滑脂，一路润滑脂通过轴承5和轴承13由出油口6排出；另一路润滑脂通过3个并排轴承8由出油口6排出。

图2和图3所示的的输入结构，均已在拉丝机上使用，图3的结构虽然成本略高于图2的结构，但性能与可靠性远优于图2的结构。

2.3 渗漏油的防护

减速机在拉丝机中是输入输出轴竖直安装的，处于润滑油油面之下的油封就容易渗漏油，主要是颗粒润滑剂和钢丝表面脱落的碎片所致，其次是这些油封往往在减速机的相对底部，容易聚集颗粒杂质。这些异物一旦进入油封唇口，就会加速油封唇口和轴的磨损，从而造成渗漏。对于减速机内部的颗粒杂质，对策是在油封周围设置磁钢，磁钢固定在放油螺塞上以吸附减速机内部的金属杂质。对于油封外部的颗粒杂物，应在油封结构设计中加入阻止颗粒杂物进入的结构。图4与图5是两种防渗漏油的结构。