高炉炉顶齿轮箱倾动装置的均载系数

代霈崧，余延旺

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)



高炉炉顶齿轮箱倾动装置的均载系数

代霈崧，余延旺

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

为分析影响高炉炉顶齿轮箱倾动装置均载系数最大的因素，基于三维建模软件UG建立了高炉炉顶齿轮箱倾动装置的三维模型，并将其导入多体动力学仿真软件ADAMS中进行动力学仿真，求出不同类型误差作用下左右倾动装置输入轮所受啮合力大小，然后计算出均载系数。通过对比均载系数得出结论：初始齿侧间隙差对均载系数影响最大。

高炉炉顶 倾动装置 偏载 均载系数

0 引言

高炉炉顶布料器齿轮箱的倾动装置是由一套对称的传动装置组成，左右两侧倾动装置同时驱动溜槽左右耳轴旋转，使溜槽完成倾动运动。然而，由于齿轮上存在不可避免的制造误差以及安装误差，导致左右两侧倾动装置所承受的载荷不均衡，经过一定的运行时间，受载较大的一侧将会提前出现疲劳失效的现象，导致整个设备出现故障停运[1]。

导致倾动装置偏载的原因分为两种，一种是由制造误差、安装误差引起的齿轮啮合误差，一种是由于旋转布料时，物料在沿溜槽流下的同时受到柯氏力的作用，偏向溜槽的一侧，导致溜槽左右两侧载荷大小不同。无论是哪种原因引起的偏载现象，都将对高炉的生产带来负面影响[2]。

通过分析NGW型行星齿轮机构的均载机理，提出了当量啮合误差、等效啮合刚度的概念，并给出了载荷不均匀系数的计算公式和计算方法。均载系数为：

即均载系数为啮合力的最大值和平均值之比[3-4]。

本文将利用ADAMS软件对布料器进行运动学仿真，求出不同情况下的均载系数，研究在不同原因作用下，偏载的大小与各偏载诱因之间的关系。

1 齿轮啮合误差引起的偏载

1-差动行星减速器；2-上回转齿圈；3-下回转齿圈；4-左倾动装置；5-右倾动装置；6-回转套筒及底座；7-布料溜槽图1 布料器三维模型

图1和图2为布料机的三维图及原理图，在布料器齿轮箱中，下回转齿圈上的Z13同时与Z14、Z15啮合，构成一个多齿并联齿轮传动机构。多齿轮并联传动机构是利用一个大齿轮驱动多个小齿轮，形成功率分流，是一种多点啮合传动机械系统，适用于大扭矩，低转速的应用场合。但是，这种并联传动方式在生产装配过程中，易产生制造和安装误差，造成不同小齿轮与大齿轮的中心距大小不一致，产生偏载，严重的偏载会造成生产事故[5]。齿轮啮合误差通常由安装误差与制造误差组成，下面将分别分析安装误差与制造误差对偏载的影响。

1.1 安装误差对偏载的影响

本文通过改变齿轮间中心距的方法，来模拟齿轮的安装误差，用ADAMS来求出在不同误差值情况下，齿轮啮合力大小，从而求出均载系数。将Z13与Z14、Z13与Z15(图2)的轮齿在启动前的齿侧间隙定义为初始齿侧间隙。在此误差形式下，将讨论两种情况，第一种为仅中心距改变，初始齿侧间隙的大小随中心距大小的变化而变化；第二种为在已有中心距误差的情况下，通过旋转齿轮Z14来改变Z14与Z13的初始齿侧间隙，从而讨论在中心距不变的情况下，初始齿侧间隙的大小对偏载大小的影响程度。

图2 布料器传动原理简图

首先讨论第一种情况，仅中心距改变。此时，Z14与Z13的中心距误差范围取+5μm～+40μm，以5μm为单位递增。Z15与Z13无安装误差。将Z14与Z13的啮合力设为F1，Z13与Z15的啮合力设为F2。下面分别用ADAMS动力学仿真对各误差值时的齿轮啮合力做求解，结果如表1。

表1 各误差值下齿轮啮合力

分别带入啮合力最大值和平均值计算，各误差值下均载系数的情况如图3所示。

图3 各误差值下的均载系数

由仿真结果图线可以看出，带入啮合力最大值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加而增加。带入啮合力平均值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加并没有明显的变化，总体趋于稳定。

由于啮合力最大值产生于齿轮啮合时轮齿间的碰撞，而随着误差值大小的增加，Z13与Z14的中心距也变大，齿侧间隙的大小随之增加，从而导致齿轮啮合时，轮齿间的相互碰撞更加剧烈，因此，当带入啮合力最大值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加而增加。然而，当碰撞结束，两齿轮处于平稳啮合时，啮合力大小主要取决于从动轮所受负载的大小，因此带入啮合力平均值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加并没有发生明显的变化，总体趋于稳定。

现在讨论第二种情况，中心距不变，仅改变初始齿侧间隙大小。具体方法为：以齿轮Z14的旋转中心O1为起点引一条射线A与Z14的齿廓相切，再以O1为起点引另外一条射线B与Z13的齿廓相切，然后用UG中的分析功能测量出射线A、B的夹角α，将α等分为8份，分别用ADAMS求解在8个不同的初始齿侧间隙下，Z13与Z14、Z15的啮合力大小，从而得出均载系数随初始齿侧间隙变化的规律。

表2 各误差值下齿轮啮合力

分别带入啮合力最大值和平均值计算，各误差值下均载系数的情况如图4所示。

图4 各误差值下的均载系数

由仿真结果图线可以看出，带入啮合力最大值计算均载系数时，均载系数除在第6组、第8组两点处，基本趋于平稳。带入啮合力平均值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加呈变大趋势。

1.2 制造误差对偏载的影响

此处将采用使小齿轮Z14偏心的方法来模拟其制造误差。由于此处模拟的误差为小齿轮Z14的偏心误差，因此需保持Z14所在的轴空间位置不变，仅改变Z14中心线的位置。因此在导入ADAMS之前，需要在UG中改变Z14的位置，然后将新的模型导入ADAMS中求解。

此时，Z14的偏心距范围取5 μm～40 μm，以5 μm为单位递增。Z15偏心距为零。将Z14与Z13的啮合力设为F1，Z13与Z15的啮合力设为F2。下面分别用ADAMS动力学仿真对各误差值时的齿轮啮合力做了求解，结果如表3。

表3 各误差值下齿轮啮合力

分别带入啮合力最大值和平均值计算，各误差值下均载系数的情况如图5所示。

图5 各误差值下的均载系数

由仿真结果图线可以看出，带入啮合力最大值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加而增加。带入啮合力平均值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差大小的增加并没有明显的变化，总体趋于稳定。

2 物料分布不均引起的偏载

在布料器进行旋转布料时，物料在流经溜槽时会受到柯氏力的作用，从而偏向溜槽的一侧，导致溜槽与物料共同的质心(后简称为质心)偏离溜槽中心线[6]。本节将讨论质心偏移距离的大小与偏载系数之间的关系。由于质心偏移后，溜槽与物料质量的和没有发生变化，因此无需改变此前施加的负载的大小，只需将负载的作用点坐标进行修改，得到质心偏移的模型。

具体实施方法为：在ADAMS中选取负载F的作用点，对其坐标进行编辑，然后定义新的F作用点。此处误差从20 mm开始取值，以20 mm为单位递增，共取8组数据，分析结果如表4。

表4 各误差值下齿轮啮合力

分别带入啮合力最大值和平均值计算，各误差值下均载系数的情况如图6所示。

图6 各误差值下的均载系数

由图线可以看出，带入啮合力最大值计算均载系数时，均载系数的大小随着误差由小变大并无明显的变化规律。在误差值由20 mm～40 mm时均载系数减小，在误差值由40 mm～80 mm时呈连续上升趋势，在误差值由80 mm～160 mm时呈连续下降趋势。在带入啮合力平均值进行计算时，均载系数的大小随之误差值的变化基本呈稳定趋势。

3 结论

本文分析了可能造成布料器倾动装置偏载的几种原因，分别评估了每种原因对偏载大小影响程度的高低。

在分析齿轮的制造误差以及安装误差对均载系数大小的影响后，分析了物料在溜槽中的运动对均载系数大小的影响。通过改变施加在溜槽上的负载F的作用点坐标，模拟物料在溜槽中偏向一侧的情况。结果表明：无论带入啮合力最大值还是平均值计算，均载系数的大小随着误差值的增大并无逐渐增大或减小的趋势，并且在带入啮合力平均值计算时，均载系数大小趋于稳定。

通过分析不同的误差形式对均载系数大小的影响，将不同误差形式对均载系数的影响进行了量化计算，对今后减轻甚至避免布料器倾动装置的偏载现象，降低高炉故障率，提高高炉工作效率具有指导意义。

[1] 邵晓荣.齿轮制造及安装误差对行星齿轮均载系数的影响[J].东北重型机械学院学报,1994,18(4):306-309.

[2] 沈文卫,陈征宇,等.高炉炉顶水冷齿轮箱原理及故障分析[J].山西冶金,2014,37(1):80-81.

[3] 余少华,罗治平,丁宇.能耗制动在高炉炉顶倾动角度定位中的应用[C].全国中小高炉炼铁学术年会，2014.

[4] 肖铁英,袁胜治，等.行星齿轮机构均载系数的计算方法[J].东北重型机械学院学报,1992,16(4):290-295.

[5] 刘丰伟,徐名涛.高炉炉顶水冷齿轮箱虚拟样机及力学特征分析[J].机械传动,2015,39(3):129-136.

[6] Nag S, Koranne V M. Development of material trajectory simulation model for blast furnace compact bell-less top[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2009, 36(5): 371-378.

[7] MSC公司.Using ADAMS/Postprocessor.

[8] 吴昊.高炉无料钟炉顶溜槽合适长度的研究[J].金属材料与冶金工程,2015,43(1):31-36.

Load-balancing coefficient of the tilting device in the gearbox in the blast furnace top

DAI Peisong, YU Yanwang

In order to find out the factor that has the greatest influence on the load-balancing coefficient of the tilting device in the gearbox in the blast furnace top, we established the 3D model of the tilting device with UG NX 10.0, then carried out dynamic simulation of the model in ADAMS. We obtained the values of the meshing force on the gears of the tilting device under different working situations, then calculated the load-balancing coefficient. Through comparison, we concluded that the initial backlash difference had the greatest influence on the load-balancing coefficient.

blast furnace top，tilting device，unbalanced load，load-balancing coefficient

TH132.425；TP391.9

A

1002-6886(2016)05-0046-04

代霈崧(1991-)，男，湖北武汉人，汉族，硕士研究生，主要研究方向：齿轮传动、机械设备运行监测。

2016-03-25