高炉水冷倾动齿轮箱偏载分析

余延旺 代霈崧

(武汉理工大学机电工程学院 ，湖北430070)



高炉水冷倾动齿轮箱偏载分析

余延旺 代霈崧

(武汉理工大学机电工程学院 ，湖北430070)

基于三维设计软件Pro/E建立水冷倾动齿轮箱模型，通过机械动力学仿真软件ADAMS建立虚拟样机，模拟样机在正常倾动和偏载时轮齿啮合力的变化。研究得出，倾动状态时，扇形齿轮和与之啮合的小齿轮的啮合力最大，蜗杆上部小齿轮与大齿轮啮合时存在较大的震动冲击，而在偏载时，一侧轮齿的啮合力会增大，但溜槽保持正常的倾动速度。

高炉；倾动齿轮箱；偏载；啮合力

高炉炉顶水冷齿轮箱是高炉日常生产的重要设备，主要功能是实现对高炉布料的精准控制，对钢铁的冶炼起着至关重要的作用。水冷齿轮箱分为上部和下部齿轮箱，上下齿轮箱主要控制布料溜槽旋转、倾动角度和速度。刘丰伟、徐名涛等人对水冷齿轮箱的动力学特性做了比较系统的研究，并指出当溜槽在高速旋转和低速旋转时，溜槽外圈齿轮所受啮合力相对较小；然而当溜槽倾动运动时，溜槽外圈所受的啮合力变大，最大值是溜槽旋转运动时溜槽外圈齿轮所啮合力的两倍，说明在溜槽倾动时布料器很不稳定[1]。

当前，我国的特大型高炉中无料钟炉顶的使用已成为一种趋势，但是无料钟依赖国外进口，长期以来形成技术垄断，导致高炉的维修成本一直很高。例如在2005年8月，武钢5号高炉倾动齿轮箱发生故障，蜗杆轴承外套转动将压盖磨损，蜗轮齿单面被磨掉5 mm；2012年1月，1号高炉齿轮箱布料溜槽与倾动机箱连接的耳子断裂，溜槽左右倾动机箱受力不均衡，使传动齿轮负荷增大，倾动电流增大[2]。

利用Pro/E软件建立起整体倾动齿轮箱三维模型，模型导入ADAMS多体动力学软件中，从理论上探讨布料溜槽传动装置偏载时的载荷变化，对使用和掌握该齿轮箱以及将来的进一步发展该项技术，改进传动和控制系统有着重要意义。

1 水冷倾动齿轮箱偏载综述

如图1所示，下部倾动机箱主要是由小齿轮Z14，蜗杆Z15，蜗轮Z16，蜗轮齿轮轴Z17，扇形齿轮Z18和倾动轴组成。小齿轮Z14与大齿轮Z13啮合，再通过蜗轮蜗杆把动力传到扇形齿轮，倾动机箱终端与溜槽之间通过一根倾动耳轴相连，倾动耳轴传递扭矩并带动溜槽倾动。如图2(b)所示。

齿轮箱是高炉上料的关键设备，其倾动角度定位的精确度直接关系到高炉布料及上部调剂的准确性和有效性，关系到高炉生产的稳定运行和炉况维护。如果倾动角度过大，会造成高炉布料偏析，炉温异常和炉况失常，严重的甚至会引发管道、悬料、炉凉乃至炉缸冻结等恶性后果[3]。高炉倾动齿轮箱是一个中心对称的传动机构，分为左倾动和右倾动，左右倾动共同运作来调节溜槽倾动速度和角度，当齿轮箱发生偏载时，必定会对溜槽正常运作造成一定的影响。引起齿轮箱偏载的因素很多，水冷齿轮箱在高炉炉顶，安装过程中易存在较大的安装误差，或轮齿间长期磨损，齿侧间隙增大，震动冲击加大都会导致左右倾动不对称从而引起偏载。另外，炉料在炉面上的下落轨迹是随机的，对溜槽存在非对称冲击载荷。

在国内外，几乎没有关于高炉炉顶倾动齿轮箱偏载的研究，对下部水冷传动齿轮箱的研究主要集中在对溜槽布料倾角的研究，比如利用无抱闸电机和变频调速装置来实现对倾角的精准控制[4-5]。而国外学者建立溜槽三维模型，分析炉料轨迹和在溜槽内的受力，通过函数关系建立方程，探索炉料材料和大小对溜槽倾角的影响[6]。

2 建立倾动装置虚拟样机

2.1 建模导入

利用Pro/E软件中齿轮参数化建模，建立齿轮箱三维模型，导出为Parasolid格式后导入到多体动力学软件ADAMS中，进行运动学和动力学分析。

图1 水冷齿轮箱传动系统原理图

Figure 1 Schematic diagram of the water-cooled gear box drive system

图2 水冷齿轮箱模型

Figure 2 Water-cooled gear box model

为了提高ADAMS仿真效率，通常在简化模型后导入。由于水冷齿轮箱结构复杂，导入后约束设置过于繁琐，仿真时间长，效果不佳，因此，在不影响传动性能和效率的前提下，本文只把水冷齿轮箱下部溜槽和倾动部件模型导入，并把固定使用的螺栓和螺孔省去。导入后的模型如图3所示。

2.2 碰撞力参数选择

在ADAMS软件中，有两种计算接触力的方法，分别是补偿法和冲击函数法，一般使用冲击函数法求解两构件之间的接触力[7]。

ADAMS 软件中碰撞力为:

MAX{0, K(q0-q) e- C×dq/dt}

式中，q0为两物体间初始距离,q为两物体间碰撞过程中的实际距离,q0-q为变形量D。由上式可知：当q>q0时,即两物体不发生接触,其碰撞力值为零；当q≤q0时，表示两物体发生碰撞。

根据Hertz 碰撞理论, 两物体接触面为圆形时，计算公式为：

式中，K为碰撞系数，由材料和碰撞体结构决定；P为碰撞时法向接触力；δ为变形量。

图3 虚拟样机仿真模型

Figure 3 The virtual prototype simulation model

式中，R1、R2分别为接触物体在接触点的接触半径；μ1、μ2分别为两接触物体材料的泊松比；E1、E2为两接触物体材料的弹性模量。

根据齿轮的材料，确定其弹性模量、泊松比。如表1所示。

表1 齿轮材料性能参数

Table 1 Performance parameters of gear materials

齿轮代号齿数模数材料弹性模量/MPa泊松比Z13Z14Z15(蜗杆)Z16(蜗轮)Z17Z18132192(头数)581383(23)12126.816.8114438CrMoAIA38CrMoAIA38CrMoAIAZQSn10-138CrMoAIAZG35CrMo2112112112112112130.2750.2750.2750.290.2750.286

根据表1，确定选取的参数数值为：K=9.1×105N/mm1.5；d=0.1 mm；C=50 N·S /mm。

考虑碰撞时摩擦，齿轮间采用了润滑处理，C为阻尼系数。

2.3 设置约束和载荷

由于三维模型导入ADAMS软件后，零件之间的装配关系会失效，因此对模型进行必要的简化后，需要对各零件添加约束关系。ADAMS功能列表中提供多种约束，除了对零件添加3D接触碰撞力和整体载荷外，仿真需要用到的机械约束有固定副和旋转副。

(1)添加固定副

在分析倾动时，由于溜槽不旋转，故可以把上回转齿圈Z10和下部的回转体与大地用固定副连接。 左右倾动小齿轮Z14与蜗杆Z15添加固定副。

(2)添加旋转副

分别与大地之间添加的旋转副：左右倾动中Z14与Z15整体、蜗轮和扇形齿轮。

(3)设置载荷

考虑溜槽和炉料的重量，在溜槽中心处设置一个竖直向下的力，大小恒定为45 000 N[1]。

3 正常运作时仿真分析

根据高炉正常倾动时电机转速，在Z12处添加模型输入驱动为34.4d×t，即恒定转速34.3°/s。仿真时间t设定为3 s，步数设置为200。仿真结果如图4所示。

根据仿真结果可看出，在电机启动一瞬间，轮齿间存在瞬间冲击，啮合力均达到稳定后均值的两倍左右。齿轮间的啮合力在一均值附近上下波动，波动周期和幅度(即齿轮传动中的动载荷)均表现为一个稳定的循环值，表明渐开线轮齿在啮合中存在冲击振动。Z13和Z14啮合稳定时振幅最大，说明存在较大的震动冲击；Z17与Z18啮合力最大。由图4(d)可以看出，倾动布料时，在电机启动时对溜槽存在一定冲击，溜槽角速度迅速达到最大，大小为11.47°/s，之后快速下降，并且最终稳定在1.309°/s左右。而理论值为1.302°/s，仿真值与理论值十分接近，可以看出虚拟样机模型约束和各个参数设置比较符合现实中的生产要求，仿真结果具有一定的可信度。

4 左右倾动偏载仿真分析

在实际生产作业中，由于安装误差，齿轮箱左右倾动受力不是完全一样的，或多或少存在偏载现象，偏载现象使连接溜槽和倾动齿轮箱的耳子负载加大，严重时甚至会折断，影响了高炉生产的正常运行。

正常状态下，水冷齿轮箱施加的负载为溜槽上自身的重力和炉料冲击载荷,取两者总载荷为G=45 kN[1]。布料过程中，随着布料倾角和溜槽内料重的不断变化，考虑到耳轴处于最危险的工作状态即布料溜槽倾动角度达到最大53°[9]，已知溜槽与炉料的重心到耳轴的距离为L=2.125 m，等同于左右倾动施加的扭矩T为：

(a)Z13与Z14啮合力 ( b)Z15(蜗杆)与Z16(蜗轮)啮合力

(c)Z17与Z18啮合力 (d)溜槽角速度时域图

图4 倾动装置正常工作仿真时域图

Figure 4 Time domain graph when simulating the normal operation of tilting device

(a)Z13与Z14啮合力 (b)Z15(蜗杆)与Z16(蜗轮)啮合力

(c)Z17与Z18啮合力 (d)溜槽角速度时域图

图5 倾动装置偏载仿真时域图

Figure 5 Time domain graph when simulating the eccentric loading of tilting device

而在偏载状态下，只需在左右倾动上施加大小不同的扭矩即可。故在偏载仿真时，作以下设置：左倾动上施加负载扭矩T1=40 kN·m，右倾动施加负载扭矩T2=36.5 kN·m。左右倾动仿真结果如图5所示。

由仿真结果可以看出：偏载时由于左右倾动负载大小不同，左倾动齿轮啮合力比常态时稍大，而右倾动齿轮啮合力明显减小。溜槽角速度稳定后在一均值上下波动，与理论值相比变化不大，能正常进行布料工作。表2为常态和偏载下啮合力值和溜槽角速度稳定时均值比较。

表2 常态和偏载下啮合力、角速度均值比较

Table 2 Comparison of the average values of meshing force and angular velocity under normal operation and eccentric loading

齿轮啮合力/NZ13-Z14Z15-Z16Z17-Z18溜槽角速度(°/s)角速度相对误差(%)常态490350018945571.3090.54偏载左倾右倾51854361533174252397325885381.2871.1

5 结论

通过ADAMS多体动力学软件建立水冷齿轮箱虚拟样机模型，着重分析了倾动装置正常倾动和偏载时轮齿啮合力变化。在布料方式为倾动状态时，扇形齿轮和与之啮合的小齿轮啮合力最大，达到94.5 kN，偏载时更大；蜗杆上部小齿轮与回转齿轮啮合时存在较大的震动冲击。而在偏载时，左右轮齿的啮合力也随之增大和减小，但溜槽保持正常的倾动，长期偏载，可能会导致倾动齿轮箱发生故障，影响高炉正常作业。因此在实际生产中，要加强倾动齿轮箱的监测和维护保养，尽可能减少故障的发生频率。

[1] 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.

[2] 沈文卫,陈征宇. 高炉炉顶水冷齿轮箱原理及故障分析[J]. 山西冶金, 2014,1.

[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]. 2014.

[4] 焦国宣. 变频调速装置在攀钢四号高炉布料溜槽倾动控制中的应用实践[J]. 仪表仪器用户, 2004(5).

[5] 陈明,王文为,李晖实,杨娟. 高炉布料溜槽倾动无抱闸电机的精确控制[J]. 自动化技术与应用, 2009(7).

[6] S. Nag and V. M. Koranne.Development of material trajectory simulation model for blast furnace compact bell-less top[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2009,Vol.36:371-377.

[7] 赵三明,韩振南. 基于虚拟样机技术的风电齿轮箱动力学分析[J]. 机械传动, 2013,37(07):58-61.

[8] MSC公司.Using ADAMS/Postprocessor.

[9] 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.

编辑 陈秀娟

Analysis on Eccentric Load of Blast Furnace Water-cooled Tilting Gearbox

Yu Yanwang，Dai Peisong

Based on the water-cooled tilting gear box model established by 3D design software Pro/E, virtual prototype has been built by mechanical dynamics simulation software ADAMS to simulate the changes of tooth meshing force when normal tilting and eccentric loading of prototype. The research has been found that when tilting, the meshing force between sector gear and its matched small gear is the largest one, and the violent vibration impact is occurred when the pinion gear on the top of worm is engaged with the big gear, and when eccentric loading, the tooth meshing force increases at one side of gear, but the chute keeps normal tilting speed.

blast furnace; tilting gearbox; eccentric loading; meshing force

2016—03—21

余延旺(1992—)，男，硕士研究生，主要从事齿轮传动、机械设备运行监测。

TF321.3

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