中钢西重XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱的设计

杨立江，段小朋，李 栋

(中钢集团西安重机有限公司， 陕西 西安 710201)

0 前言

水冷传动齿轮箱(布料器)是炉顶装料设备的关键设备，其设备性能直接影响到高炉出铁效率。目前，国内外水冷传动齿轮箱主要有两种：一种是行星差速传动系统溜槽布料器；另一种是旋转与直线运动合成运动溜槽布料器。旋转与直线运动合成运动溜槽布料器的溜槽倾动通过油缸或钢丝绳提升来实现，适用于小高炉，占有市场较少。行星差速传动系统溜槽布料器具有布料方式灵活、设备重量轻、密封性能好、运行费用低、维护方便、焦比低、产量高等特点。随着国内高炉大型化、炉顶压力和温度的不断提高以及高炉冶炼强度的不断提高对布料器提出了更高、更严格的要求，长寿化、环保节能成为布料器的关键要求。

中钢西重从1987年开始制作水冷传动齿轮箱，具备350～6 000 m3炉顶设备自主设计的能力。中钢西重水冷传动齿轮箱按照炉容分三种：紧凑型水冷传动齿轮箱，适用于300～1 080 m3高炉；标准型水冷传动齿轮箱，适用于1 500～2 800 m3高炉；加强型水冷传动齿轮箱，适用于2 800～6 000 m3高炉。在1 000 m3级高炉项目中使用紧凑型水冷传动齿轮箱能力有所欠缺，而采用标准型水冷传动齿轮箱又存在能力过剩的问题，为此中钢西重开发出了适用于750～1 800 m3高炉的XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱。

1 XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱的设备组成

如图1所示，XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱由行星差动减速机、齿轮箱本体、倾动减速机、布料溜槽组成。行星差动减速机安装在齿轮箱本体上部，为布料溜槽旋转和倾动提供动力。布料溜槽倾动由两个倾动减速机驱动。

图1 XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱

2 XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱设备校核

水冷传动齿轮箱是炉顶设备的关键设备，在设计水冷传动齿轮箱过程中，对水冷传动齿轮箱关键零件进行应力分析计算，并校核其安全系数。布料溜槽正常工作最大角度70°工况下，考虑温度的影响，分别对倾动减速机蜗轮承载力矩、倾动轴强度进行分析计算。

2.1 蜗轮承载力矩

设置几何模型的坐标原点位于倾动轴轴线上，不考虑蜗轮轮齿，溜槽在70°时简化几何模型如图2所示。蜗轮1和倾动轴2通过键固定在一体，倾动轴2和锁紧轴5通过螺栓连接固定为一体可以同时转动，倾动轴通过焊接在本体上的圆轴推动溜槽支承板摆动。

图2 溜槽70°工况下简化几何模型

布料溜槽受力分析简图如图3所示。由于中心喉管轴线和Z轴重合，因此料流冲击力对原点Y轴不产生力矩。故可知溜槽(含支承板)所产生的力矩为：

M=G·L0=16 028 N·m

(1)

式中，G为矢量力；L0为从转动轴到受力点的距离矢量。

图3 溜槽和支承板受力分析简图

蜗轮设计承载力矩为140 000 N·m，安全系数为17.46，大于安全系数1.5，因此是安全的。

2.2 倾动轴等效应力

倾动轴等效应力分析时设置相应的假设条件和边界条件。

假设条件：

(1)分析是在标准地心引力加速度9.81 m/s2下进行；

(2)不考虑焊缝处材质的变化，焊缝材料视为与母体材料相同；

(3)材料为弹性材料，即应力应变关系为线性；

(4)采用线性静力学进行分析，认为倾动轴受力瞬间蜗轮轮齿圆柱面静止不动；

(5)由于水冷传动齿轮箱内部允许最高温度为55 ℃，故极限情况下假设参与分析各部件的温度为55 ℃恒温。

边界条件：

(1)约束条件，假设倾动轴受力瞬间蜗轮轮齿圆柱面静止，故该圆柱面施加固定约束；倾动轴和锁紧轴同时转动，因此倾动轴内部与锁紧轴接触面处施加圆柱形约束，使接触面径向自由度固定。倾动轴的载荷约束如图4所示。

图4 倾动轴载荷约束

(2)载荷条件，溜槽和支承板受力分析如图3所示，支承板U形开口处所受推力为F，根据作用力和反作用力的关系可知，倾动轴上部的圆柱形突起所受的载荷为

(2)

(3)接触条件，根据载荷所产生的扭转趋势，倾动轴和键，键和蜗轮之间设置为粘合边界条件；倾动轴和蜗轮为线性接触条件，如图5所示。

图5 键联接处的粘合边界条件

根据倾动轴的受力情况，倾动轴等效应力分析如图6所示，最大应力为204 MPa，位于上部键槽根部。

图6 倾动轴等效应力分布

运用材料软件Jmatpro计算倾动轴材料在55℃时的屈服强度≥470 MPa。

故倾动轴的安全系数为：

(3)

倾动轴的安全系数大于1.5，因此是安全的。

2.3 倾动轴理论计算

倾动轴主要用于传递扭矩，且轴向尺寸较小，因此忽略弯矩作用时的安全系数。根据机械设计手册，只考虑扭矩作用的安全系数按下式计算：

(4)

式中，Sτ为只考虑扭矩作用时的安全系数；τ-1为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限；Kτ为扭转时有效应力集中系数；β为表面质量系数；ετ为扭转时的尺寸影响系数；τα，τm为扭转应力的应力幅和平均应力；ψt为材料扭转的平均应力折算系数。

倾动轴材料为合金钢，锻件热处理方式一般为调质，加工方法暂定为车削，根据手册查得：τ-1=185 MPa，Kτ=1.71，β=0.9，ετ=0.68,ψτ=0.21。倾动轴应力循环方式为对称循环，因此τm=0。

倾动轴是双键槽形式，危险截面为键槽处截面，故：

(5)

式中，T为传递的扭矩，8 014×103Nm；d为倾动轴键槽截面处外径，135 mm；d1为倾动轴键槽截面处内径，113 mm；b为倾动轴键槽宽度，32 mm；t为倾动轴键槽深度，为键槽面到外圆相应象限点距离，7.5 mm。

因此，倾动轴只考虑扭矩作用的安全系数为Sτ=3.15。安全系数一般情况取1.5。由此可知，用理论计算的倾动轴危险截面疲劳强度可以满足。

3 XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱的特点

XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱特点如表1所示，具有稳定性可靠、使用寿命长、传动精度高、布料精准、利用系数高、闭式加压水冷冷却效果好、承载力矩大、维护成本低等特点。

表1 XZ-Ⅳ型水冷传动动齿轮箱技术指标

3.1 设备稳定性可靠、使用寿命长

水冷传动齿轮箱是炉顶上料设备的关键设备，其关键性和应用环境的特殊性对水冷传动齿轮箱提出了可靠性高、使用寿命长的要求。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱基本原理与中钢西重标准型水冷传动齿轮箱相同，是基于中钢西重标准型水冷传动齿轮箱结构的优化设计。XZ-Ⅳ水冷传动齿轮箱回转支承、轴承、密封采用进口件，传动齿轮表面采用氮化处理，使用寿命按照一代炉龄设计，满足设备长寿化要求。另外XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱冷却水采用闭式加压冷却，冷却效果好，不需要定期维护，满足高炉一代炉龄使用寿命要求。

3.2 传动精度高、布料精确、利用系数高

XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱传动全部采用齿轮系传动，由两个电机驱动布料溜槽旋转和倾动，两个电机安装在差动减速机上，通过差动原理实现布料溜槽可以单独旋转、单独倾动、也可以实现旋转和倾动同时动作。可以实现高炉料环形布料、螺旋式布料、点式布料，布料灵活，满足高炉布料工艺要求。灵活的布料方式更适合不同高炉布料工艺要求，可以有效提高高炉利用系数。MINI型水冷传动齿轮箱的倾动由一个倾动减速驱动四连杆机构从而实现布料溜槽倾动，倾动减速驱动角速度恒定，通过四连杆传递后，由于四连杆本身的特性，驱动杆角速度恒定，从动杆角速度非线性，从而导致布料溜槽倾动传动比非线性比例，布料溜槽倾动角度不准确，布料不稳定。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱由两个倾动减速机驱动布料溜槽倾动，布料溜槽倾动通过蜗轮蜗杆驱动倾动轴传动，全齿轮系传动，传动精度高，布料溜槽旋转和倾动通过单独编码器检测，旋转和倾动精度可达±0.1°，优于国内同类产品±0.3°，布料精度达到世界领先水平。

3.3 闭式加压水冷、节省氮气

中钢西重标准型水冷传动齿轮箱水冷系统采用半闭环冷却方式，齿轮箱内装有上下水槽和冷却蛇形管，水流因重力从齿轮箱中的上水槽经冷却蛇形管流到下水槽中，通过热交换带走箱内热量，冷却水通过下水槽排到齿轮箱外水冷系统。另外齿轮箱内通氮气密封炉内气流，防止炉内灰尘进入齿轮箱。标准型水冷传动齿轮箱水冷系统主要缺点在于冷却水与密封用氮气在齿轮箱内不分离而导致系统不够稳定、氮气消耗量大等问题。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱采用闭式加压冷却，齿轮箱内部采用闭式蛇形管，冷却水和氮气分离；密封形式采用迷宫密封和橡胶密封结合的方式，节省氮气消耗量，通常氮气用量为200～500 m3/h。闭式加压水冷，冷却水流量更大，更有利于齿轮箱在高温环境下长时间正常工作，适应较高的炉顶煤气温度。河北天柱880 m3高炉水量达到27 m3/h，压力0.35 MPa，可满足炉顶温度150～350 ℃工作环境，适应异常温度600 ℃工作环境，优于国内同类产品20 m3/h。另外，全封闭式水冷循环系统，冷却水不被污染且不需要定期维护，减少用户维护成本与延长维护时间，从而提高设备使用的安全性和工作效率，延长设备的使用寿命。

3.4 承载力矩大

XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱布料溜槽倾动采用蜗杆副式双倾动齿轮机驱动布料溜槽倾动，两个倾动减速机同步的安装在齿轮箱旋转底盘上，安装时调整两个减速机的同步性，保证两个减速机同步驱动布料溜槽倾动。与中钢西重紧凑型水冷传动齿轮箱的单倾动减速机驱动布料溜槽倾动相比较，两个倾动减速机提升能力大幅增加，布料溜槽长度可提高到3.2 m。

3.5 维护成本低、使用维护方便

XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱冷却水采用闭式加压冷却，冷却水和氮气分离，冷却水不被污染且不需要定期维护，减少用户维护成本与延长维护时间。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱倾动采用双倾动驱动，仅有4个润滑点。中钢西重紧凑型型水冷传动齿轮箱，布料溜槽倾动由四连杆驱动，共有8个销轴铰接润滑点。相比较XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱润滑点较少，检修维护方便。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱布料溜槽倾动由两个倾动减速机驱动倾动轴转动，与中钢西重紧凑型水冷传动齿轮箱相比较，没有复杂的四连杆结构，结构简单，操作空间大，维护方便，两个销轴润滑点，受三个月检修周期影响小，润滑效果好。

4 结束语

中钢西重XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱吸收国外同类产品的优点，通过理论计算、试验检测、生产测试满足现代高炉工艺技术和装备要求。XZ-Ⅳ型水冷传动齿轮箱在河北天柱880 m3高炉应用，高炉水量达到27 m3/h,压力0.35 MPa；其灵活的布料有效提高高炉利用系数，高炉日最大产量3 728.26 t，设备利用系数达到4.23，利用系数达到国内领先水平；布料溜槽旋转和倾动精度可达±0.1°，布料精度达到世界领先水平。