1700 酸轧主减速箱大齿轮拆除工艺优化

2022-08-24伊成志马朝帅黄海林

设备管理与维修 2022年14期

伊成志，刘森，马朝帅，黄海林

（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200；2.燕山大学，河北秦皇岛 066004）

0 引言

某公司1700 酸轧机组是日本日立公司设计，2010 年投产，3#机架主减速箱使用近10 年后出现异响，经检查2#轴支撑轴承状态不佳，需要拆解大齿轮更换轴承。大齿轮的相关参数：内径375H6 mm，与齿轮轴配合过盈0.4 mm，齿顶圆直径992 mm，分度圆直径948.2 mm，齿轮厚度440 mm。

1 加热大齿轮温度理论公式计算

在拆除过程中需要拆除大齿轮，采用加热包容件的方法，通过理论公式计算大齿轮的加热温度为123.88 ℃[1]。

式中 tr——加热温度，℃

eat——装配间隙，mm

αa——线膨胀系数，℃-1；取值11×10-6℃-1

df——结合直径，mm；取值375 mm

Δ——热装最小间隙，mm；取值0.111 mm

δmax——设计基本过盈量，mm；取值0.4 mm

2 基于ANSYS Workbench 有限元热力耦合仿真计算

应用ANSYS Workbench 对加热过程进行热力耦合分析，首先建立实体模型[2]。大齿轮和齿轮轴过盈配合，半径方向过盈0.2 mm。齿轮和齿轮轴的材料SNCM420，材料导热系数0.475 W（/m·K），比热容46 J（/kg·K），接触部位网格细化，环境温度设置为22 ℃（图1）。

图1 网格划分

2.1 验证模型正确性

在1 s 内对大齿轮施加的从22 ℃到200 ℃的瞬态温度载荷，加热温度至100.06 ℃，大齿轮和齿轮轴之间间隙为0 mm；加热至125.52 ℃，半径间隙0.055 5 mm，满足拆装要求（图2）。由于加热时间短，大齿轮和齿轮轴之间导热少，仿真计算温度与理论计算相差1.64 ℃，验证了模型准确性（图3）。

图2 径向间隙变化

图3 变形量云图

2.2 热力耦合计算方案的确定与计算

考虑大齿轮的加热温度上限设置为250 ℃，250 ℃以下齿轮表面和心部硬度也没有变化，超过250 ℃后，发蓝的部位硬度下降了5 HRC 左右，未发蓝的部位硬度没有下降[3-4]。设计5 组大齿轮温升速率的仿真方案，通过仿真计算得到表1 所示数据。

表1 大齿轮温升仿真方案

（1）方案1。加热5 min，大齿轮温度从22 ℃升至200 ℃，温升速度35.6 ℃/min（图4）。加热至95.4 ℃时，大齿轮与齿轮轴脱开。升温至189.2 ℃时半径间隙0.055 5 mm，满足拆除要求。

图4 方案1

（2）方案2。加热7.14 min，大齿轮温度从22 ℃升至250 ℃，温升速度32 ℃/min（图5）。加热至150.86 ℃时，大齿轮和齿轮轴脱开。升温至223.24 ℃时半径间隙0.055 5 mm，满足拆除要求。

图5 方案2

（3）方案3。加热8.14 min，大齿轮温度从22 ℃升至250 ℃，温升速度28 ℃/min（图6）。加热至156.45 ℃时，大齿轮和齿轮轴脱开。升温至224.98 ℃时半径间隙0.055 5 mm，满足拆除要求。

图6 方案3

（4）方案4。加热9.14 min，大齿轮温度从22 ℃升至250 ℃，温升速度25 ℃/min（图7）。加热至162.05 ℃时，大齿轮和齿轮轴脱开。升温至230.18 ℃时半径间隙0.055 5 mm，满足拆除要求。

图7 方案4

（5）方案5。加热10 min，大齿轮温度从22 ℃升至250 ℃，温升速度22.8 ℃/min（图8）。加热至167.20 ℃时，大齿轮和齿轮轴脱开。升温至250 ℃时半径间隙0.029 6 mm，不满足拆除要求。

图8 方案5

3 数据分析

（1）根据上述有限元分析结果可以看出，随着大齿轮加热速度的降低，达到拆除条件的终点温度升高。1 s 加热至200 ℃，齿轮和轴之间传热量较少，拆除需要的加热温度大致等于理论计算结果。加热10 min 时，温升速度22.8 ℃/min，齿轮和轴之间的导热量增大，轴径和孔径变化量相差不大，不能满足拆除间隙要求。加热至更高的温度将会影响大齿轮的材料性能，所以在控制终点温度前提下，尽可能采用大的加热速度拆除大齿轮。

（2）实际拆除过程中，对大齿轮加热时间约8 min，对齿轮内孔温度实测温度约225 ℃，验证了仿真计算的结果基本正确。

（3）热力耦合计算的不足之处。简化了加热模型的过程，大齿轮的温度载荷均匀提高，而在实际拆卸的加热过程中是局部加温传热的过程。简化模型影响仿真计算结果的精度。