王春林1  李文旺2  沈  明1  王華兵1  劉  峰1

（1.環(huán)保搬遷改造組；2.安寧公司）

摘 要  昆鋼650軋鋼生產(chǎn)線是1999年改造的年產(chǎn)65萬(wàn)噸小規(guī)格半連軋棒材生產(chǎn)線，坯料加熱采用端進(jìn)端出的推鋼式加熱爐，坯料尺寸選用150 mm2×3 000 mm的小方坯。由于草鋪新區(qū)投產(chǎn)后，新建的型鋼生產(chǎn)線還處于調(diào)試階段，大方坯余存較大。公司計(jì)劃將型鋼廠剩余的230 mm2×3 000 mm的方坯約8 000 t安排到650軋鋼生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。但由于新坯料的單根坯重是原用坯料的2.35倍，故必須對(duì)加熱爐的承載能力和推鋼機(jī)的進(jìn)出鋼能力進(jìn)行核算，確定最優(yōu)方案進(jìn)行改造。

關(guān)鍵詞  40 t推鋼機(jī)  650軋鋼  減速機(jī)  電機(jī) 

1  概 述

昆鋼650棒材生產(chǎn)線加熱爐40 t推鋼機(jī)采用的是齒條式推鋼機(jī)，采用2套并排布置在加熱爐入爐口，同時(shí)進(jìn)行推鋼工作。其主要由傳動(dòng)裝置（電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪軸、齒條、壓輥、制動(dòng)器）、推桿、機(jī)座、行程控制器等組成。改造前加熱鋼坯為150 mm2×3 000 mm的連鑄小方坯，單重526.5 kg，輸送排料長(zhǎng)度34 m（其中爐內(nèi)32 m，爐門(mén)外2 m）。預(yù)計(jì)改變坯料為230 mm2×3 000 mm后,單重1 237.8 kg。經(jīng)過(guò)熱工對(duì)加熱爐水梁滑道承載能力核算，現(xiàn)有水梁達(dá)不到承載要求。需要將坯料切短為230 mm2×1 500 mm，才能保證爐內(nèi)水梁安全。                

由于坯料長(zhǎng)度縮短后，因設(shè)備安裝位置受限，加熱爐的進(jìn)出料工作只能由一套推鋼機(jī)單獨(dú)推動(dòng)一排鋼坯，大大增加了推鋼機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。為保證推鋼機(jī)設(shè)備的安全和生產(chǎn)順利，需對(duì)推鋼機(jī)的電機(jī)和減速機(jī)等傳動(dòng)部件進(jìn)行校核，做到精準(zhǔn)的設(shè)備改造，降低運(yùn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

2  電機(jī)校核及改造方案

2.1  預(yù)生產(chǎn)230 mm2坯料所需推力計(jì)算：

P=kμQg

k附加阻力系數(shù)，保險(xiǎn)系數(shù)（滑道不平，變形或結(jié)渣）取值1.1；μ加熱爐滑道摩擦系數(shù)，取值0.6；g重力加速度，取值9.8；Q坯料排料質(zhì)量，排料長(zhǎng)度爐內(nèi)32 m，爐門(mén)外2 m，共34 m；坯料斷面尺寸230 mm，長(zhǎng)度1.5 m，鑄坯密度取7.8 g/cm3，單坯質(zhì)量618.93 kg；共計(jì)坯料148根，總質(zhì)量91 602 kg；

P=1.1×0.6×91 062×9.8

=592 481.736(N) 

即P=60.5 t；取推鋼機(jī)推力P=61 t；

2.2  推鋼機(jī)電機(jī)功率計(jì)算：

此處請(qǐng)補(bǔ)充原電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和推鋼機(jī)的設(shè)計(jì)工作速度等參數(shù)，以便于校核對(duì)比，不然下面的取值和比較無(wú)依據(jù)

①由推力計(jì)算電機(jī)功率：N=Fv/(kη)

F推鋼機(jī)的推力(KN) 597 800 N；v推鋼機(jī)的推速（4 m/min），v=0.067 m/s；k異步電機(jī)允許過(guò)載系數(shù)（最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的比值），取值1.8；η由電機(jī)至推桿的總的機(jī)械傳動(dòng)效率，取值0.85；

N=597 800×0.067/1.8×0.0.85

=40 052.6/1.53

=26 178.169 W,

即N =26.1 KW；取電機(jī)功率N=35 KW；

②由輸出功率計(jì)算電機(jī)功率：P電=P輸/η；

推鋼機(jī)輸出功率P輸=F推V =40.05 KW；

電機(jī)功率：P電=P輸/η=47.12 KW；

經(jīng)對(duì)電機(jī)推力和輸出功率校核后推力滿足，但是電機(jī)輸出功率不足，電機(jī)處于過(guò)載狀態(tài)下。

2.3  現(xiàn)場(chǎng)45 KW電機(jī)的扭矩計(jì)算

T=9 550 P/n

p=45 KW， n=577 r/min

T額=9 550×45/577=744.8 N·m

2.4  預(yù)生產(chǎn)230 mm2坯料負(fù)載所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

負(fù)載功率：Pw=(F×V)/(1 000×ηw)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩T= 9 550 (Pw ×ηw) / nw；

T載= 9 550 (F×V ×ηw) /(1 000×ηw) ×nw；

F工作機(jī)阻力及推鋼機(jī)推力61 000×9.8=597 800 N，v推鋼機(jī)的線速度單位0.067 m/s； nw推鋼機(jī)齒輪轉(zhuǎn)速577/180=3.2056 r/min；ηw工作機(jī)的效率,齒輪齒條機(jī)構(gòu)取值0.98

T載= 9 550 (597 800×0.067 ×0.98) /(1 000×0.98) ×3.2056=119324.81 533 N·m

T輸= T載/i*η=119 324.81533/180*0.85=779.9 N·m

經(jīng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核后T輸/ T額=779.9/744.8=1.047＞1，現(xiàn)45 KW電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足，出現(xiàn)過(guò)載情況。

3  減速機(jī)校核

現(xiàn)用減速機(jī)型號(hào)ZS-1650-12-Ⅲ，減速比180，中心距1 650 mm，生產(chǎn)日期1975年，減速機(jī)內(nèi)齒輪及齒輪軸參數(shù)如表1【1】：

Zh——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)[2]，用以考慮節(jié)點(diǎn)處齒面形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響；根據(jù)螺旋角β查圖1取得；取值=2.46；

計(jì)算各軸功率、轉(zhuǎn)矩及齒輪圓周力如下：

一軸P1=P電η聯(lián)軸器η軸承=55×0.99×0.98=53.361 KW；轉(zhuǎn)速n1=n電=580 r/min；

轉(zhuǎn)矩T1=9550×53.361/580=878.62 N·m；

根據(jù)力矩公式T1=F圓d1/ 2計(jì)算，F(xiàn)1軸=878.62×2×1 000/91.22=19 263.68N；

二軸P2=P1η齒輪η軸承=53.361×0.97×0.98=50.725 KW；轉(zhuǎn)速n2= n1/1=580/6.667=87 r/min；

轉(zhuǎn)矩T2=9 550×50.725/87=5 568.08 N·m；

根據(jù)力矩公式T2=F圓d1/ 2計(jì)算，因作用力和反作用力的關(guān)系F2齒=F1軸=19 263.68 N；

F2軸=5 568.08×2×1 000/170.27=6 5402.95 N；

三軸P3=P2η齒輪η軸承=50.725×0.97×0.98=48.22 KW；轉(zhuǎn)速n3= n2/2=87/4.875=17.85 r/min；

轉(zhuǎn)矩T3=9 550×48.22/17.85=25 798.38 N·m；

根據(jù)力矩公式T3=F圓d1/ 2計(jì)算，因作用力和反作用力的關(guān)系F3齒= F2軸=65 402.95 N；

F3軸=25 798.38×2×1 000/243.24=212 122.80 N；

四軸P4=P3η齒輪η軸承=48.22×0.98×0.98=46.31 KW；轉(zhuǎn)速n4= n3/3=17.85/5.6=3.19 r/min；

轉(zhuǎn)矩T4=9 550×46.31/3.19=138 639.655 N·m；

根據(jù)力矩公式T4=F圓d1/ 2計(jì)算，F(xiàn)4齒= F3軸=212 122.80N；

齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核如下： 

①一級(jí)齒輪軸和齒輪2：

σ1H=464.694×1.03=478.52 MPa

σ2H=464.694×1.04=485.3 MPa； 

②二級(jí)齒輪軸和齒輪3：

σ2H軸=464.694×1.165=541.40 MPa

σ3H=464.694×1.20=559.74 MPa； 

③三級(jí)齒輪軸和齒輪4：

σ3H軸=464.694×1.39=646.71 MPa

σ4H=464.694×1.416=658.40 MPa； 

由材料牌號(hào)及性能圖表4[4]，查取材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

齒輪軸：38 SiMnMo的=685 MPa；

齒輪：ZG35SiMn的=637 MPa；

經(jīng)計(jì)算，齒輪軸接觸疲勞強(qiáng)度能滿足要求，但低速軸齒輪接觸疲勞強(qiáng)度超過(guò)材料極限，不滿足要求，會(huì)造成齒輪點(diǎn)蝕現(xiàn)象加急，減少齒輪使用壽命。

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核如下： 

①齒輪軸1：F1軸=19 263.68 N， Z=18，取值：=2.91，=1.53，Yb=0.93；

69.66 MPa

②齒輪2：F2齒=19 263.68 N， Z=120，取值：=2.16，=1.81，Yb=0.93；

2=62.91 MPa 

③齒輪軸2：F2軸=65 402.95 N， Z=24，取值：=2.65，=1.58，Yb=0.93；

3=111.797 MPa

④齒輪3：F3齒=65 402.95 N， Z=117，取值：=2.17，=1.80，Yb=0.93；

4=106.378 MPa

⑤齒輪軸3：F3軸=212 122.80 N， Z=20，取值：=2.80，=1.55，Yb=0.93；

5=137.63 MPa

⑥齒輪4：F4齒=212 122.80 N， Z=112，取值：=2.17，=1.80，Yb=0.93；

6=125.416 MPa

由材料牌號(hào)及性能圖表，查取材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

齒輪軸：38 SiMnMo的=345 MPa；

齒輪：ZG35SiMn的=237 MPa；

經(jīng)校驗(yàn)彎曲疲勞強(qiáng)度滿足。

3.3  高速軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 

軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn)；軸的轉(zhuǎn)速：587.86 r/min ；傳遞的功率:55 KW ；轉(zhuǎn)矩：893.95 NM 

材料牌號(hào)：38SiMnMo調(diào)質(zhì) ；硬度(HB)：255-280；抗拉強(qiáng)度：700 MPa  ；屈服點(diǎn)：550 MPa

彎曲疲勞極限：335 MPa ；扭轉(zhuǎn)疲勞極限：195 MPa；許用靜應(yīng)力：280 MPa；許用疲勞應(yīng)力：186 MPa

確定軸的最小直徑如下：

d≥   T-額定轉(zhuǎn)矩 [t]- 軸的許用剪切應(yīng)力

所設(shè)計(jì)的軸是實(shí)心軸

許用剪應(yīng)力范圍：40～52 MPa

最小直徑的理論計(jì)算值：45.4 mm 

設(shè)計(jì)的軸徑：70 mm，經(jīng)校驗(yàn)高速軸最小直徑滿足。

4  齒輪齒條校核

齒輪齒條傳動(dòng)，不存在高轉(zhuǎn)數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間工作的狀況，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)比齒輪傳動(dòng)小的多，比起直齒輪傳動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)的重合系數(shù)要高，每個(gè)齒輪受的力相對(duì)要小的多。所以就不需要計(jì)算齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）強(qiáng)度，只要通過(guò)齒輪受力分析（不考慮齒面摩擦，齒面作用力方向是固定的，等于壓力角方向），進(jìn)行受力計(jì)算，滿足齒輪彎曲強(qiáng)度即可。

推鋼機(jī)設(shè)備最大推力：Ft=597 800 N；齒輪：法向模數(shù)m=33，b=360，Z=12，d1=396 mm,齒形角a=20o，變位系數(shù)x=0.2, 齒頂高系數(shù)=0.8，材質(zhì)：40Cr；硬度：HB=228-269；精度等級(jí)：10-9-9DC；

齒條：m=33，b=350，Z=40，材質(zhì)：40Cr；硬度：HB=220-260；精度等級(jí)：10-9-9DC； 

計(jì)算齒輪齒條的彎曲應(yīng)力1、2：

根據(jù)公式計(jì)算；式中：

—工況系數(shù)，取值1.25；

—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，取值1.05；

—載荷分配系數(shù)，取值1.25；

—齒向載荷分布系數(shù)，取值1.03；

—齒形系數(shù)，齒輪取值2.97；齒條取值2.40；

1=252.55 MPa；

2=209.92 MPa；

由材料牌號(hào)及性能圖表[4]，查取材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算安全系數(shù)：

彎曲疲勞極限=335 MPa；

故1≤；2≤。

安全系數(shù)：S1=/1=1.32；S2=/1=1.59；

經(jīng)計(jì)算，齒輪齒條彎曲疲勞強(qiáng)度能滿足生產(chǎn)使用，但是安全系數(shù)較小，設(shè)備可靠性不高。

5  安全聯(lián)軸器受剪螺栓直徑計(jì)算

現(xiàn)使用安全聯(lián)軸器保險(xiǎn)螺栓參數(shù)；材質(zhì)：45，正火處理，硬度HB160-180，數(shù)量m=6，剪切斷面直徑Ф17、Ф19、Ф21三種。

聯(lián)軸器輸入功率P入=P負(fù)/η聯(lián)軸器η軸承η齒輪齒條==40.05/0.99/0.97/0.98=42.55 KW；

聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩T=9 550 P入/n；n及減速機(jī)軸4的轉(zhuǎn)數(shù)n=3.19 r/min；T=127 383.23 N·m；

計(jì)算安全螺栓圓周力Fs=2 000 T/d；d為安全螺栓分布圓直徑d=560 mm；Fs=454 940.1 N；

根據(jù)螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件：　計(jì)算正常運(yùn)行時(shí)剪切螺栓剪切面最小直徑；

式中：Fs 為螺栓所受的工作剪力(N)；由材料性能查取=140 MPa；　　　　　

d 為螺栓受剪面直徑(螺栓桿直徑)(mm)；　　　　　

m 為螺栓抗剪面數(shù)目；　　　

則：=26.26 mm；

因齒輪齒條安全系數(shù)為1.3，為確保推鋼機(jī)設(shè)備安全。故安全聯(lián)軸器只能允許過(guò)載系數(shù)1.1，所需保險(xiǎn)螺栓剪切面為Ф27 mm；經(jīng)計(jì)算現(xiàn)使用的安全聯(lián)軸器受剪螺栓剪切面直徑不滿足推力所需截面，需更換剪切面為Ф27 mm的保險(xiǎn)螺栓。

6  結(jié)論

通過(guò)對(duì)推鋼機(jī)圖紙資料的參閱，根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)推鋼機(jī)進(jìn)行電機(jī)功率、推力和轉(zhuǎn)矩的校核，減速機(jī)齒輪和齒輪軸的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，高速輸入軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，推鋼機(jī)齒輪齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，安全聯(lián)軸器受剪螺栓最小截面的計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比后：

（1）電機(jī)功率不足；需對(duì)電機(jī)進(jìn)行更換，選用YZR315S-10  55 KW電機(jī)，電機(jī)安裝底座和制動(dòng)器、聯(lián)軸器及電機(jī)配套電控系統(tǒng)需做相應(yīng)更改。

（2）減速機(jī)Ⅲ級(jí)輸出齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度不夠；齒根彎曲疲勞強(qiáng)度能滿足。將導(dǎo)致齒輪點(diǎn)蝕現(xiàn)象加急，縮短該齒輪的使用壽命。其它齒輪及齒輪軸能滿足要求。

（3）減速機(jī)高速軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求。

（4）安全聯(lián)軸器受剪螺栓剪切面直徑不滿足所需推力；需更換受剪截面為Ф27 mm的保險(xiǎn)螺栓，但加大安全聯(lián)軸器受剪螺栓剪切截面，將弱化安全聯(lián)軸器的保險(xiǎn)能力。

（5）推鋼機(jī)齒輪、齒條彎曲疲勞安全系數(shù)較小為1.3，設(shè)備安全可靠性不高，不能長(zhǎng)期使用。

7  參考文獻(xiàn)

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