弧形齿联轴器在轧钢机列中的创新应用

      本文叙述了在陕西省略阳钢铁厂小型轧钢车间的350轧钢机列的轧辊主传动中采用弧形齿联轴器代替梅花套筒传动的设计和使用效果，同时介绍硬齿面联轴器、切向变位等强度设计的概念。

　　弧形齿联轴器作为国际上在上世纪七十年代出现的一种新型基础传动件，具有比一般齿轮联轴器许用轴交角大、承载能力强、无边缘应力等优点，被广泛的应用于机械制造、矿山、冶金、化工等行业的机械传动中。在当时的棒、线、板材轧机的轧辊传动中，由于轧辊调整量适中，梅花接轴的倾角在2°以内，多数都采用梅花接轴套筒传动，这种传动方式的缺点是传动质量低，冲击、震动、噪音很大，故障率高。因此，国内外有些企业就开始采用弧形齿联轴器来代替梅花套筒，使用效果理想。

　　略阳钢铁厂小型轧钢车间φ350悬挂式轧机列为陕西重型机器厂设计、制造，是棒材半连轧生产线的粗轧机组，于一九八一年底投产。其人字齿轮座输出端为弧形齿联轴器，轧辊端为梅花接轴传动。在投产后的试运行中，梅花接轴在运转中冲击、震动、噪音很大，经常发生扭断梅花接轴、冲碎止推轴瓦、撞坏调整螺母的故障，对正常生产影响很大。所以轧辊的材质设计为60CrNiMo锻钢。这种材质的耐冲击性能好，但不耐磨，单槽轧出量低，导致在生产中换辊频繁，轧辊重车量大，轧辊消耗量大，严重的影响了生产，试生产期间，由于轧辊、轧机主轴承胶木瓦、导卫板等多种备件必须依赖主机生产厂提供，其制造要求非常特殊，加上在当时我国机械制造的水平较低，备件组织供货困难，曾发生因原配轧辊用磬，备用的球墨铸铁轧辊因梅花头部位强度不够，频频扭断，造成全线停产长达半年之久的事情。到1984年底由试生产转入正常生产时，这一问题已经到了必须解决的地步。

　　一、 设计方案简介

　　1、 原始数据

　　φ350悬挂式轧机列

　　轧辊直径： d=330~380mm：轧辊材质：60CrNiMo：主电机功率： 710 KW

　　人字齿轮座输出扭矩：M= 90 KN·m ，弧形齿联轴器许用扭矩： M1=50KN·m

　　许用轴交角：α=2°20′，弧形齿联轴器模数： m=5 mm

　　弧形齿联轴器齿数： Z=48，人字齿轮座输出转速： n=137r/min

　　弧形齿联轴器内、外齿套材料： 35Cr2MnMo

　　内、外齿套的热处理要求： 氮化处理硬度Hv≥375。，梅花接轴外径： 175 mm

　　梅花接轴材料：45号钢，梅花接轴热处理：调质处理 HBs=230~260

　　2、改造设计方案

　　1)将原设计中的梅花套筒共三组9件，全部改成弧形齿联轴器，相应的梅花接轴改为连接轴。

　　一方面提高传动质量，另一方面可以把接轴和轧辊端部改为扁头，从而大大地提高了承载能力，并允许采用铸钢轧辊代替锻钢轧辊，从而允许从专业轧辊厂采购轧辊，保证了供应渠道通畅，价廉物美，同时也大幅度地增加了轧出量。

　　2)为了降低机列运转过程中的冲击和震动，有必要降低主传动链的刚度，将主减速器与齿轮座之间传动轴的直径由175mm减小到150mm，其材质由45钢改为40Cr，从而有效地降低了传动轴的刚度，减缓了轧制过程中的冲击和震动。

　　3)由于原设计的弧形齿联轴器内外齿采用35Cr2MnMo氮化处理，加工难度大，不耐冲击、震动，在试生产期间，过钢量仅为六千吨，现改为18CrMnTi渗碳钢，经渗碳淬火后硬度为52~56HRC。

　　4)为了便于装拆，内齿套非啮合端设有爪型离合器，用四组螺栓拧紧。

　　5)为了增加弧形齿联轴器的承载能力，提高运行寿命，采用变位鼓形齿联轴器的设计方法，使内外齿强度接近，成为等强度设计。[5]

　　二、关键设计内容

　　由于篇幅所限，这里仅介绍变位弧形齿联轴器等强度设计的内容。

　　按照弧形齿联轴器的设计规范，内外齿的啮合侧隙Cnmin与分度圆直径d、最大轴交角α和分度圆弧半径R有关，其关系式如下：

　　Cnmin=0.67d(1-cosα)+2.92Rtan2α

　　R=K1b， α=2°20′时，K1=4.4， 本设计中， b=36mm， m=6， Z=46 ， d=mz=6×46=276mm， 则：R=K1b=4.4×36=158.4mm, 取R=160mm。

　　∴Cnmin=0.67d(1-cosα)+2.92Rtan2α

　　=0.67×276(1-cos2°20′)+2.92×160×tan22°20′=0.95mm

　　考虑到齿轮制造误差，侧隙的补偿值为：

　　δCn=1.879δtΣ+2δj= 0.32mm：

　　式中，δtΣ—齿轮联轴器齿的周节累积误差。 δj—齿形误差。

　　于是，齿轮联轴器满足工作倾角要求的总侧隙为：

　　Cn= Cnmin+δCn=0.95+0.32=1.27mm

　　通常设计时，内齿轮选用通用齿轮联轴器的标准齿厚，这时，其余的侧隙值就只能靠减少外齿轮的齿厚来实现了。通常情况下，外齿轮被切去的齿厚占总侧隙的85%左右，这就造成了外齿轮的齿根被严重地削弱了，在现场，外齿轮被连片断齿的现象随处可见，成为制约弧形齿联轴器承载能力的一个薄弱环节。如原设计外齿轴套的分度圆弦齿厚标准值为7.8mm，而原设计值为6.6mm，齿厚减薄量达16%，而内齿的齿廓是凹形的，其根部强度远大于外齿轮。因此，这一设计偏差有必要予以纠正。

　　简单地说，就是把原来由外齿所承担的齿厚切除量全部由内齿来承担，外齿的分度圆弦齿厚按标准设计，使二者的强度接近，从而最大限度地提高弧形齿联轴器的承载能力 ，这就是等强度设计的思路。最大倾角时，内、外齿之间必须有足够的侧隙，才能保证不发生啃齿现象。

　　本设计中，分度圆理论弦齿厚为Sx0=9.4mm，取外齿轮的分度圆弦齿厚为Sx1=9.4mm，则内齿的分度圆弦齿厚为：

　　Sx2=Sx0-Cn=9.4-1.27=8.13mm

　　这就意味着，内齿轴套的齿形加工时，需要采取变位的方法。但由于内、外齿轮是靠齿顶实现间隙配合的，故只能采用切向变位的方法来加工。