浅谈出坯辊道减速机国产化技术改造中的设计和制造技术

摘要：出坯辊道减速机FZAD148B是国内某钢厂进口德国FLENDER公司的设备。为保障设备及生产线的可靠运行，近几年郑州机械研究所同国内有关厂家一起对出坯辊道减速机进行了国产化技术改造。通过对进口减速机技术分析，找出其原始设计缺陷，重新进行技术设计并优化齿轮参数，国产化技术改造后的减速机现场运行状况良好。

关键词：出坯辊道减速机；国产化；技术改造；FZAD148B减速机；出坯辊道系统 文献标识码：A

中图分类号：TG333 文章编号：1009-2374（2015）11-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.019

1 FZAD148B减速机的使用场合及国产化意义

FZAD148B减速机是某钢厂四炼钢板坯连铸机出坯辊道系统的重要设备，对它的使用要求是可靠连续运转至少一年方可进入一个维修更换周期。FZAD148B减速机国产化技术改造对于打破国外的技术封锁和垄断，减少对国外产品的依赖性，极大地降低生产成本费用，保障生产线可靠运行，提供质量可靠的备品备件以及及时到位的技术服务都有着重要意义。

2 减速机结构及运转基本状况

FZAD148B减速机，配套M132M4F-L150/60N电机，输入功率7.5kW，输入转速1450r/min，减速比为53.53，输出转速27.1r/min。该减速机采用两级传动。投产3年来实际使用过程中共损坏106台，主要损坏形式是减速机齿轮严重磨损和断齿。由于出坯辊道减速机损坏情况严重，影响送坯效果，经常利用磁盘或夹钳将铸坯吊入另一辊道，

严重影响正常生产，并大大增加了备件修复费用。

3 进口减速机技术分析

3.1 设计缺陷

齿轮强度计算表明FZAD148B减速机齿轮接触强度和弯曲强度严重不足。表1是原设计参数的计算结果：

表1 原设计参数的计算结果（使用系数2.5）

齿轮 第一级

齿轮副 第二级

齿轮副

模数（mm） 1.5 4

中心距a（mm） 153 210

齿宽b（mm） 30 68

齿宽系数b/a 0.19 0.32

速比 8.42 6.36

接触强度最小允许安全系数 1.3 1.3

接触强度计算安全系数 1.06 0.85

弯曲强度最小允许安全系数 1.6 1.6

弯曲强度计算安全系数 1.19 1.4

计算结果表明该减速机的第一级齿轮副和第二级齿轮副的接触强度和弯曲强度严重不足，安全系数都达不到要求的最小允许安全系数。由齿轮设计理论知道，如果齿面接触强度不足将导致齿面点蚀、片蚀和剥落等现象发生；如果齿根弯曲强度不足将导致断齿现象发生。

图1 FLENDER公司的FZAD148B

3.2 设计缺陷原因和对策

表2 技术改造后的强度校核计算结果（使用系数2.5）

齿轮 第一级

齿轮副 第二级

齿轮副 第三级

齿轮副

模数（mm） 2 3 5

中心距a（mm） 100 140 200

齿宽b（mm） 40 50 70

齿宽系数b/a 0.4 0.36 0.35

速比 4.05 3.74 3.53

接触强度最小允许安全系数 1.3 1.3 1.3

接触强度计算安全系数 1.4 1.4 1.4

弯曲强度最小允许安全系数 1.6 1.6 1.6

弯曲强度计算安全系数 2.4 2.0 2.1

进口减速机接触强度和弯曲强度严重不足的主要原因是：中心距较小；齿宽系数b/a较小；速比分配不合理等。提高齿面接触强度和齿根弯曲强度的最有力措施是增大中心距。进口减速机是二级传动，我们在不改变现场安装条件下改为三级传动，这样中心距由原设计363mm增大到440mm。齿宽系数b/a一般取值0.4～0.5，进口减速机的齿宽系数仅有0.19，这是非常不合理的设计，国产化技术改造中取齿宽系数大于0.35，确定传动比时原则上使各级传动的承载能力大致相等。表2是技术改造后的计算结果。

计算结果表明国产化技术改造后的减速机的每一级齿轮副的接触强度和弯曲强度安全系数都达到并超过了要求的最小值。

图2 国产化技术改造的FZAD148B

4 提高FZAD148B减速机工作寿命的措施

4.1 优化设计齿轮参数

在传动齿轮的齿数、模数、螺旋角一定的情况下，通过选择变位系数得到有利的渐开线区段，使齿轮副的最大滑差率近似相等，进而使齿轮传动性能得到改善。应用有效变位齿轮可以避免根切，提高齿面接触强度和齿根弯曲强度，提高齿面的抗胶合能力和耐磨损性能。

4.2 选择性能优异的齿轮材料

材料是齿轮承载能力的基础。因为齿轮形状及受力都比较复杂，所以钢材选用十分讲究。FZAD148B减速机中传动齿轮不仅需要强度高、韧性好、耐磨性佳，同时还要求能保证在截面上获得必要的淬透深度，以便在较厚的受力面内保持较均匀的综合力学性能。因此，选择优质渗碳淬火钢17CrNiMo6作为齿轮副的材料。

4.3 执行正确的工艺路线

执行正确的工艺路线是获得可靠质量的前提。齿轮加工主要工艺路线：锻造→退火→粗加工→超声波探

伤→调质→半精加工→滚齿→渗碳淬火→精加工→磨齿。特别重视了如下三道工序：

4.3.1 滚齿时采用磨前滚刀。使用磨前滚刀不仅降低了齿根处表面粗糙度，而且避免了磨齿时磨去齿根处的碳化淬硬层，从而提高了轮齿抗弯曲疲劳强度和抗冲击动载荷的能力。

4.3.2 严格执行热处理工艺。对热处理工艺的正确选择及对其质量的严格控制，意义在于改良和提升齿轮材料的内在品质，同时弥补了国内合金钢材料性能的不足，从而保证齿轮的使用性能和寿命。FZAD148B减速机中的齿轮渗碳淬火环节中需要重点把控的是高速级齿轮副的有效渗碳层深，齿轮的渗碳层深度可以根据模数按表3所推荐的数值选用：高速级齿轮副的模数为2，由表中得出渗碳层深为0.4～0.7mm，结合几何计算得出齿轮的分度圆齿厚约为3.14mm，这就要求该级齿轮副的渗碳过程要做到准确无误。如果渗碳层深过深，齿厚容易淬透，齿轮脆性增加，削弱其弯曲强度；而如果渗碳层深过浅，则在磨齿过后不易保证其硬化层深，从而削弱其接触强度。因此这个环节的质量直接关系到齿轮副的实际强度。

表3

模数/mm 深度范围/mm 模数/mm 深度范围/mm 模数/mm 深度范围/mm

>1～1.5 0.2～0.5 >2.75～4 0.8～1.2 >9～12 1.3～2.0

>1.5～2 0.4～0.7 >4～6 1.0～1.4

>2～2.75 0.6～1.0 >6～9 1.2～1.7

4.3.3 提高磨齿精度。磨齿工序是齿轮加工极其重要的一道工序，应在高精度成型磨齿机上进行。成形磨齿自动完成齿形和齿向的修形和齿顶倒楞，不会产生与齿轮精度有关的振动和噪声。

4.4 完成齿轮箱的良好装配和试运转

4.4.1 齿轮箱装配中应注意检查齿轮箱各轴系中心线的平行度、各轴承座孔的实际尺寸，确认符合设计要求。箱体应在装配平台上找平，结合面水平度误差小于0.10/1000mm，这样齿轮副齿面接触痕迹才反映真实情况。

4.4.2 根据轴承型号及内径尺寸确定各轴系轴向间隙值，通过调整零件轴向尺寸获得合适的轴向间隙值。

4.4.3 良好的齿面接触区是齿轮平稳啮合、正常运转的前提。涂抹红丹粉，检验齿轮副齿面接触区。正反转盘动齿轮，观察齿面接触情况。只有接触斑点按长度大于70%、按高度大于50%后才符合要求。

4.4.4 减速箱试运转时声音应均匀，不得有尖叫声和撞击声，减速箱各接合面、轴孔及油路不得漏油。

齿轮传动的令人满意的总质量是如下各环节的集合，优秀的齿轮设计、优等的齿轮部件（材料、热处理、工艺、精度等）、优等的装配调整（轴承、动平衡、轴向间隙、侧隙等）、与原动机/负载机器的正确连接（找正、对中等）、正确的运行使用和维护（润滑、冷却等）。

5 结语

2011年3月国产化技术改造的FZAD148B共计7台上线，使用至今无质量问题。减速机工作寿命提高取得了明显的效果，有力保障了武钢四炼钢板坯连铸机出坯辊道生产线可靠运行，为该钢厂节省了大量的外汇费用。FZAD148B减速机的成功改造，为同类设备国产化工作积累了有益的经验。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.

[2] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3] 齿轮手册编委会.齿轮手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：张达（1983-），男，山西武乡人，郑州机械研究所工程师，研究方向：齿轮传动。

（责任编辑：秦逊玉）