SAM16-180S 混砂机齿轮箱的国产化研究及应用

（东风锻造有限公司铸造二厂，湖北 十堰 442013）

SAM16-180S 混砂机是丹麦DISA 公司制造的一款转子式混砂机，自2002 年工厂引入使用至今。在近20 年的使用期间，一些易损件逐渐损坏，为了降低采购成本，大部分机械非标易损件在更换过程中均已进行了国产化改造，这其中包含全套转子（转子输入轴、大小同步带轮、转子轴承座以及转子搅拌器）、卸料门、壁刮板、底刮板、主轴及轴承座等，国产后的使用效果都比较理想。但是，在使用过程中，混砂机齿轮箱同样出现多次损坏，损坏的齿轮轴及齿轮也经历过多次更新修配，但是使用效果一直不够理想。为了进一步提高该混砂机的稳定性，很有必要开展齿轮箱国产化改造方面的研究。

1 混砂机齿轮箱存在问题

1.1 混砂机工作原理

图1 SAM16-180S 混砂机的基本结构图

图1 所示为SAM16-180S 混砂机的基本结构，其工作原理为：主料及辅料分别通过主料称以及辅料称按照设定的值加入混砂室，在主轴电机的驱动下，底刮板及壁刮板绕主轴轴心旋转；在转子电机的驱动下，固定在传动桥上的转子搅拌器在绕自身轴心自转的同时，绕主轴轴心进行公转。型砂在底刮板、壁刮板以及转子搅拌器的作用下在混砂室混制，待型砂检测装置确认型砂合格后，通过卸料装置放空混砂室，然后再进入下一个循环周期。

1.2 齿轮箱工作原理

齿轮箱是SAM16-180S 混砂机一个重要的组成部分，原齿轮箱的结构简图见图2，原齿轮箱的基本参数见表1.

图2 原齿轮箱的基本结构图

表1 原齿轮箱基本参数表

齿轮箱的工作原理为：齿轮箱一级齿轮副的输入轴在主轴电机的驱动下，通过二级齿轮副以及三级齿轮副的传动，最终由三级齿轮副的大齿轮带动输出轴将扭矩传递至传动桥，带动壁刮板、底刮板以及转子搅拌器绕主轴旋转。与此同时，二级齿轮副的齿轮轴连接一齿轮泵，齿轮泵的吸油口位于齿轮箱底部，从箱体内部吸油，在溢流阀、过滤器、压力继电器等液压元件的控制下输送至齿轮副的啮合点以及各级齿轮轴的上端轴承，对其进行润滑，这种润滑方式称之为内循环润滑。

1.3 原有齿轮箱存在的问题

原有齿轮箱主要存在以下几方面的问题：

1）从图1 可以看出，混砂机各零部件的布局非常紧凑，齿轮箱的分布空间因此受到一定的限制，而从图2 可以看出，原有的齿轮箱各级齿轮副的轴心分布于一条直线上，在此基础上完成三套齿轮副的布局，只有尽可能压缩各级齿轮副的外形尺寸，因此在最初的设计上，各级齿轮副的安全系数取值都相对较低。由于强度得不到保证，最终导致在使用过程中经常出现断轴及断齿现象。

2）从图2 可以看出，原有的齿轮箱润滑系统采用的是内循环润滑系统，由二级齿轮副的齿轮轴直接带动齿轮泵从箱体内部吸油输送到各润滑点，这种润滑方式最大的优点就是不需要为润滑系统增加单独的动力元件，但缺点也非常明显，油泵输入轴直接与齿轮轴相连，由于齿轮箱运行时振动较大，导致油泵输入轴经常出现断轴现象。

2 齿轮箱技术改造方案

为了解决上述问题，需要对齿轮箱进行更新改造，此次更新改造的总体设计原则如下：

1）齿轮箱外形尺寸基本不变，以适应现有的安装空间：

2）齿轮箱与各相关零部件的连接尺寸不变，保证其他相关部件可以继续使用；

3）在前两点的基础上提高各级齿轮副的设计安全系数，以此提升各级齿轮副的强度；

4）齿轮箱的润滑方式由内循环改为外循环，减少润滑系统的故障频率。

通过多次技术讨论，比较了多种技术方案的优缺点，最终确定了一套齿轮箱的改造方案，确定从齿轮传动结构方面和润滑系统方面进行改进，下面将对此改造方案进行介绍。

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2.1 齿轮箱传动系统结构的改进方案

2.1.1 齿轮箱传动系统问题解析

图3 原齿轮箱各级齿轮副布局简图

如图1 所示，整台混砂机各零部件在装配时都具备一定的关联性，在考虑整体布局时，齿轮箱也需要考虑与其他零部件的相对位置关系。图3 为原齿轮箱各级齿轮副布局简图，齿轮箱的原始设计思路是3 套齿轮副呈一条直线分布，由于受空间上的限制，在保证输入轴、轴出轴以及安装底孔之间的相对位置关系的前提下，3 套齿轮副的总中心距基本上不能超过785 mm.因此，在此基础上设计各级齿轮副，无论是在接触强度还是弯曲强度方面，安全系数都相对较低。通过对原始齿轮箱各级齿轮副的核算发现，各级齿轮副的各类参数分别如表2 所示。

表2 原出厂设计齿轮箱齿轮副的各类参数和强度分析

从表2 可以看出，在选材方面，各级齿轮副的选材比较合理，因为17CrNiMo6 的屈服强度及抗拉强度分别为865 MPa 和1 180 MPa～1 420 MPa，在合金钢材料中属于高强度材料。但是，由于外形尺寸的限制，三套齿轮副无论是小齿轮还是大齿轮，其接触强度系数都偏小，尤其是三级齿轮副，其接触强度系数尚不及安全系数标准值（最小许用接触强度安全系数值为1.0），二级及三级齿轮副的弯曲强度系数也相对偏小，由此带来的问题就是打齿和断轴。

2.1.2 齿轮箱传动系统改进措施

为了解决齿轮箱的打齿及断轴问题，在不改变齿轮箱整体外形尺寸以及与混砂机其他零部件的关联尺寸的前提下，可以考虑改变各级齿轮副的布局。由于原齿轮箱在设计时各级齿轮副呈直线分布，而各级齿轮副的外形尺寸是逐步增大，其中输出轴上的齿轮为最大外形尺寸，而前几级齿轮在宽度方向还有足够的空间可以利用，因此可以考虑将中间两根齿轮轴的轴心向原中心线的两侧偏移，各齿轮轴的轴心连线呈折线分布，以此增加各级齿轮副的总中心距，从而在设计上可以考虑增加各级齿轮副的外形尺寸，以此来提升齿轮的接触强度和弯曲强度。

图4 新齿轮箱各级齿轮副布局简图

图4 为新齿轮箱各级齿轮副布局简图，在充分利用齿轮箱的空间的前提下，齿轮副的总中心距可以由原来的785 mm 增加至939 mm，在此思路下设计齿轮副，通过计算，最终各级齿轮副的各类参数如表3 所示。

表3 结构改进后齿轮箱齿轮副的参数和强度分析

从表3 可以看出，重新设计的齿轮箱各级齿轮副无论是在接触强度系数还是在弯曲强度系数方面，都有比较大的提高，按此设计方案来制作齿轮箱，各级齿轮副的强度均有不同程度的提高，使用寿命也会因此增加。另外，按此方案进行改进，不仅总的传动比与原齿轮箱基本相等，而且安装尺寸也与原齿轮箱保持一致，符合总体设计原则。

2.2 齿轮箱的润滑问题

如图5 所示，齿轮箱的润滑采用的是一套自驱动的润滑系统，其润滑泵的动力源为齿轮箱的二级齿轮副齿轮轴，由于齿轮之间的啮合存在的振动较大，而润滑泵输入轴与齿轮轴之间采用的是刚性连接，这种振动直接传递至润滑泵的输入轴，而该轴由于轴径较小，强度相对较低，在长时间的激振力作用下，润滑泵输入轴极易断裂，润滑泵出现问题后齿轮箱无法正常工作，混砂机只能停机维修。

图5 改进前齿轮箱的润滑系统

2.2.2 润滑系统改进措施

原有的齿轮箱采用的是一种内循环的润滑方式，即润滑泵从箱体内吸油再回到箱体内，只是润滑泵不需要单独的驱动机构，而润滑系统的问题就出在润滑泵的动力元件上。为了解决润滑系统的动力问题，可以为润滑泵增加一套动力元件，解决原有动力源存在的问题。具体方案如图6 所示。

改进后的润滑系统的工作原理为：在电机的驱动下，油泵从吸油口吸入润滑油，通过溢流阀调整压力至设定值，经过过滤器过滤后分别输送至各需要的润滑点，包含一级及三级齿轮副啮合点的润滑，输入轴、二轴、三轴以及输出轴上端轴承的润滑。当润滑油压力超过设定值时，溢流阀开启，润滑油会通过溢流口流入箱体内，当压力低至设定值后，压力继电器会把信号反馈给电气控制系统，系统会发出警报，提示操作人员进行处理。

图6 改进后齿轮箱的润滑系统

由于二级齿轮副及各轴的下端轴承本身就处在润滑油液面以下，因此不需要另行润滑。经过各润滑点的润滑油在自身重力的作用下再流回箱体内，如此反复循环。

改进后的润滑系统，润滑泵相对独立，不会受到齿轮箱工作时产生的振动干扰，因此以前出现的输入轴断裂的现象不会再次出现，润滑系统的稳定性会因此提高。

3 技术改造后的使用效果

改造后的齿轮箱在不改变外形尺寸及与其他零件连接尺寸的前提下，各级齿轮副的强度得到了大幅度的提升。另外，采用相对独立的润滑方式，润滑系统的稳定性也得到了提高。从投入使用至今，齿轮箱基本没有出现重大问题，原有的齿轮副断轴、打齿以及润滑泵断轴的问题都得到了解决，总体效果非常理想，达到了预期目标。

图7 齿轮箱内部结构图

从图7 改进前后的齿轮箱内部结构图可以看出，齿轮箱的内部结构在改进前后有明显的不同，改进后箱体内有限的空间得到了充分的利用，各级齿轮副的强度不仅得到了大幅度提高，而且齿轮箱的装配也较改进前方便了很多。

4 结论

DISA 公司在铸造领域，尤其是砂处理方面在国际上享有很高的知名度，研发的铸造设备基本上可以代表国际领先水平，这一点勿容置疑。但即便如此，有些设备在一些细节方面的设计也会存在或多或少的不足。对国外先进技术的改进是一种大胆的尝试，通过此次尝试也说明了一个问题，国外能做到的，通过自己的钻研，国内同样也可以做到，而且还可以在国外的基础上做的更好。这种对国外设备改造的尝试，今后也会在其他设备上进行推广。