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减速设施挤出机中运用研讨
发布日期：2011-06-10

减速设施挤出机中运用研讨发布时间：2011-6-9 90306　　　来源：本站　　　1减速器的承载能力　　就是在额定寿命的期限内，抵抗强冲击载荷而自身不被破坏的一种工作能力。承载能力的标志是：在某一额定输入转速下，许用功率的数值。许用功率的数值，表明了减速器承载功率的限度。　　本章节重点讲述减速器至关重要的承载能力问题。　　1.1挤出机对减速器承载能力的要求　　挤出机是制砖工艺线中重要的成型设备，性能好坏影响到各个方面，特别是砖厂，环境及条件比较恶劣，因而对挤出机的自身质量、适应能力要求非常高，其中非常重要的一点就是对减速器承载能力的要求。　　（1）在传统粘土实心砖的生产中，成型压力一般都在10kgf／cm2以下，由于制砖原料的变化，页岩、煤矸石等原料广泛的应用，特别是不同制品的生产，成型阻力的增加，因而使挤出压力提高。半硬塑成型，挤出压力一般在15～22kgf／cm2，硬塑成型，挤出压力至少都在22kgf／cm2以上。成型压力提高导致主轴转（扭）距加大，负载加重，为满足挤出压力的同时保证产量必然要增加功率，因而，成型压力的提高必然要求提高减速器的承载能力。　　（2）高转速的主轴（绞刀轴），不仅绞刀磨损快，易产生螺旋纹等，而且挤出效率低。降低主轴转速是挤出机发展的必然趋势，转速降低充分发挥每一转的挤出效率，克服诸多弊端，因而，在挤出机的设计中主轴转速大都有很大程度的下降。主轴转速下降，也就是减速器输出轴转速的下降，在速比不变的情况下，意味着输入轴输入转速的降低。由于减速器的许用功率是在输入轴输入额定转速下而达到的某一功率值，当输入转速降低后，其许用额定功率也要打折扣。因而，主轴转速的降低要求减速器的承载能力提高。　　折扣后的许用功率值其表达公式为：折扣后的许用功率值＝降低后的转速额定的转速×许用功率（3）所谓抗冲击能力，是指能经得起瞬间超强负载，即尖峰载荷的变化，如峰值扭矩、起动扭矩、制动扭矩等。抗冲击能力表明了减速器抵抗破坏的能力，即对其承载能力的考验。抗冲击能力在标准减速器技术性能中并没有明确规定，其代表的仅是许用功率值，在设计减速器时则体现在对接触强度和弯曲强度的校核中。在减速器选取的过程中，抗冲击能力的指标，实质就是减速器的工况系数，即KA值。工况系数说白了就是安全系数。工况系数高，则承载能力强，抗冲击能力强，反之，则相反。工况系数KA值的高低取决于额定的许用功率。　　挤出机其工况级别应属于强冲击载荷，重载停车，超载启动，产生尖峰载荷，再加上某些不稳定的因素，让挤出机功率瞬间上升和超负荷启动。超负荷启动实际就是冲击启动。因而，强冲击载荷也要求减速器的承载能力提高。　　挤出压力提高，增加功率；主轴转速降低，导致减速器折算后的许用功率值下降；强冲击载荷，要求强冲击工况系数，上述三项均是提高装机功率的同时，要求减速器的承载能力提高。要求减速器的承载能力，实质就是在某一额定输入转速下，希望其许用功率的数值能满足装机功率的要求，满足强冲击工况系数的要求，这一点不容置疑。　　但是，这里需要郑重说明，许用功率的数值从某种意义来讲并不能完全代表其真实的承载能力，原因就是许用功率值的真实可靠没有相对应的结构措施给予保证。　　1.2减速器轮齿的失效　　轮齿的失效是指齿轮在啮合过程中，因某些因素遭到破坏，失去了原来正常的工作能力。轮齿的失效是接触应力和弯曲应力两个方面。两个方面失效原因是因齿面硬度不同，引出不同矛盾性质的变化，出现不同的失效形式，是轮齿失效固有的特征。　　但从另一种意义上讲，人为设计取舍出现偏离造成轮齿失效也不应忽视。因而从某种意义上讲，合理应用齿轮传动的固有特征，在安全可靠的重要前提下，用最少的成本投入，得到的回报，是理想的价值工程的设计。这里，安全可靠是位的。　　软齿面被硬齿面替代是当今技术发展的必然结果，因此，减速器（轮齿）的失效形式侧重硬齿面齿轮传动，其中失效形式中的弯曲应力和接触应力，侧重弯曲应力。　　1.2轮齿失效形式　　（1）轮齿的受力齿顶受载时，轮齿根部的应力图。　　轮齿可以看成一个为B宽的悬臂梁。在齿顶受有载荷Pn＝Qb.以Pn与轮齿对称线的交点A为顶点，作一抛物线，与轮廓相切于根部的a、b两点，由材料力学可知，此抛物线为等强度梁，a、b截面就是轮齿上弯曲应力的截面，即危险截面。　　和弯曲应力公式，表达了轮齿的受力状况，这里不作任何计算，只是给出一个比较直观的认识。　　受力后以齿根处产生的弯曲应力，再加上齿根处过度部分尺寸发生了急剧的变化，以及沿齿宽方向留下的加工刀痕等引起应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿折断，这是一般情况下，轮齿折断的原因。　　（2）软、硬齿面轮齿失效的侧重面技术装备疲劳裂纹危险截面齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，其表现在两个方面，也就是齿轮设计时需要进行计算校核的接触强度和弯曲强度。对于软齿面，即齿面硬度HB≤350，一般来讲，轮齿的主要失效形式是因接触强度低造成轮齿工作面点蚀、胶合、磨损、塑性变形等原因而失效，因此，齿轮设计时首先应计算校核接触强度，其次是弯曲强度；对于硬齿面，即齿面硬度HB≥350，一般来讲，轮齿的主要失效形式是因弯曲强度低而直接造成轮齿折断。　　由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮（如20、20Cr、20CrMnMo钢经渗碳淬火的齿轮）或材质较脆的齿轮，则应以保证齿根弯曲疲劳强度为主。　　（3）硬齿面轮齿硬度层引起的轮齿失效为提高轮齿的承载能力，对轮齿进行热处理，硬齿面轮齿表面采用渗碳淬火，一般用于冲击性能较好的低碳合金钢，如20CrMnMo，18CrMoTi等，齿面硬度可高达HRC58￣63，承载能力大、耐磨性能好是它有利的一个方面，但也有它不利的一面，渗碳淬火要求齿面达到一定的硬度，这个硬度要有一定的深度，一般为模数m的0.3倍，但不应大于单边1.5￣1.8mm，在两边加起来约3mm的硬度层，由原来的韧性材质经热处理手段后转化为脆性材质，占轮齿断面积相当大的比例，至此削弱了整体截面厚度，降低了抗折的承载能力，在尖缝载荷很大时出现硬度层脱落和轮齿的折断。　　这一点，对于高速轴齿轮已经得到充分证实。　　高速轴齿轮在减速器传动中，轮齿模数最小的，两边去掉耐磨层，其抵抗弯曲强度的能力显然受到很大的削弱，因而，也就不难理解硬齿面减速器断齿大都出现在高速轴上。　　这里补充一点，就是在渗碳淬火过程，因设备及技术手段落后，出现淬透性不均匀，以及后续加工过程中造成硬度层伤痕，都会引发硬度层脱落和轮齿的折断。　　（4）轮齿（齿廓）形状对弯曲应力的影响为说明轮齿形状对弯曲应力的影响，这里我们用一个齿根弯曲应力公式来解释其内涵。　　公式是计算齿根弯曲应力的基本公式，从公式中可以看出，影响轮齿弯曲应力的因素主要有三个：　　（1）轮齿单位宽度上的载荷q；（2）由模数m表征的轮齿大小；（3）由齿形系数Y表征的轮齿的齿形形状。　　从公式中可以分析出：当载荷一定时，减少轮齿的弯曲应力，一方面是加大模数m；另一方面就是提高齿形系数Y值。齿形系数Y与齿廓形状有关，即与齿数Z有关，而与模数无关。齿形系数Y值可以从设计手册中查出。　　压力角α＝20，模数相同，齿数不同的标准轮齿。从中可以很形象地看出，模数相同，齿数越少，齿形越瘦，齿形系数Y则越小；齿数越多，齿形越胖，齿形系数Y则越大。齿数多和齿数少齿形系数Y值对比。　　表格中仅仅是几组数据对比，在模数相同时，随着齿数的增多，齿形系数Y值逐级加大。根据齿根弯曲应力公式可以判断出，齿根弯曲应力随着齿数的增多而降低。　　齿条刀具切制对于HB≥350的硬齿面减速器，与软齿面减速机中心距相同或相近的比较，一般硬齿面减速器高速轴齿数明显少于软齿面高速轴的齿数，这主要是因为硬齿面轮齿材料采用合金钢，经热处理，齿面硬度提高后，大幅提升其抗弯曲应力和接触应力，技术装备达到与软齿面减速器相同级数，相同速比的情况下，提高使用寿命，降低成本，缩短了总中心距。这里，缩小总中心距是必要的，但前提应是在寿命年限内不失效。　　模数相同，齿数减少，齿形瘦，齿形系数Y值小，从上面公式可以得出结论，加大了弯曲应力。　　（5）压力角对承载能力的影响　　前一小节讲了齿形系数Y与齿廓形状有关，即与齿数Z有关。其实，齿廓形状与压力角更有直接关系。压力角是指作用于物体上力F的方向与物体受力后的速度υ方向之间的夹角α称为压力角。压力角愈小，水平分力愈大，传动的转距也愈大。反之则相反。　　当分度圆R一定时，如果压力角不同，则所得齿廓形状也就不一样，当压力角大时，基圆半径小，分度圆以下的轮齿厚，有利于提高齿轮传动的接触强度和弯曲强度。　　压力角的大小可以理解为轮齿传递功率效率的高低。压力角小，径向分力小，传递功率效率高；压力角大，径向分力大，传递功率效率低。　　模数相同，压力角α不同的两组图形，从中可以明显看出，压力角α＝20度的轮齿齿廓，齿根薄，齿形系数Y值小，弯曲应力大；压力角α＝25度轮齿的齿廓，齿根厚，齿形系数Y值大，弯曲应力小。　　1.3减速器轮齿的失效形式分析　　分析软、硬齿面轮齿的失效原因，从中找出原因的主要方面，并针对该方面采取相对应的措施，是提高减速器轮齿承载能力的重要途径。　　轮齿的受力；软、硬齿面轮齿失效的侧重面；硬齿面轮齿硬度层引起的轮齿失效；轮齿（齿廓）形状对弯曲应力的影响；压力角对承载能力的影响等5个方面，前2项是齿轮传动轮齿必然承受的，不必作过多分析，而后3项则是轮齿固有的特征，是失效形式分析的重点。　　（1）从轮齿失效可以看出，提高齿形系数Y可以降低弯曲应力，这是利用弯曲应力公式和轮齿齿廓形状得出的结论，无疑是正确的。提高齿形系数Y值，它的前提是建立在增加齿数的基础上，若高速轴增加齿数意味着：　　①齿轮直径加大；②为保证原有的速比不变，相互啮合的一对齿轮中心距就要加大，这样就失去了硬齿面轮齿传递的优势和体积结构紧凑的意义，不经济，得不偿失。因而，不采用增加齿数的办法。　　下面以两级传动硬齿面标准减速器ZLY560与大家非常熟悉的JZQ100软齿面标准减速器做一相应对比从数据看出，ZLY560标准硬齿面减速器高速轴，除模数相同、齿数不同外，其余指标都远远高于JZQ100标准软齿面减速器，所换来的就是减少了3个齿，在近似相同中心距的情况下，速比提高了0.55。若将高速轴增加1～2个齿，或者同样为22齿，显然不经济，失去了硬齿面的意义。　　（2）冲击性能较好的低碳合金钢采用渗碳淬火，要求轮齿表面耐磨层有一定厚度，在模数相同，齿数减少的情况下，本身齿廓形状已经变瘦了，减少了齿根抗弯的有效截面积，再加上轮齿表面部分有效截面积由韧性材料变为脆性材料，如同雪上加霜。　　既要保证耐磨层的厚度，又要保证齿根抗弯的有效截面积，在模数相同、齿数不变的情况下，增加轮齿齿根厚度，只有一个方法，就是提高压力角。　　提高压力角可使轮齿齿廓加肥有效增加轮齿齿根的截面积，提高了抗折能力。　　提高压力角会降低齿轮传动的效率，但从保证安全和使用寿命的角度来讲，提高压力角所降低的那一点效率，也就是说所多消耗的那一点功率应忽略不计。　　应该讲，在其他条件不能改变的情况下，提高压力角是最经济的。　　标准硬齿面减速器，压力角为标准值α＝20°，对于一般行业，也就是冲击载荷小的可能可以满足应用，而对于特殊行业就当别论。如飞机为保证升空时超强的尖峰载荷和航行的安全，齿轮采用α＝25°的压力角；火车头为保证启动时瞬间牵引力的增加和紧急制动对轮齿的强冲击，齿轮采用α＝22.5°压力角；汽车为适应路面及载荷的变化，变速箱齿轮压力角α大于20°；日本为提高标准硬齿面减速器的承载能力，齿轮采用α＝25°压力角。　　上述某些行业和日本标准硬齿面减速器，出于安全和综合经济效益考虑，将压力角为标准值α＝20°都做了相应的提高，而对于砖瓦行业，反复出现硬齿面减速器断齿问题，说明标准压力角α＝20°已不适合该行业。其实，在别的行业照样出现此类问题，如水泥行业等，因而，提高硬齿面减速器抗折能力已是迫在眉睫之事。　　（3）由于目前硬齿面标准减速器频繁出现断齿问题，因而，手册中标定的许用功率值还不十分可靠，往往还要加大规定中的工况系数KA值强冲击载荷2的指标，而达到3以上才能基本满足承载能力的要求。也就是说，再加大一个减速机的标准规格，许用功率值才能满足要求。这显然既不合理，又不经济，让使用者十分为难，违背了硬齿面减速机替代软齿面减速机的初衷。所以在前面说：许用功率的数值从某种意义上来讲并不能完全代表其真实的承载能力，原因是许用功率值的真实可靠性没有相对应的结构措施给予保证。　　通过上2小节轮齿失效综合分析可以得出，硬齿面轮齿将选材、热处理、6级磨齿的加工精度等方面发挥的淋漓尽致，而惟独没有将轮齿齿廓固有的特性发挥出来，致使出现断齿问题。　　提高压力角不仅能提高轮齿的接触应力和弯曲应力，而且还可以提高硬齿面减速器的许用功率值。下面就日本住友重机和国内手册标准，不同压力角的标准硬齿面减速器，许用功率等参数对比。　　同表也列出引进德国福兰特技术相同压力角，许用功率等参数对比。　　两级平行轴传递硬齿面标准减速器参数对比（1）ZLY可以看出，三种不同国家硬齿面减速器，在速比相同，输入、输出轴转速相同的情况下，许用功率的数值却大不相同。德国，日本次之，我国。由此可以看出，我们与先进国家相比在硬齿面减速器技术上、认识上还有一定的差距，就像前面章节挤出机机型结构中所讲，挤出机的机型结构的配套组件可折射出国家基础工业的技术水平。　　（2）PX8000（2段）型（日本住友重机）、TH2德国福兰特，硬齿面标准减速器与ZLY硬齿面标准减速器，技术公称输入功率提高百分比及中心距尺寸对比　　通过数据可以看出：（1）在中心距相当的情况下，三种规格，日本住友重机械株式会社PX8000（2段）型硬齿面标准减速机比ZLY硬齿面标准减速机公称输入功率分别提高了23.5％～28.1％；26.2％～30％；27.8％～31％。德国福兰特公司硬齿面标准减速机比ZLY硬齿面标准减速机公称输入功率分别提高了41％～50％；47.6％～57％；35％～43％。　　（2）公称输入功率的提高，反映在材质、结构上和齿形方面与ZLY有区别。　　与日本相比，就是压力角的变化，ZLY硬齿面减速机压力角为α＝20°，PX8000（2段）型硬齿面减速机压力角为α＝25°，所以许用功率得到提高。至于材质和结构上的差异不十分清楚。　　与德国相比压力角α＝20°相同，所不同的是材料选择和结构上的差异，①ZLY硬齿面减速机材料为20CrMnMo，而德国选用的是20CrNiMo。两种材料价格相差近1倍，增加Ni元素，即增加了轮齿的韧性，提高了抗折能力，②增加齿宽，进而提高了轮齿的承载能力。　　③加大了轴直径及轴承的型号，提高轴刚度和承载能力。　　（3）速比围相同，在i＝16速比上限的是i＝14，在其下限的是i＝18，增多了选择范围，说明这一项与国际接轨。　　通过轮齿失效和轮齿失效的综合分析两章节的表述，以及硬齿面标准减速器的数据对比，让我们了解到国内外硬齿面标准减速器大概的内在差异，对今后选用硬齿面标准减速器、设计硬齿面专用减速器会有所帮助。　　对于今后选择硬齿面标准减速器，或是设计硬齿面专用减速器，是否可以从三个方面考虑：①当挤出机价格不受太大约束时，也就是说价格较高的60型以上的，能选择类似德国福兰特公司的技术，以当前流行的受料箱与标准行星齿轮减速器传动为主的挤出机机型结构；　　②当挤出机价格受到约束时，如60型以下的小型挤出机，可以按类似日本住友重机的技术选择，以达到适应市场行情的要求，以平行轴齿轮减速器与受料箱传动为主的挤出机机型结构；③硬齿面专用减速器也可以参照上述两条原则进行设计。　　不管基于上述那方面考虑，都应与减速器生产厂家协商，针对所选减速器型号，对其输入、输出轴直径、齿数、模数、中心距、压力角给予适当修改，以适于挤出机工作特点，做到万无一失。　　另外在此对JZQ软齿面标准减速器提点想法。　　毫不夸张地讲JZQ软齿面标准减速器为砖瓦行业作出了巨大贡献，至今不能退出历史舞台在于它构成挤出机的低廉价格和满足小型挤出机承载能力的要求。估计在今后相当一段时间内也很难消失，因而，笔者认为应对其进行技术改造，让其更好地发挥余热。具体措施有：①改变箱体外形结构，满足挤出机机型结构要求；②提高其承载能力，改变材质，加强热处理手段，加大轴直径和轴承型号；③提高加工精度；④增加使用寿命。　　1.4配套组件对减速器轮齿的失效影响　　所谓配套组件，就是指与减速器有直接联系的组件。目前，与减速器有直接联系的组件就是气动离合器。　　过去，气动离合器是以一个配套组件的身份直接安装在减速器的输入轴上，而如今，随着挤出机机型结构和设计上的某些要求，早已被纳入到挤出机整体结构设计之中。其好处是：一方面提高挤出机中减速器的安全可靠性，另一方面进一步开发出适合挤出机的气动离合器。这里重点强调一下，由过去独立走向的配套组件，融入到挤出机技术结构的设计中是今后发展的方向，也是配套组件占领市场最明智的选择。　　气动离合器是挤出机启动时离、合、传递扭矩，实现自动化控制的重要组件。其与减速器的连接有三种结构形式：　　（1）悬挂式。即气动离合器直接安装在减速器高速轴的轴端上。悬挂式安装结构让减速器高速轴受到弯扭的联合作用（即离合器自重和三角带径向拉力的作用），由此改变了高速轴原来的受力状态，从而使轮齿的啮合精度下降，轴承的承载能力下降，进而降低了减速器的使用寿命。　　在起重设备和其他行业机械设备中，很难看到减速器高速轴承受弯矩的结构；在减速器的选型计算方法中，也很难找到减速器高速轴承受弯矩的校荷计算，原因就是高速轴不应承受弯矩。由于标准减速器不是专为挤出机而设计的，因此，对于砖瓦行业也是很为难的一件事，采用悬挂式安装结构也是不得已而为之。　　采用简单的悬挂式安装结构，待减速器型号确定后，与生产厂家协商，加粗高速轴直径，提高轴的刚度；加大轴承型号，提高承载能力。　　另外，也可以用两个轴承座支承离合器，其轴端与高速轴轴端采用弹性联轴器连接，该结构虽然略显复杂，但结构合理，并安全可靠。　　（2）卸荷式。离合器没有直接安装在减速器高速轴的轴端上，而是安装在一个支承零件上，支承零件与减速器箱体连接。扭矩的传递采用平键或者花键。此结构没有改变高速轴原来的受力状态，不破坏轮齿的啮合精度和增加轴承的承载能力。该结构要求减速器箱体有安装支承零件的位置。　　卸荷式安装结构应该是悬挂式安装结构的替代产品，是在悬挂式基础上改进设计的新产品，是发展方向。其结构设计的改进应与挤出机设计者相互配合、协调以达到与减速器的安装要求。　　（3）装配式。离合器安装在减速器高速轴的延长部分上（即适当加长高速轴尺寸），其轴端配以辅助支承。由于增加了辅助支承，因而对高速轴轮齿的啮合精度和轴承的承载能力不会有大的影响。　　装配式安装结构，虽然配以辅助支承，但还应对延长轴进行强度及刚度校荷，特别是安装大直径皮带轮，达到一级减速目的，必须对其进行强度及刚度校荷，以保证减速器不会受到伤害。　　1.5输出轴装上压泥板齿轮对减速器失效影响　　在挤出机的结构设计中，有许多厂家将传递压泥板的大齿轮设计安装在减速器的输出轴端上，使输出轴受到附加径向力。这一结构设计上是允许的，但应与减速器专业生产厂联系，解决其中所存在的问题。建议在?菅鼓喟宓拇蟪萋智岸思右桓ㄖС校ㄖС胁淮嬖诠ㄎ晃侍狻Ｕ庋唤鼋饩隽诵劢峁共牟焕蛩兀遥直Ｖち松杓剖币蟮某萋帜龊暇取Ｕ饫铮辉俣砸虼私峁苟约跛倨魇Ы蟹治觥?BR>

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