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大型磨機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究
2017-12-13

大型磨機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究

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    對(duì)于常規(guī)礦用磨機(jī),國(guó)內(nèi)外常采用的驅(qū)動(dòng)方式有單邊同步電動(dòng)機(jī) + 開(kāi)式齒輪副驅(qū)動(dòng)、單邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開(kāi)式齒輪副驅(qū)動(dòng)、雙邊同步電動(dòng)機(jī) + 開(kāi)式齒輪副驅(qū)動(dòng)、雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開(kāi)式齒輪副驅(qū)動(dòng)等幾種。研究表明,當(dāng)磨機(jī)裝機(jī)功率達(dá)到 20 MW 以上時(shí),以上驅(qū)動(dòng)方式已不再適用。根據(jù)國(guó)際公認(rèn)的磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選用原則,裝機(jī)功率在 10 MW 以下建議選用單邊驅(qū)動(dòng);10~20 MW 建議選用雙邊驅(qū)動(dòng);20 MW 以上建議選用無(wú)齒傳動(dòng),即環(huán)形電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于 20 MW 以上大型礦用磨機(jī),采用環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:磨機(jī)尺寸不受限制,其功率只與電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力有關(guān),可以調(diào)速,沒(méi)有雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的載荷分配問(wèn)題。但近些年通過(guò)對(duì)國(guó)外用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況調(diào)研發(fā)現(xiàn),環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)際應(yīng)用效果并不理想,電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)造價(jià)高昂,對(duì)環(huán)境要求極高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要專(zhuān)業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊(duì),備件需求量大,維護(hù)成本高,可靠性也有待提高。
 相對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),齒輪傳動(dòng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),如所需備件少、投資成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等,另外齒輪技術(shù)經(jīng)過(guò)近百年的快速發(fā)展已日趨成熟,安全可靠。因此,為適應(yīng)未來(lái)大型磨機(jī)的發(fā)展需求,擺脫對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的依賴(lài),中信重工機(jī)械股份有限公司結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢(shì),分別提出了四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案。筆者擬從傳動(dòng)原理、技術(shù)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等方面與原環(huán)形電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行對(duì)比,探討兩種齒輪傳動(dòng)方案的可行性,為新一代大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)提供新的解決方案。
 
1 傳動(dòng)方案及原理
 針對(duì)提出的四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案,現(xiàn)以 φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)為例分別進(jìn)行介紹。已知磨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。
表 1 磨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)
 
1.1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)
 如圖 1 所示,φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)主傳動(dòng)采用雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 雙輸入行星減速器 + 開(kāi)式齒輪傳動(dòng)方案。其中,電動(dòng)機(jī)與行星減速器采用高彈性聯(lián)軸器聯(lián)接,行星減速器與開(kāi)式齒輪軸組采用齒式聯(lián)軸器聯(lián)接,主傳動(dòng)開(kāi)式齒輪軸組另一端與慢速驅(qū)動(dòng)裝置聯(lián)接。
1. 異步電動(dòng)機(jī) 2. 高速聯(lián)軸器 3. 雙輸入行星減速器 4. 齒式聯(lián)軸器 5. 開(kāi)式齒輪軸組 6. 齒圈 7. 慢速驅(qū)動(dòng)裝置 8. 磨機(jī)本體
圖 1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案
  磨機(jī)主傳動(dòng)單電動(dòng)機(jī)功率 6 MW,單邊驅(qū)動(dòng)為雙電動(dòng)機(jī)輸入經(jīng)行星減速器單軸輸出,然后通過(guò)開(kāi)式齒輪軸組驅(qū)動(dòng)齒圈,單邊驅(qū)動(dòng)功率 12 MW,雙邊總傳遞功率 24 MW。該傳動(dòng)方案大幅度降低了電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率,解決了大功率電動(dòng)機(jī)采購(gòu)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的問(wèn)題;通過(guò)精確的電氣控制技術(shù),可滿(mǎn)足雙邊四電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步性和均載性要求,并確保雙邊驅(qū)動(dòng)平均負(fù)載不均衡系數(shù)小于 2%。當(dāng)主機(jī)功率不太大時(shí),也可將雙邊 (四電動(dòng)機(jī)) 驅(qū)動(dòng)改為單邊 (雙電動(dòng)機(jī)) 驅(qū)動(dòng)。該傳動(dòng)方案具有較寬的功率覆蓋范圍。
1.2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)
  如圖 2 所示,φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)主傳動(dòng)采用雙邊同步電動(dòng)機(jī) + 多點(diǎn)嚙合減速器 + 齒圈傳動(dòng)方案,單邊驅(qū)動(dòng)單元傳遞功率 12 MW。其中,電動(dòng)機(jī)與多點(diǎn)嚙合減速器采用力矩限制聯(lián)軸器聯(lián)接,減速器與開(kāi)式齒圈直接嚙合驅(qū)動(dòng)磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外,力矩限制聯(lián)軸器設(shè)置有制動(dòng)盤(pán),配備制動(dòng)器,可用于更換襯板時(shí)的制動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中的緊急制動(dòng)。
 
1. 同步電動(dòng)機(jī) 2. 制動(dòng)器 3. 力矩限制聯(lián)軸器 4. 多點(diǎn)嚙合減速器 5. 齒圈 6. 磨機(jī)本體
圖 2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)方案
  雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng),電動(dòng)機(jī)功率相對(duì)較低,采購(gòu)成本低;通過(guò)電氣控制技術(shù)保證雙邊驅(qū)動(dòng)功率不均衡系數(shù)小于 2%,同時(shí)多點(diǎn)嚙合減速器內(nèi)部設(shè)有機(jī)械柔性均載機(jī)構(gòu),保證嚙合點(diǎn)均載;多點(diǎn)嚙合減速器與齒圈直接嚙合,取消了開(kāi)式小齒輪軸組,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔;取消了慢驅(qū)傳動(dòng)裝置,通過(guò)變頻控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng);采用多點(diǎn)嚙合技術(shù),單邊驅(qū)動(dòng)功率可達(dá) 19 MW,雙邊驅(qū)動(dòng)功率可達(dá) 38 MW,能夠保證磨機(jī)有較高的裝機(jī)功率。
 
2 技術(shù)特點(diǎn)
2.1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)
  多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是解決特大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要方法之一,在多電動(dòng)機(jī)精確控制技術(shù)的推動(dòng)下,在礦山、石油化工及軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案具有以下技術(shù)特點(diǎn):
  (1) 將常規(guī)平行軸單輸入、單輸出減速器更改為雙輸入、單輸出行星齒輪傳動(dòng),降低了電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率,縮小了減速器體積,具有較高的功率密度。
  (2) 各驅(qū)動(dòng)單元的聯(lián)接均采用柔性聯(lián)接方式,即電動(dòng)機(jī)與減速器間的棒銷(xiāo)聯(lián)軸器,減速器與小齒輪軸組的鼓形齒聯(lián)軸器,使得各傳動(dòng)單元能夠相對(duì)獨(dú)立,減小了電動(dòng)機(jī)和主機(jī)動(dòng)態(tài)載荷對(duì)減速器的影響。
  (3) 如圖 3 所示,雙輸入、單輸出行星減速器采用兩級(jí)傳動(dòng):第一級(jí)為雙輸入平行軸傳動(dòng),將動(dòng)力傳遞給二級(jí)太陽(yáng)輪;第二級(jí)采用內(nèi)齒圈輸出,避免行星輪及行星轉(zhuǎn)架不平衡力矩產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)載荷而影響齒輪及軸承壽命。
 
1. 輸入小齒輪 2. 一級(jí)大齒輪 3. 二級(jí)行星齒輪 4. 二級(jí)太陽(yáng)輪 5. 輸出內(nèi)齒圈
圖 3 雙輸入行星減速器
  (4) 雙輸入行星減速器輸出內(nèi)齒圈采用薄壁把合式結(jié)構(gòu),通過(guò)內(nèi)齒圈與輸出軸的彈性變形改善齒面接觸,提高行星齒輪傳動(dòng)的均載性能。
  (5) 根據(jù) AGMA6114-A06 對(duì)磨機(jī)開(kāi)式齒輪服務(wù)系數(shù)的最小要求,四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)受開(kāi)式齒輪軸組承載能力的限制,單邊最大傳遞功率建議不超過(guò) 12 MW,雙邊最大傳遞功率建議不超過(guò) 24 MW。
2.2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)
  大型磨機(jī)雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)打破了常規(guī)磨機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)形式 (見(jiàn)圖 4),動(dòng)力由輸入小齒輪輸入,輸入小齒輪與兩個(gè)一級(jí)大齒輪嚙合進(jìn)行功率分流,一級(jí)大齒輪與輸出小齒輪軸通過(guò)扭力軸組聯(lián)接,最后,兩個(gè)輸出小齒輪軸通過(guò)與大齒圈嚙合實(shí)現(xiàn)功率合流和磨機(jī)驅(qū)動(dòng)。該傳動(dòng)方案具有如下特點(diǎn):
 
1. 輸入小齒輪 2, 2′. 一級(jí)大齒輪 3, 3′. 輸出小齒輪軸 4, 4′.  扭力軸組
圖 4 多點(diǎn)嚙合齒輪減速器
  (1) 經(jīng)對(duì)各傳動(dòng)單元的分析計(jì)算,該方案可實(shí)現(xiàn)大型磨機(jī)的驅(qū)動(dòng);
  (2) 多點(diǎn)嚙合齒輪箱采用平行軸功率分流傳動(dòng)方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便;
  (3) 采用柔性支承瓦技術(shù),安裝維護(hù)方便,具有較高的承載能力和可靠性;
  (4) 采用扭力軸均載技術(shù),解決了雙路受載不均的問(wèn)題;
  (5) 多點(diǎn)嚙合齒輪箱設(shè)計(jì)了多種彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu),對(duì)零部件的加工誤差、產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差不敏感,具有良好的自適應(yīng)性;
  (6) 電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率 12 MW,相對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī),采購(gòu)成本大幅度降低,技術(shù)成熟,維護(hù)方便;
  (7) 傳動(dòng)系統(tǒng)取消了小齒輪軸組,縮短了傳動(dòng)鏈,提高了可靠性;
  (8) 設(shè)置了力矩限制聯(lián)軸器和閘控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)和緊急制動(dòng);
  (9) 雙電動(dòng)機(jī)雙邊多點(diǎn)嚙合傳動(dòng),傳遞功率大,具有較大的功率拓展性,保守估計(jì)雙邊傳遞功率可達(dá) 38 MW 以上。
  綜上所述,雙電動(dòng)機(jī)雙邊多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)具有良好的傳動(dòng)性能和可靠性,完全可以替代大型磨機(jī)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,具有較高的可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)性。
 
3 加工要求
  隨著磨機(jī)的大型化,齒輪傳動(dòng)裝置的承載能力明顯提高,對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的體積、質(zhì)量、加工精度、關(guān)鍵零部件的機(jī)械性能及可靠性等,均提出了較高的要求,故在關(guān)鍵零部件加工過(guò)程中需應(yīng)用如下關(guān)鍵技術(shù):
  (1) 大型滲碳淬火齒輪精密加工技術(shù),如 DIN 標(biāo) 5 級(jí)精度齒輪的加工、齒面有效硬化層厚度均勻度控制及磨削缺陷的消除等;
  (2) φ10 m 及以上開(kāi)式齒圈高質(zhì)量制造技術(shù),如百?lài)嵓?jí)超重齒圈的鑄造及機(jī)械加工、Q10~Q9 級(jí)(AGMA2000) 精度輪齒加工、開(kāi)式齒圈機(jī)械加工殘余應(yīng)力及變形控制等;
  (3) 齒輪材料熱處理精細(xì)控制技術(shù),如窄淬透帶高性能齒輪鋼冶煉、熱處理殘余應(yīng)力的消除與變形控制、滲碳層的精確控制、齒輪和軸等零部件機(jī)械性能的精確控制等;
  (4) 大型齒輪精密修形技術(shù),如閉式齒輪全齒面磨齒修形、開(kāi)式齒輪梳齒修形等;
  (5) 大型焊接箱體變形控制技術(shù)等。
 
4 成本及經(jīng)濟(jì)性分析
  針對(duì) 20 MW 級(jí)大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,以 φ12.2 m× 8.8 m 半自磨機(jī)為例,對(duì)四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)、雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)及環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行成本分析,這 3 種傳動(dòng)方案的機(jī)械和電控液壓系統(tǒng)配置及造價(jià)對(duì)比如表 2 所列。由表 2 可知,四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)造價(jià)最低,雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)造價(jià)居中,環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案價(jià)格遠(yuǎn)高于前兩種方案。
表 2 φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方案配置及造價(jià)對(duì)比
 
以上研究表明,四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)體積小,功率密度高,具有較高的承載能力,采用雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開(kāi)式齒輪副驅(qū)動(dòng)方案,現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和日常維護(hù)技術(shù)成熟;但由于主減速器采用行星傳動(dòng),一旦出現(xiàn)故障,需要返廠(chǎng)維修,故為保證可靠性,對(duì)其加工裝配質(zhì)量的要求較高。另外,受限于開(kāi)式小齒輪軸組承載能力,經(jīng)核算,該傳動(dòng)方案?jìng)鬟f功率建議不超過(guò) 24 MW。
雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)的主減速器為功率分流平行軸傳動(dòng),單邊兩點(diǎn)嚙合,承載能力高;采用誤差彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試要求較低;大量采用滑動(dòng)軸承,提高了支撐剛度和承載能力,保證了減速器的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。另外主減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)維修方便。
  環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可根據(jù)磨機(jī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)大功率恒速、變速驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)鏈短,理論上具有較高的可靠性;但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間采用復(fù)雜的水和空氣密封裝置,需要專(zhuān)業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊(duì),電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高,備件多,適用于資金充足、技術(shù)水平較高的用戶(hù)。
 
5 結(jié)語(yǔ)
  針對(duì) 20 MW 以上大型磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng),分別提出了四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案,并從傳動(dòng)原理、技術(shù)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了對(duì)比分析論證。分析結(jié)果表明,這兩種方案均可實(shí)現(xiàn) 20 MW 以上大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng),與環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比,維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,可靠性高,且具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
 
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