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摘要：二炼钢120 t转炉加料跨200/75 t冶金桥式起重机为吊运高炉铁水，倾倒进转炉进行冶炼，属于转炉炼钢的重要生产设备，从2010年投产以来，主起升机构的制动轮齿轮联轴器故障率较高，检修协调时间长，严重影响二炼钢转炉的正常生产节奏。文章通过对齿联轴器结构形式进行重新设计、优化，达到提高设备使用寿命，降低维修成本，确保设备稳定运行的目的。
关键词：桥式起重机；齿轮联轴器；结构优化；扭矩；润滑
中图分类号：TH218 文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）21-0083-01
1设备现状
二炼钢转炉加料跨200/75 t冶金桥式起重机主起升机构电机输出端与减速机输入端之间是通过两套带双制动轮的半齿联轴器进行联接。该起重机2010年3月投入使用，随着设备运行时间的延长，主起升机构联轴器发生的故障较多。通过拆检发现由于密封性不好，联轴器内润滑脂较少，内、外齿圈磨损较为严重，且传动轴带动外齿圈的轴向窜动，有时还会把内齿圈轴端卡环窜掉，如处理不及时容易造成设备的安全事故，因此，需对现有的齿轮联轴器进行结构优化改造，提高齿轮联轴器的使用寿命。
2主起升齿轮联轴器改进措施
2.1增大外齿圈的齿宽
由于齿轮联轴器传递的扭矩由齿面比压强度决定，在一个齿上受到的最大圆周力P按下式计算：
P=kN（1）
式中M为齿轮联轴器传递的最大扭矩，kN·m；a为载荷不均匀系数，可取a=0.8；β为承载能力系数，与转速和轴线倾角有关，对于直齿齿轮联轴器可取β=0.75；Z为齿数；d为分度圆直径，m；齿面的比压：
P=≤[P]kN/m2（2）
式中A为与受力方向垂直的齿面投影面积，因内齿的齿高为1.8 m，故
A=1.8 mb，m2（3）
其中：m为模数，m；b为工作齿宽，m。
[P]为许用压应力。当齿面淬火，硬度≥300 HB时，[P]=
25 000~30 000；当齿面预热处理时，[P]=15 000~20 000，把式（1）、式（3）代入式（2），进行简化后，得齿轮联轴器传递的最大扭矩为：
M=cbd2kN/m2（4）
式（4）中，C为系数（齿面预热处理时取=11 000 kN/m2；齿面淬火，且硬度≥300 HB时，取C=13 500 kN/m2）。
200/75 t行车主起升齿轮联轴器现有外齿圈结构形式见图2的齿宽度为35 mm，内齿圈的宽度为45 mm，因此当模数、齿数不变时，根据式（4），可以通过增大外齿圈的齿宽，达到增大齿轮联轴器最大扭矩的目的，从而提高联轴器的使用寿命。
考虑到与转炉钢水接受跨225 t行车主起升齿轮联轴器的互换性及备件统一的因素，可以把外齿圈的结构形式做成与225 t行车主起升齿轮联轴器的外齿圈一样，齿宽改为55 mm，改造后结构形式。
2.2改变内齿圈端面的密封形式
原有的联轴器装配，内齿圈端面的密封仅靠孔用卡环来固定内齿圈上的挡环，当传动轴高速转动时，会带动外齿圈产生轴向窜动，其窜动力容易把卡环顶出槽，导致联轴器密封失效，润滑油脂被甩出，最终造成润滑不到位，加速了齿轮的磨损。而且由于传动轴频繁的窜动，会使内外齿的有效啮合宽度减少，加剧了内外齿的局部磨损。因此，需改变内齿圈端面的密封形式。
经过重新设计，在外齿圈端面攻8个M8的螺纹孔，采用法兰盖密封，通过螺栓固定来压紧骨架油封，可以有效的防止因传动轴窜动而导致联轴器的密封失效。改造后内齿圈如图1所示。
2.3改善齿轮联轴器的润滑状态
良好的润滑是齿轮联轴器安全可靠运行的必要保证，也是延缓磨损，提高齿轮联轴器使用寿命的重要途径。从齿的磨损来考虑，采用高粘度的润滑油比采用润滑脂好，但目前齿轮联轴器上使用润滑脂的趋多。
润滑脂的工作原理是通过联轴器旋转时离心力的作用，被送往内腔的外侧，在啮合部位形成油楔，防止齿面磨损。
目前200/75 t桥式起重机上的齿轮联轴器所使用的是YP 70192#极压高温润滑脂，由于基础润滑油粘度低，导致齿轮联轴器的润滑效果较差。因此，联轴器润滑脂需使用高粘度的润滑油，改为二硫化钼锂基脂（L-XBCBA13#），可以保证润滑充分。
2.4改善齿轮联轴器的材质
接触应力决定齿轮联轴器的承载能力，而齿面硬度是决定许用接触应力的主要因素，提高齿面硬度有利于提高其使用寿命，因此材质的选择和热处理是提高齿面硬度的先决条件。
原有的齿轮联轴器外齿圈所用材质为45#钢，齿面淬火HRC33~43，内齿圈所用材质为ZG45，齿面热处理HRC33~43。
现用42CrMo钢替代45#钢，因为42CrMo钢属于高强度合金钢，较45#钢有更高的强度，淬透性也较好，调质处理后有较高的疲劳极限，低温冲击韧性良好。
综合考虑内外齿的磨损速度，选取内齿圈的材质为ZG42
CrMo，齿面淬火处理至HRC35~40，外齿圈的材质为42CrMo，齿面淬火处理至HRC40~45。
2.5外齿圈采用鼓形齿
原设计为直齿齿轮联轴器。它的主要缺点在于：联轴器工作时，由于两轴间的角位移，使得内齿圈与弧形齿套的齿不可避免地要出现棱角接触。这将造成齿在棱角接触部位很快磨损，而磨下的铁屑又作为磨料进入齿面，在轴向位移的作用下，使齿沿整个齿宽方向发生全面磨损。
目前，国内在矿山、冶金等机械设备的机械传动上广泛地使用鼓形齿齿轮联轴器，特别是在轧钢、起重设备上。其特点是：
①由于两端齿厚比中间小，可避免棱角接触，它允许两轴轴线的角位移为±1.5 ̊，甚至当角位移在2 ̊~3 ̊时也能可靠地工作，而直齿联轴器一般情况下，容许的角位移为0.5 ̊。
②能承受重载及冲击载荷。在相同的角位移情况下，比直齿联轴器提高承载能力15%~20%。
③较直齿联轴器有更高的效率，可达0.99。
3改造总体效益评价
①通过对齿轮联轴器外齿圈、密封结构及材质的改进，提高了200/75 t桥式起重机主起升联轴器的使用寿命。
②对联轴器润滑脂的重新选型，实现了原来3个月加一次油脂，提高到6个月加一次油脂，减少了维修人员的加油润滑次数。
③在加工工艺允许的情况下，采用鼓形齿，可以改善接触情况，提高联轴器的承载能力。
经过结构形式等几个方面的优化，转炉加料跨200/75 t桥式起重机主起升机构的故障率有了明显的降低，提高了起重机械的稳定性和可靠性。3#、4#及5#车通过改造从2013年6月使用至今未出现过故障，达到了降本增效的目的。
参考文献：
[1] 彼得森(美),怀纳(美),汪一麟(译).磨损控制手册[M.北京:机械工业出版社,1994.
[2] 《齿轮手册》编委会.齿轮手册（上册）[M].北京:机械工业出版社,1990.
关键词：桥式起重机；齿轮联轴器；结构优化；扭矩；润滑
中图分类号：TH218 文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）21-0083-01
1设备现状
二炼钢转炉加料跨200/75 t冶金桥式起重机主起升机构电机输出端与减速机输入端之间是通过两套带双制动轮的半齿联轴器进行联接。该起重机2010年3月投入使用，随着设备运行时间的延长，主起升机构联轴器发生的故障较多。通过拆检发现由于密封性不好，联轴器内润滑脂较少，内、外齿圈磨损较为严重，且传动轴带动外齿圈的轴向窜动，有时还会把内齿圈轴端卡环窜掉，如处理不及时容易造成设备的安全事故，因此，需对现有的齿轮联轴器进行结构优化改造，提高齿轮联轴器的使用寿命。
2主起升齿轮联轴器改进措施
2.1增大外齿圈的齿宽
由于齿轮联轴器传递的扭矩由齿面比压强度决定，在一个齿上受到的最大圆周力P按下式计算：
P=kN（1）
式中M为齿轮联轴器传递的最大扭矩，kN·m；a为载荷不均匀系数，可取a=0.8；β为承载能力系数，与转速和轴线倾角有关，对于直齿齿轮联轴器可取β=0.75；Z为齿数；d为分度圆直径，m；齿面的比压：
P=≤[P]kN/m2（2）
式中A为与受力方向垂直的齿面投影面积，因内齿的齿高为1.8 m，故
A=1.8 mb，m2（3）
其中：m为模数，m；b为工作齿宽，m。
[P]为许用压应力。当齿面淬火，硬度≥300 HB时，[P]=
25 000~30 000；当齿面预热处理时，[P]=15 000~20 000，把式（1）、式（3）代入式（2），进行简化后，得齿轮联轴器传递的最大扭矩为：
M=cbd2kN/m2（4）
式（4）中，C为系数（齿面预热处理时取=11 000 kN/m2；齿面淬火，且硬度≥300 HB时，取C=13 500 kN/m2）。
200/75 t行车主起升齿轮联轴器现有外齿圈结构形式见图2的齿宽度为35 mm，内齿圈的宽度为45 mm，因此当模数、齿数不变时，根据式（4），可以通过增大外齿圈的齿宽，达到增大齿轮联轴器最大扭矩的目的，从而提高联轴器的使用寿命。
考虑到与转炉钢水接受跨225 t行车主起升齿轮联轴器的互换性及备件统一的因素，可以把外齿圈的结构形式做成与225 t行车主起升齿轮联轴器的外齿圈一样，齿宽改为55 mm，改造后结构形式。
2.2改变内齿圈端面的密封形式
原有的联轴器装配，内齿圈端面的密封仅靠孔用卡环来固定内齿圈上的挡环，当传动轴高速转动时，会带动外齿圈产生轴向窜动，其窜动力容易把卡环顶出槽，导致联轴器密封失效，润滑油脂被甩出，最终造成润滑不到位，加速了齿轮的磨损。而且由于传动轴频繁的窜动，会使内外齿的有效啮合宽度减少，加剧了内外齿的局部磨损。因此，需改变内齿圈端面的密封形式。
经过重新设计，在外齿圈端面攻8个M8的螺纹孔，采用法兰盖密封，通过螺栓固定来压紧骨架油封，可以有效的防止因传动轴窜动而导致联轴器的密封失效。改造后内齿圈如图1所示。
2.3改善齿轮联轴器的润滑状态
良好的润滑是齿轮联轴器安全可靠运行的必要保证，也是延缓磨损，提高齿轮联轴器使用寿命的重要途径。从齿的磨损来考虑，采用高粘度的润滑油比采用润滑脂好，但目前齿轮联轴器上使用润滑脂的趋多。
润滑脂的工作原理是通过联轴器旋转时离心力的作用，被送往内腔的外侧，在啮合部位形成油楔，防止齿面磨损。
目前200/75 t桥式起重机上的齿轮联轴器所使用的是YP 70192#极压高温润滑脂，由于基础润滑油粘度低，导致齿轮联轴器的润滑效果较差。因此，联轴器润滑脂需使用高粘度的润滑油，改为二硫化钼锂基脂（L-XBCBA13#），可以保证润滑充分。
2.4改善齿轮联轴器的材质
接触应力决定齿轮联轴器的承载能力，而齿面硬度是决定许用接触应力的主要因素，提高齿面硬度有利于提高其使用寿命，因此材质的选择和热处理是提高齿面硬度的先决条件。
原有的齿轮联轴器外齿圈所用材质为45#钢，齿面淬火HRC33~43，内齿圈所用材质为ZG45，齿面热处理HRC33~43。
现用42CrMo钢替代45#钢，因为42CrMo钢属于高强度合金钢，较45#钢有更高的强度，淬透性也较好，调质处理后有较高的疲劳极限，低温冲击韧性良好。
综合考虑内外齿的磨损速度，选取内齿圈的材质为ZG42
CrMo，齿面淬火处理至HRC35~40，外齿圈的材质为42CrMo，齿面淬火处理至HRC40~45。
2.5外齿圈采用鼓形齿
原设计为直齿齿轮联轴器。它的主要缺点在于：联轴器工作时，由于两轴间的角位移，使得内齿圈与弧形齿套的齿不可避免地要出现棱角接触。这将造成齿在棱角接触部位很快磨损，而磨下的铁屑又作为磨料进入齿面，在轴向位移的作用下，使齿沿整个齿宽方向发生全面磨损。
目前，国内在矿山、冶金等机械设备的机械传动上广泛地使用鼓形齿齿轮联轴器，特别是在轧钢、起重设备上。其特点是：
①由于两端齿厚比中间小，可避免棱角接触，它允许两轴轴线的角位移为±1.5 ̊，甚至当角位移在2 ̊~3 ̊时也能可靠地工作，而直齿联轴器一般情况下，容许的角位移为0.5 ̊。
②能承受重载及冲击载荷。在相同的角位移情况下，比直齿联轴器提高承载能力15%~20%。
③较直齿联轴器有更高的效率，可达0.99。
3改造总体效益评价
①通过对齿轮联轴器外齿圈、密封结构及材质的改进，提高了200/75 t桥式起重机主起升联轴器的使用寿命。
②对联轴器润滑脂的重新选型，实现了原来3个月加一次油脂，提高到6个月加一次油脂，减少了维修人员的加油润滑次数。
③在加工工艺允许的情况下，采用鼓形齿，可以改善接触情况，提高联轴器的承载能力。
经过结构形式等几个方面的优化，转炉加料跨200/75 t桥式起重机主起升机构的故障率有了明显的降低，提高了起重机械的稳定性和可靠性。3#、4#及5#车通过改造从2013年6月使用至今未出现过故障，达到了降本增效的目的。
参考文献：
[1] 彼得森(美),怀纳(美),汪一麟(译).磨损控制手册[M.北京:机械工业出版社,1994.
[2] 《齿轮手册》编委会.齿轮手册（上册）[M].北京:机械工业出版社,1990.