轧机齿轮箱设计中的几个问题

中国重型机械研究院有限公司传动所 一、轧机齿轮箱的分类

根据不同的分类方法，轧机齿轮箱可分为不同的类型，不同类型的轧机齿轮箱，其设计要求和结构特点也自然各不相同。

1、按轧机类型可分为 热连轧机齿轮箱 冷连轧机齿轮箱 粗轧机齿轮箱 中轧机齿轮箱 精轧机齿轮箱 板带轧机齿轮箱 棒材轧机齿轮箱 线材轧机齿轮箱 管轧机齿轮箱 铜轧机齿轮箱

铝（板、箔）轧机齿轮箱 铝铸轧机齿轮箱

2、按轧机传动系统的构成方式分

轧机复合齿轮箱：电机和轧机间只有一个齿轮箱

轧机分立式齿轮箱：电机和轧机间由主减速机和分齿箱组成

3、按传动精度分

高精度轧机齿轮箱：适用于精轧高速传动，如箔轧机、高速轧机

中等精度轧机齿轮箱：6级精度轧机齿轮箱 低精度轧机齿轮箱：一般粗轧机齿轮箱 4、按传动级数分 单级轧机齿轮箱 多级轧机齿轮箱 5、按输出轴数目分 单出轴轧机齿轮箱 双（多）轴轧机齿轮箱 6、按输出轴转向分 单转向轧机齿轮箱 双转向轧机齿轮箱 7、按输入方式分 单输入轴轧机齿轮箱 双（多）输入轴轧机齿轮箱 8、按采用的传动类型分 圆柱齿轮轧机齿轮箱 行星齿轮轧机齿轮箱

圆锥圆柱齿轮轧机齿轮箱（直交式、非直交式） 圆柱及行星齿轮轧机齿轮箱

轧机类型的多样化，决定了轧机齿轮箱类型的多样化。不同类型的齿轮箱或传动装置，其结构及设计目标自然各不相同，例如对冷、热连轧机齿轮箱，其设计目标为高可靠性、长寿命。对高线轧机及箔、带轧机齿轮箱，其设计目标为振动及噪声小、运行平稳、动态性能好。对粗轧及可逆轧机齿轮箱，则要求其整机刚性好，抗冲击及过载能力强。

二、轧机齿轮箱的设计目标及准则

对不同类型的轧机齿轮箱，其设计要求及准则不尽相同。 1、对高速高精度轧机齿轮箱

一般要求其传动平稳性、稳定性、动态性能要好，其设计要求为：接触、弯曲及胶合强度核算符合要求，动态性能分析要求不发生一阶、二阶共振（扭振分析），传动精度分析满足要求（侧隙控制，回差要求），重点是后者。设计中应有动态性能及润滑性能监控设施，修形应偏重减小冲击。

此类轧机一般为精轧机齿轮机，高线轧机齿轮箱等。 2、对重载高可靠性轧机齿轮箱

如热连轧机齿轮箱及开坯轧机齿轮箱，其传动精度要求是次要的，特点是冲击负荷大、可靠性要求高、寿命要求长、设计要求安全系数要大，取许可σ

Flin，σFlin

一般稍低，或实际工作应

力应低，动态性能分析一般也应进行，修形应偏重提高接触率。

3、齿轮箱设计的基本要求 （1）基本计算项目

·接触强度计算 ·回差（间隙）计算 ·弯曲强度计算 ·胶合强度计算 ·冷却散热计算 ·修形计算 ·动态性能分析及计算 ·轴承寿命计算 ·极限载荷及静强度计算 ·其它特殊计算 （2）轧机传动系统设计的动力学准则

① 系统工作频率及其它特征频率应远离各阶固有频率； ② 第二阶固有频率应是第一阶固有频率的二倍以上，以后各阶相邻固有频率之比≥1.3，分布要合理；

③ 振型图的节点不能位于齿轮上；

④ 扭矩放大系数TAF（扭矩峰值与其平均值之比）不大于2.5.

上述目标可通过调整系统结构参数和零部件的种类来实现，和轧机齿轮箱的设计息息相关。

（3）轧机齿轮的修形要求 齿端修形：

修形量△S1=4fHβ（偏差+0.02）mm 修形长度△b1≤2.2Mn+5(或0.1b2+5)mm 齿端修形一般应对小齿轮进行。 齿廓修形： 修形量： 小齿轮

S1min=(2+0.01599Wt)×25.4×10-4 mm S1max=(5+0.01599Wt)25.4×10-4 mm 大齿轮

S2min=(0+0.01599Wt)×25.4×10-4 mm S2max=(3+0.01599Wt)25.4×10-4 mm

式中：Wt----轮齿单位齿宽上的圆周力，W=Ft/6(N/mm) 修形高度：

一般可按△h=1/3 m 计算，但要验证ε合线长度大于端面基节。

齿廓修形对齿顶修形时一般大小轮都要进行。

对一般工程应用问题，采用上述算法已能满足使用要求，对要求较高的齿轮的修形要求，亦可通过建立更为精确的数学-----力学模型，精确计算出轮齿的弯曲变形、接触变形、剪切变形，同时考虑制造误差动态下的变化情况，同时通过对其动态性能的优化来决定修形量及修形曲线。当然亦可参照其它行业类似工况下的修行方法或规范，如船舶及军工行业等。

三、轧机齿轮箱设计的几个问题 1、传动副的布置形式

轧机齿轮箱的结构型式除满足轧机的安装布置要求外，还应从传动设计的合理性方面进行考虑，尤其对多级轧机齿轮箱，其结构型式对整机重量和造价有重大影响。以西重所开发的铝铸轧机齿轮箱为例，以往齿轮箱均以多级方式组合成需要的速比，再

α

≥1，即修形后的啮

在末级以1：1的两组齿轮将动力分为两个支流输出，此种方式的齿轮箱必将十分庞大、笨重，若采用先分流再减速的传动方案，整机重量则可减少2/3，当然亦可采用双电机通过齿轮箱分别直接驱动两辊，则结构更为紧凑。

目前西重所开发的铝铸轧机齿轮箱已成为铝铸轧机传动配置的主导产品。

从减少齿轮箱占地面积及体积和重量的角度，多级传动副的布置也常采用垂直、叠加及多层布置等方式，小型轧机的齿轮箱有时甚至和轧机也复合为一体了。

2、箱体设计中的问题

箱体有铸造和焊接两种类型，尤以焊接最为常见，但无论对任何一种类型，均应充分注意其刚性，重载轧机齿轮箱应采用有限元分析技术，根据其应力应变的分布情况，决定支承肋的分布、板的厚度、焊缝的位置。

亦可据此分析对轮齿啮合的影响，进而决定齿向载荷分布系数和修形量。

大型齿轮箱箱体设计时，注意应留有供加工、装配、运输、贮存、安装及维修时找正的基准面。

3、封闭功率与单辊驱动问题

结构设计中应注意避免自激振动发生，或者传动链中存在封闭功率。如薄板、箔轧制中，由于易产生封闭功率，常产生自激振动，此时若采用单独驱动，则可自动消除封闭功率，但此时应

注意两辊工作转速的同步性要高，否则系统将无法正常工作。封闭功率的存在加大了封闭回路构件的负荷，这自然也包括其中的传动齿轮箱的负荷加大了。确定设计载荷时务应准确估计封闭功率的存在和影响，如能采用消除封闭功率的传动方案，则无需考虑此项影响。事实上，由于轧机轧制作业的复杂性，设计时应综合各种情况对传动系统的影响，故设计也应充分体现这种特点及要求。

循环功率的存在也加大了能耗，单独驱动由于消除了封闭功率，因而可实现节能。

4、齿轮的设计及要求

对重载及高精度轧机齿轮箱，其齿轮材料应在MQ级以上，重点区域探伤要求应在Ⅲ级以上，齿轮材料应采用20CrNi2MoA、18Cr2Ni4W、17Cr2Ni2Mo、12Cr2Ni4等优质钢、轮齿磨齿前均应喷丸强化，大型重载齿轮应采用深层渗碳。

齿轮结构设计时，对1米以下齿轮，可采用整体锻件，反之则可采用焊接齿轮、鑲圈齿轮、把合齿轮等结构。

齿轮的精度等级对高速精轧齿轮箱应为5级，反之可取6级。 5、轧机齿轮箱设计的动态分析问题

对下列类型的轧机齿轮箱应进行包括齿轮箱在内的整个传动链系统的动力学分析。

1、冷、热连轧机主传动齿轮箱。

2、载荷或转速呈周期性变化的轧机齿轮箱，如管轧机齿轮

箱。

3、高速及高精度轧机齿轮箱，如高线轧机齿轮箱、高精度箔、带轧机齿轮箱。

4、重载荷可逆轧机齿轮箱。

动力学分析应通过采用传递矩阵法、集中参数法和有限元方法等建立系统的分析模型，进而求解得到系统的动态响应、固有特性和振型，据此确定其是否符合动力学设计准则的要求，并对其动态性能进行评判。