JLP400型立式磨机减速机研制

    2005年8月，重庆齿轮箱有限责任公司与山西榆次同力达水泥有限责任公司成功签订了国内首台4200千瓦立式磨机减速机制造合同，打破了在此之前2500千瓦以上大功率立式磨机减速机一直被国外同行业大公司垄断中国市场的现状。此后，公司又分别于06年2月与安徽海螺集团、于06年3月与山东山水集团、于06年6月与日照日广公司等单位陆续签订4000千瓦及以上大型立式磨机减速机共计8台套。4200千瓦立式磨机减速机型号为JLP400，是目前我国自行设计、制造的功率最大的立式磨机减速机，额定输入功率4200千瓦，总重量110吨，输入转速每分钟993转，传动比分为39.286:1和46.05：1两种，作为丹麦史密斯公司立式磨机的关键配套设备，主要用于日产5000吨新型干法水泥生产线。经过我公司的不懈努力，目前研制工作进展顺利，

    将于八月中旬完成首台样机的制造。JLP400立式磨机减速机的成功研制，标志着我公司的立式磨机减速机技术迈上了一个新台阶，对我国在大功率立式磨机减速机生产制造国产化具有十分重大的意义。

    一、 JLP400立式磨机减速机的主要技术特性

    主要由六个部分构成，即锥齿轮传动部分、平行轴传动部分、行星传动部分、止推轴承部分、箱体部分以及润滑部分。在粉磨过程中由于物料颗粒和硬度不均匀，对辊子产生冲击载荷，且经常波动。磨辊总在不均匀的料层上运动，产生的垂直载荷通过磨盘、止推轴承、箱体力壁传递到基础。

    我公司设计制造的JLP400型立磨机减速机在部分设计中引用了大率船用军工技术，锥齿轮传动部分位于减速机的输入端，电动机通过高速弹性膜片联轴器与输入锥齿轮联接，带动大锥齿轮。为了达到大传动比要求，JLP400型立式磨机减速机比一般立磨减速机增加了一级平行轴齿轮传动。平行轴被动齿轮通过齿形联轴器与行星传动部份的太阳轮相连，并保持太阳轮浮动。太阳轮带动行星轮和行星架旋转，磨盘法兰与行星架连接，从而带动磨盘旋转。在JLP400立式磨机减速机的结构中，行星传动部份的内齿圈不再作为箱体的一部份。磨盘法兰上所承受的重量直接通过止推轴承、箱体传递到基础。在设计上，保证了磨盘法兰、止推轴承、箱体的平均受力直径相等，使磨机在工作时，近千吨的轴向载荷不会对箱体产生弯矩。JLP400型立式磨机减速机的传动系统结构图见图二。

                图二、JLP400型立式磨机减速机传动系统结构图
    JLP400立式磨机减速机在技术上，既体现了性能指标的先进性，又保证了高度的可靠性以及良好的工艺性，在使用上具有体积小、生产效率高、单位能耗低等优点。

    二、JLP400立式磨机减速机的主要零部件设计

    1、齿轮设计

    JLP400立式磨机减速机所有外齿轮全部采用硬齿面齿轮技术，按无限寿命设计。内齿圈采用调质处理。根据多年来齿轮制造技术的发展和经验积累，可以用齿轮承载能力指标来表征齿轮的强度，这个指标大致反映了目前国内齿轮设计和制造技术所能达到的实际水平。

    我公司的齿轮承载能力计算程序是在原引进西德技术的基础上经过重庆大学机械传动国家重点实验室反复优化而形成，处于国内领先水平。

    目前常用的齿轮承载能力指标主要有2个。
    1）表征表面接触疲劳强度的K系数。
    K=Ft（u+1）/b.d.u N/mm2
    式中：Ft—齿轮圆周切向力，N；
    b—齿轮工作齿宽， mm；
    d—主动轮节圆直径，mm；
    u—减速比

    2）表征轮齿弯曲强度指标的U系数。
　　U= Ft/b.mn  N/mm2
　　式中：mn齿轮法向模数，mm。
　　系数K、U国内控制水平详见表1
　　对于水泥行业的减速机，我公司还采用美国AGMA标准进行强度校核，其AGMA服务系数接触强度CSF≥2.5，弯曲强度KSF≥3.0。

                                                       表1、K、U水平值

　　所有圆柱外齿轮全部采用高级优质合金结构钢，经渗碳淬火处理，齿轮表面硬度HRC58-62，芯部硬度HRC32-42。硬化层深度根据载荷大小由计算机计算确定。所有齿轮齿面进行磨齿加工，其精度均在GB10095标准6级以上。齿轮均采用变位齿轮，变位系数的确定考虑了齿轮啮合的接触强度、运转的平稳性及运转噪声等因素，保证齿轮副达到最佳性能。

　　圆柱齿轮的滚齿加工采用大圆弧沉切留磨滚刀。使用该刀具滚齿时，齿根受到根切，两齿面之间产生一个大圆弧过渡。在后续的磨齿加工中，可以避免在齿根处产生磨削台阶。由于齿根不受磨削，其渗碳硬化层得以完全保留。渗碳后，齿沟处进行喷丸强化，在表面产生压应力，增加了硬度。这一齿形技术的应用，轮齿的抗弯曲疲劳极限可提高30%以上。

　　考虑齿轮传动过程中的传动平稳性及噪声，在齿轮设计中采用了齿形、齿向修整技术。我公司的齿轮修整分为齿廓修形、齿向修形两种。齿廓修形分为齿顶修缘、齿根修缘；齿向修形可分为齿端修薄、螺旋线修形、鼓形修整、曲面修整等。在设计中根据不同的需要选择合适的修形方式，以使齿轮的啮合效果达到最佳。
JLP400立式磨机减速机圆锥齿轮采用格里森等顶隙收缩弧齿或克林根贝尔格等高齿圆锥齿轮，均采用深层渗碳淬火，磨齿成品。齿轮精度达到国家标准6级以上。

　　JLP400立式磨机减速机内齿圈采用高级优质合金结构钢调质处理，并经过内齿磨削。齿轮精度达到GB10095标准6级以上。

　　2、箱体设计

　　JLP400立式磨机减速机箱体除了承受由内齿圈传递的齿轮啮合的扭矩外，还要承受由磨辊施加于磨盘的静态和动态力。因此箱体的要求是：应有足够的刚性，能够承受全部的内外载荷，并保证齿轮接触良好；应防渗漏、防尘；结构上还应便于装拆、检查和维护。

　　本减速机箱体设计为结构钢焊接结构，外观呈圆柱形，箱体的平均受力直径与止推轴承平均受力直径相等，保证了箱体在承受轴力载荷不承受弯矩，使轴向力直接通过箱壁传递到基础。
箱体的设计中还着重考虑了减速机的润滑及检测，使用整个润滑系统畅通无阻，检测数据准确。

　　3、止推轴承设计

　　一般情况下，止推轴承的最佳止推瓦数为8-15块，随着止推瓦个数的增加，止推轴承轴向载荷分布的不均匀性也增大，而止推瓦个数偏少将会失去均衡载荷能力的优点。
止推瓦一般采用扇形结构，止推瓦的平均弧长与宽度（内外半径之差）的比值应控制在0.6-2.0之间。止推瓦的间距应不小于平均弧长的25%,外径D1与内径D2的比值应控制在1.5-2.5范围内。所有止推瓦的表面积与内外径围成的环形面积之比在0.7-0.85之间。另外，还必须保证止推瓦的平均受力直径与箱体的平均受力直径一致。
轴承表面材料通常有两种：一种是巴氏合金耐磨材料；另一种是弹性金属塑料耐磨材料。巴氏合金轴承承受比压控制在20Kgf/cm2以内，金属塑料轴承承受比压可以达到45 Kgf/cm2。本减速机采用第二种材料。

　　4、轴承设计

　　    轴承设计是JLP400减速机设计中非常关键的内容。在本减速机中集中了螺旋圆锥齿轮传动、圆柱斜齿轮传动、行星齿轮传动，加上大部分零件为立式安装，零件本身自重极大，造成轴承载荷大，受力条件恶劣，为轴承的选用增加了很大的难度。在本减速机中，有效的结合使用了圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、轴向推力轴承等，起到了很好的效果。

　　5、润滑和监控

　　减速机的润滑是非常重要的，对齿轮的承载能力和使用寿命都会产生极大的影响。JLP400立式磨机减速机的润滑是非常复杂的，既有低压润滑，还有高压润滑。齿轮啮合及滚动轴承采用低压润滑，止推轴承采用高压润滑。所有润滑均利用全静压油站强制供油。润滑油采用粘度等级为N220-N320中负荷极压工业齿轮油，低压流量为1000L/min，压力为0.2-0.4Mpa，高压流量为250L/min，压力为10-16Mpa。为保证减速机的运行安全，所有润滑油都必须经过高精度的过滤器过滤后方能供给到各个润滑点。

　　为保证整减速机的绝对运行安全，必须对整个减速机和润滑系统进行连续监控。包括各个润滑点的油压、油温、过滤器两端的压差等。当测试值偏离标准设定值时，就是发出报警信号。润滑系统和主电机实行电气联锁，有效的保证了减速机的运行安全。

　　本产品还对减速机的机壳振动进行实时监控，保证整机的正常运行。

　　三、JLP400立式磨机减速机研制保障条件介绍

　　1、先进的设计技术是保证产品先进性的前提

　　我公司早在七十年代末期就引进了德国罗曼公司的齿轮箱设计制造技术。多年来，我公司集引进的先进技术和自己的科研成果为一体，运用计算机辅助设计不断开发创新，形成自己独特的设计制造技术，在高精度硬齿面齿轮设计制造技术方面保持国内领先，并达到世界发达国家同等水平，具备了参与国际竞争的能力。2004年，公司与德加沃特曼技术咨询公司签订了齿轮箱技术咨询协议，以便及时掌握齿轮箱技术发展的最新动态。“十五”期间，我公司完成新产品开发和科技创新近500项，申报并取得国家专利21项，制定国家及行业标准18项，获得国家和省部级科技进步一、二、三等奖共29项。公司技术中心即将通过“国家级技术中心”评定。一直以来，我公司始终紧跟齿轮箱先进技术的发展步伐，不断追求创新和技术积累，始终保持齿轮箱技术的领先地位。在产品的设计质量控制上，主要体现了程序文件化、技术标准化、手段先进化等几方面的特点。产品设计中，从设计输入开始，直至发布设计输出文件为止的技术管理全过程都形成了文件化的程序加以控制，以保证能为采购、制造、检验、使用等提供清晰、准确的技术文件。设计的先进性也同时体现在引用技术标准的先进性，我公司一贯采用国际先进的技术标准设计产品，公司的产品均具有较高的“双标”采标率，确保了产品的技术经济性能和质量水平，始终处于国内领先。手段的先进性是保证设计先进性的重要条件。我公司多年来一直采用先进的CAD/CAEE、CAPP、CAM等辅助手段，对产品进行最优化设计。在JLP400立式磨机减速机的设计中，采用了先进的SOLIDWORK辅助设计技术，并对产品的重要部件进行有限元分析，模拟产品实际使用工况条件，检验产品的设计强度、刚度等指标，有力的保证了JLP400立式磨机减速机设计上的先进性和使用上的可靠性。

　　2、强大的设备保证能力是保证产品先进性的基础

　　一流的产品除了体现于一流的设计水平外，还需要先进的设备来予以保证。我公司一贯注意设备保障条件的建设，仅在“十五”期间，就投巨资四亿元进行装备水平和生产能力改造，已经具备年产单重50t 以上的大型齿轮箱400-500台的能力。我公司现有型号不同、功能齐全、控制先进的大型高精度硬齿面齿轮的冷热加工、检测、试验设备近百台（套）。在冷加工方面，拥有能够加工DIN3级精度的NILES公司成形磨齿机7台（套），加工规格从φ800mm至φ4000mm不等，该磨齿机可进行内齿轮磨削加工；拥有HOFLER公司φ4000mm、φ3000mm、φ2500mm、φ2000mm、φ1000mm全数控展成磨齿机，可加工DIN3级精度齿轮；拥有西班牙RACEM公司NC801数控落地镗铣床，镗杆直径φ200mm，水平行程8000mm，垂直行程4500mm；拥有捷克斯柯达公司HCW3-225NC数控落地镗铣床，镗杆直径φ225mm，水平行程11500mm，垂直行程4500mm；拥有CK61250数控制卧车、CK5250数控立车等先进的设备。在热加工方面，拥有德国IVA公司φ4000渗碳淬火生产线，该生产线是国内加工规格最大、技术最先进、配套最齐全的热处理生产线，包括φ4000×2000渗碳炉、φ4000×2000淬火炉、φ4000×3000回火炉、φ4000淬火油槽、淬火水槽、缓冷槽等。在检测方面，拥有德国LEITZ公司PMM303010A高精度三座检测仪，可对3000×3000×1000范围内的齿轮、箱体、螺伞、蜗轮、蜗杆等零件进行检测，检测精度可达到DIN3级；拥有德国产PFSV1600综合齿轮检测仪，可以M25、φ1800、DIN4级精度的齿轮进行检测。在试验方面，拥有德国西门子1580KW×2交流变频调速试验台、芬兰ABB公司800KW×2交流变频调速试验台以及即将装备到位的3300KW×2交流变频调速试验台等。我公司部分关键重点设备参见表一至表七。