翟成河

1.概述

轉(zhuǎn)爐是目前鋼鐵行業(yè)煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)爐加料與出鋼水是依靠傾動系統(tǒng)驅(qū)動托圈旋轉(zhuǎn)完成的。由于大齒輪是該系統(tǒng)中的核心部件，關(guān)系到轉(zhuǎn)爐的正常運(yùn)行，所以該部件的制造加工要求非常嚴(yán)格。

我廠制作的轉(zhuǎn)爐及其附屬設(shè)備在鋼鐵行業(yè)有一定的知名度，轉(zhuǎn)爐傾動用大齒輪一直沿用鑄造結(jié)構(gòu)。由于鑄造本身缺陷，尤其對于轉(zhuǎn)爐齒輪這種大噸位鑄件，鑄造組織不穩(wěn)定是多年來一直難以克服的難題；雖然通過不斷改進(jìn)工藝，成品率越來越高，但面與面過渡處產(chǎn)生的各種缺陷（氣孔、砂眼等）始終難以根除。加工中出現(xiàn)的單個或多個氣孔、砂眼，清除徹底后，焊補(bǔ)就能回用；但缺陷成片出現(xiàn)，處理（局部或整體預(yù)熱、控溫焊接、焊后保溫等）非常棘手；若此缺陷出現(xiàn)在關(guān)鍵部位，就有可能造成正在加工中的產(chǎn)品報廢；如果關(guān)鍵部位的缺陷未檢出，運(yùn)行中就有可能釀成不可想象的后果。缺陷不僅造成了人力、物力的極大浪費(fèi)，增加了產(chǎn)品的制作成本，而且還會延長產(chǎn)品的加工制作周期。

2.改進(jìn)措施探討

（1）缺陷分析 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要想減少鑄造缺陷，就必須盡可能減少產(chǎn)品形狀的變化，形狀變化越小，缺陷越??；盡可能減少鑄件重量，鑄件用鋼(鐵)液越少，缺陷越少。因此要想提高產(chǎn)品質(zhì)量必須在這兩方面下功夫。

（2）結(jié)構(gòu)分析 此種大齒輪典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般分為輪緣、輪輻、輪轂三部分。輪緣位于基體外緣，是傳遞扭力的部分，輪齒是直接從輪緣基體上加工而成，是形狀一致的圓盤狀；輪轂位于基體內(nèi)部，是基體與軸相連部分，也是傳遞扭力的部分，是形狀簡單的厚壁圓筒體；輪輻位于以上二者之間，起連接和傳遞作用，為雙幅板結(jié)構(gòu)，中間被立筋分為六個空腔。

（3）改進(jìn)分析 輪緣厚、形狀一致，且為向外傳力部分，不適合減輕重量或改進(jìn)結(jié)構(gòu)。輪轂同輪緣一樣，也不適合改進(jìn)，仍沿用原鑄造結(jié)構(gòu)。輪輻與輪緣、輪轂間橫截面形狀變化大，過渡處是產(chǎn)生缺陷的敏感部位；六個空腔是為了減輕鑄件重量，且其在輪緣、輪轂間起連接作用，為非直接受力部分；故輪輻為適合改進(jìn)部分。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）替代結(jié)構(gòu) 借鑒小齒輪由鑄造結(jié)構(gòu)改為鉚焊結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，輪輻部分由鑄造結(jié)構(gòu)改為鋼板組焊結(jié)構(gòu)，繼續(xù)保留抗彎和抗扭剛度好的雙幅板內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)，立筋由鋼管代替，這樣可以增加兩個方向的剛度。

（2）材料選擇 輪體上各部分所處地位和作用不同，應(yīng)按實(shí)際需要選擇材料。由于輪緣、輪轂有硬度要求，故仍沿用35CrMo材質(zhì)不變；由于輪輻起支撐和聯(lián)接作用，需要有一定的柔韌性，且與輪緣、輪轂易于焊接，故鋼板材質(zhì)選用焊接性好、價格便宜的普通結(jié)構(gòu)鋼Q235B。

圖1

（3）鋼板厚度 根據(jù)輪輻部分鑄造結(jié)構(gòu)分析，輻板厚度是由齒輪強(qiáng)度和鑄造工藝（相鄰結(jié)構(gòu)厚度不能相差懸殊）要求確定的；經(jīng)過計算，鋼板厚度只要達(dá)到鑄造輻板厚度的一半就能滿足齒輪性能要求；通常根據(jù)鑄造厚度一半的整數(shù)值，并參考相應(yīng)鋼板規(guī)格，確定鋼板厚度。兩輻板間外部尺寸與原輻板外部尺寸一致。

（4）焊縫布局 齒輪輪體是在動載下工作，其破壞形式主要是疲勞；考慮到輻板與輪緣、輪轂過渡處應(yīng)力集中問題，焊縫布局如圖2所示，在輪緣和輪轂上均加工出高度為輻板厚度1.5～2倍的凸臺（要求凸臺與本體間圓滑過渡）；把輪緣與腹板、輻板與輪轂間的丁字接頭變?yōu)閷咏宇^，避開了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)。

圖2

（5）鋼管布局 為了增加兩輻板的剛度，把原鑄造結(jié)構(gòu)立筋改為鋼管，鋼管規(guī)格及壁厚不受限制，鋼管數(shù)量可參考原鑄件確定。

（6）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 利用Solid-Works軟件中的COSMDSXpress插件，模擬齒輪運(yùn)行條件，對結(jié)構(gòu)設(shè)計測試評估；根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，制定合理、可靠的設(shè)計結(jié)構(gòu)方案。

4.結(jié)構(gòu)制作

（1）焊材選擇 由于輪緣、輪轂材質(zhì)為35CrMo中碳鋼，而輪輻為Q235A低碳鋼，它們之間屬于異種鋼焊接；輪體上四條環(huán)形封閉焊縫，因?yàn)閯傂跃惺鴳?yīng)力大，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，故選用抗裂性能好的低氫型焊接材料E4316。

（2）組裝順序 先將其余各件按圖樣要求組裝一體，定位焊采用E4316，φ3.2mm焊條，定位焊縫長度50mm，間距200mm，定位焊縫不得有裂紋、夾渣、氣孔，否則應(yīng)清除重焊；定位焊縫兩端應(yīng)便于接弧，否則應(yīng)予修整。坡口及兩側(cè)50mm范圍內(nèi)將水、鐵銹、油污、積渣和其他雜物清理干凈。

（3）焊前準(zhǔn)備 為防止裂紋產(chǎn)生，焊前要用履帶式電加熱器進(jìn)行預(yù)熱（或爐內(nèi)進(jìn)行整體加熱），預(yù)熱溫度為200～250℃；E4316焊條使用前應(yīng)進(jìn)行烘干，烘干溫度400℃，保溫2h，烘干后應(yīng)立即使用。

（4）焊接參數(shù) 具體焊接參數(shù)如附表所示。

焊接參數(shù)

（5）焊接工藝 預(yù)熱后要立即施焊，并連續(xù)焊接一次焊完，接弧處應(yīng)保證焊透與熔合，同時層間溫度控制在200～250℃之間；每道環(huán)縫均由四名合格焊工沿圓周方向?qū)ΨQ同時施焊，焊條規(guī)格、焊層厚度、焊接參數(shù)均相同；每層焊縫應(yīng)嚴(yán)格檢查，未焊透及夾渣、裂紋等缺陷要徹底清除后，再進(jìn)行下道工序；每道環(huán)縫焊至1/2輻板厚時，翻轉(zhuǎn)工件，焊接對稱側(cè)環(huán)縫；最后焊管子焊縫。

（6）焊后處理 焊縫完成后要立即進(jìn)行退火處理，將工件加熱到（550±20）℃，保溫4h，升降溫速度<50℃/h，然后緩冷至室溫。注意：退火前必須在輻板上鉆透氣孔，并嚴(yán)格控制退火溫度范圍，以免降低調(diào)質(zhì)硬度。

（7）焊縫檢測 焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、弧坑和夾渣等缺陷；焊縫咬邊深度≤0.5mm，咬邊連續(xù)長度≤100mm，焊縫兩側(cè)咬邊的總長度不得超過該焊縫長度的10%；按圖樣要求進(jìn)行超聲波探傷檢測，并符合GB11345—1989標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅱ級為合格。

5.結(jié)語

結(jié)構(gòu)改造后的大齒輪，經(jīng)使用廠家反饋，運(yùn)行狀況良好。這種聯(lián)合結(jié)構(gòu)實(shí)用性強(qiáng)，減少了鑄造缺陷和返修次數(shù)，減輕了結(jié)構(gòu)重量（減輕約20%），降低了制作成本，縮短了制作工期。實(shí)踐證明，可以廣泛推廣應(yīng)用到類似重型機(jī)器的大型零部件制作中。只要在受力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合成熟的焊接技術(shù)，對各結(jié)構(gòu)巧妙組合，進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計，然后利用SolidWorks軟件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，就可獲得強(qiáng)度高、剛性好和重量輕的新穎實(shí)用結(jié)構(gòu)。20140615