鼓形齿联轴器分析

冷轧机板形辊鼓形齿联轴器分析

1.引言

因轧机厚度波动限制轧机产能且经常引发断带问题，经驻北京西马克技术有限公司的技术人员现场诊断处理，确定故障原因为：板形辊与驱动电机之间的鼓形齿联轴器的齿间隙过大引起。

在更换齿间隙较小的鼓形齿联轴器后，通过电气作业区、轧钢作业区反馈的情况看轧机厚度波动状况明显减小。由此，鼓形齿联轴器侧间隙达到多大值时会影响板形辊的转速测定、联轴器侧间隙如何影响板形辊转速，成为需要进一步分析探讨的问题。

2.鼓形齿联轴器的结构及特点

鼓形齿联轴器形状尺寸小、承载能力大、在高速下工作可靠。鼓形齿联轴器广泛应用于冶金、化工、印刷、水泵、风机、运输等机械领域。其显著特点是：一是补偿机能好，因为外齿轴套为鼓形齿，联轴器工作时可避免内外齿棱角接触，两轴轴线角位移在2～3°时也能可靠的工作。二是能承受重载及冲击载荷，在相同角位移情况下能承受更大载荷。三是效率高，可达0.99。四是密封性好，使用可靠，装卸、维护利便。

鼓形齿联轴器由内齿套、外齿轴套、护盖、油封、润滑油孔等组成。见下图：

3.鼓形齿联轴器侧间隙实测

经过详细了解西马克现场服务人员故障排查处理的过程，得知测量辊的鼓形齿联轴器的主要用途是用于传递速度，并非像一般机械设备上的联轴器用于传递扭矩，此处使用的鼓形齿联轴器传递的扭矩在高速稳态时只有0.04kNm，其设计制造精度要求高于普通传递扭矩的联轴器。冷轧机投用以来，由于机械维护人员不了解其它专业相关精度控制的要求，此前机械人员均按传递扭矩联轴器的使用要求和标准进行维护保养。

鼓形齿联轴器的内外齿啮合后必须留有一定的侧间隙，以保证齿轮副的正常工作，避免因安装误差和工作温度升高引起热膨胀变形卡死。同时需要控制其最大侧间隙，以避免变速转动时齿间产生撞击，增大噪音，加剧齿面磨损，影响其寿命。

由于西马克在图纸中没有给出鼓形齿联轴器的齿侧间隙允

许误差，也没有给出极限使用侧间隙的值。国内文献检索不到鼓形齿联轴器仅仅作为传递速度的联轴器使用时的相关技术要求。目前，我们只能结合使用情况，通过实测估计极限侧间隙的许用值。

通过对拆卸下后的旧联轴器(国内加工件，在线使用约2年)使用百分表测弦法测量鼓形齿侧间隙，发现齿侧间隙最大为0.25mm。用同样方法对国外进口新鼓形齿联轴器的侧间隙测量，侧间隙为0.05－0.07mm。测量二次更换下来的国产备件（在线使用10天），侧间隙为0.15mm。通过在线使用情况可以确定，侧间隙为0.15mm时，能够满足对板形辊实时转速的测定。由此，可以将鼓形齿联轴器的使用极限侧间隙确定为不大于0.15mm。超出此值后，应更换。

至于鼓形齿联轴器作为传递速度的联轴器使用时的实际许用值，可通过技术交流要求西马克对此类联轴器给出详细的技术说明。

4.侧间隙对转速的影响分析

4.1理论计算分析

由自动化部提供的数据得知，轧机正常进行加减速时的最大加速度为a＝0.6m/s。根据实际测得的鼓形齿联轴器齿间最大侧间隙s=0.25mm，可计算出轧机在加减速开始时，测速电机的速度响应时间（因有间隙，主动轴转动0.25mm，消除间隙与从动轴接触所用的时间）。

根据位移加速度公式：

s=v0t+0.5at2

其中：s=0.25mm

a＝0.6m/s=600mm/s

v0＝0（假设初速度为零）

则：0.25＝0.5×600×t2

t2＝1/1200

t≈0.029s=29ms

通过假设初速度为零得到的计算结果，似乎与西马克（王晓伟）由计算机数据处理后认定为“有阻尼机械波”的周期（30ms）相符。但实际并非如此，事实上轧机产生厚度波动时，初速度v0不可能为零。

若按初速度：v0＝1ｍ/s（每分钟60米）

加速度：a＝0.6m/s=600mm/s

计算结果为：t≈0.25ms

若按初速度：v0＝1ｍ/s（每分钟60米）

加速度：a＝0.1m/s=100mm/s

计算结果为：t≈0.25ms

若按初速度：v0＝10ｍ/s（每分钟600米）

计算出的响应时间，监测装置监测不到可以忽略不计。

由计算可知，鼓形齿联轴器啮合侧隙产生的速度波动没有周期性。由此，可以推断鼓形齿联轴器0.25mm的间隙对板

形辊测速基本没有影响。

4.2使用西马克（王晓伟）结论验证分析4.1结论

可以用西马克（王晓伟）给出的计算依据“检查换下的联轴器，电机侧部件已经能够大幅圆周方向相对转动，可以明显的听到撞击声，放大到313mm的辊径上，该相对转动粗略估算达2mm”中的数据验证。

若按最大折算间隙s=2mm代入上式验证波动周期。

计算结果分别是

初速度为零、加速度最大时：t≈82ms

初速度为1ｍ/s、加速度最大时：t≈2ms

初速度为10ｍ/s（带钢轧制速度每分钟600米）时：

t≈0.2ms

与西马克作为判断依据的图像不符。无法用机械运动的方法解释西马克结论。

4.3使用板形辊编码器验证分析4.1结论

可以用板形辊编码器的结构原理分析鼓形齿联轴器齿间隙对测速的影响。

板形辊编码器的码盘光栅数为1024，鼓形齿的节圆直径Φ＝115mm。节圆周长L=115×π=361.28mm。

编码器码盘分度值为361.28÷1024＝0.3528mm≈0.35mm。

由计算可见编码器的最小分度值（0.35mm）远大于鼓形齿侧间隙（0.25mm）。只有齿间隙大于0.35mm时，对转速

测定才会产生影响。例如齿间隙为0.7mm时，编码器会发生计数错误，输出错误的转速信息。

编码器分度值计算，进一步说明联轴器齿间隙不是导致轧机产生厚度波动的根本原因。

4.4同轴度影响

另外，板形辊与电机轴不同心（两轴存在夹角θ）会对转速产生影响。夹角θ的存在使主动轴匀速时，从动轴会时快时慢。因冷轧机两轴同轴度的实际安装精度小于0.05mm（标准为0.1mm以内），夹角θ忽略不计，在此不予考虑。

5.机械专业结论

（1）鼓形齿联轴器间隙对速度响应时间没有周期性，推断联轴器0.25mm的间隙对板形辊测速的影响可以忽略。

（2）根据编码器的分度值，可以确定此类联轴器的使用极限值为0.35mm。结合国内加工件的精度误差及轧机更换联轴器后的现象，可以人为规定板形辊联轴器齿间隙大于0.15mm 时更换（0.15mm为第二次更换联轴器的最大齿间隙），拆下的联轴器可以用于轧机导向辊上继续使用。

6.建议

结合自动化部的分析，多专业联合，先提出假设，采用讨论的形式研究分析。

不妥之处，请指正。