龙学钧，姜竞，张玉奎，赵元喜，高立新，李国超，李勇才
（1.武汉钢铁（集团）公司炼铁总厂，湖北武汉430081；2.北京工业大学北京市先进制造技术重点实验室，北京100124；3.武汉昊海立德科技有限公司，湖北武汉430080）
摘要：对高炉炉顶水冷传动齿轮箱旋转、倾动部件的故障特征和损伤机理进行了分析，并提出了相应的处理方法。
关键词：高炉；水冷传动；齿轮箱；故障分析；处理
武汉钢铁（集团）公司（以下简称武钢）高炉炉顶水冷传动齿轮箱是由上部齿轮箱和水冷传动齿轮箱组成，分别控制布料溜槽旋转和倾动机构。武钢五号高炉是1991年引进的大型高炉，无料钟炉顶水冷传动齿轮箱是从卢森堡PaulWurth公司引进的先进设备。实践表明，无料钟炉顶具有布料灵活和密封性好的特点，适应高压、高风温、高强度操作。水冷传动齿轮箱以后陆续在四高炉、二高炉、一高炉、三高炉大修改造中投入使用，只是水冷传动齿轮箱由PW公司指定国内厂家制造。由于生产需要，2004年至2008年又在新建的六高炉、七高炉、八高炉及四、五高炉改造大修中，引进PaulWurth公司制造的加强型水冷传动齿轮箱。在十几年的运行中，水冷传动齿轮箱出现过旋转电机和倾动电机的电流增大等现象，这种现象主要表现在国产水冷传动齿轮箱上。本文结合实例说明如下。
一、水冷传动齿轮箱的工作原理和结构特点
水冷齿轮箱分为标准型和加强型两种，主要区别是在倾动机箱的扇形齿轮上，标准型的扇形齿轮是外齿，加强型的扇形齿轮是内齿，在中心距和齿数相同的情况下，加强型的承载能力更高。
上部齿轮箱连接在水冷传动齿轮箱壳体的上面，它带有两个电机（旋转电机和倾动电机），布料溜槽运动的动力就来自上部齿轮箱。当旋转电机动作而倾动电机制动时，上部齿轮箱行星差动使得上下回转轴承作同一速度的转动，上回转轴承带动整个旋转体作旋转运动，布料溜槽随之旋转。大齿圈（A15）与倾动机箱上面的小齿轮（A16）之间无相对转动，这样溜槽便只有旋转而无倾动。当倾动电机动作而旋转电机制动时，上回转轴承不动，下回转轴承通过大齿圈（A15）带动倾动机箱上小齿轮（A16），倾动机箱便有了运动和动力的输入，机箱内的蜗轮（E18）蜗杆（E17）带动倾动轴转动，从而驱动布料溜槽改变倾角。当旋转、倾动两个电机同时动作时，由于行星差动原理，使得上下回转轴承有速度差，这样也使得大齿圈（A15）与小齿轮（A16）之间有相对运动，从而驱动布料溜槽在旋转的同时改变倾角。图1所示为传动示意图。
二、水冷传动齿轮箱故障存在的主要问题
十几年来武钢的专业技术人员在齿轮箱的维护、故障分析判断及故障处理等方面积累了大量的经验。归纳起来，齿轮箱在日常运行维护中较容易出现如下问题：
（1）连接螺栓，回转轴承和倾动齿轮箱等；
（2）润滑油及油脂问题；
（3）氮气及水冷问题；
（4）高炉操作问题；
（5）电气问题。
三、水冷传动齿轮箱故障案例分析及处理
1.传动齿轮箱旋转电机电流过大
（1）连接螺栓断裂
1997年10月14日，五高炉炉顶水冷传动齿轮箱旋转电机电流大，超过40A，电器过热保护多次动作跳开关。故障出现后，厂里立即组织设备技术人员召开故障分析会，根据齿轮箱传动结构图，把可能造成旋转电流大原因归纳成六点并逐个排除。最后把重点放在齿轮箱各部连接螺栓的检查上。11月5日，高炉休风后，打开检修门发现齿轮箱旋转体中部联接的24个高强螺栓（M24）断了12个，其余螺栓松动，整个旋转体向一边偏斜，造成旋转体、刮水板和密封板擦下水槽。经复位更换全部螺栓后齿轮箱旋转电流正常。事后对此次事故分析认为是连接螺栓因长期检修紧固，造成螺栓受力不均致使螺栓断裂。
（2）连接螺栓断裂
1999年5月7日,五号高炉传动齿轮箱旋转电流从夜班开始出现异常波动,通过打干油进行强制润滑,至晚上旋转电流逐渐回落,可以维持设备运行。检修前不同时刻测定的数据见表1。
表1不同时刻的检修数据
①A15/E16为倾动大齿圈与倾动减速机的啮合对，其频率振幅的变化为0.40.444.19Hz,在一天之内振幅上升九倍。
②A13/B11(即旋转大齿圈与空心轴上的旋转轴小齿轮啮合对）和A14/B12(倾动大齿圈与空心轴内的实心轴的小齿轮啮合对)两对齿轮的啮合频率的振幅变化为0.260.413.75HZ,幅值均有不同程度的突变。
从上面数据的变化可以判断:齿轮箱已处于故障状态,故障原因能有二，一是大小齿圈与旋转体吊挂螺栓发生拉断或松动,导致倾动减速机移位,其上与倾动小齿圈相啮合的齿轮啮合发生错位；二是上部齿轮箱内轴承损坏。
根据上述分析，铁厂确定5月19日对5号高炉检修。齿轮箱打开后检查发现，大齿圈与旋转体吊挂螺栓拉断11根，最大法兰面间隔5mm，随即进行了处理，设备投运后一直运行正常。
（3）回转轴承故障
2003年1月9日，四高炉炉顶水冷传动齿轮箱频谱图中133Hz的幅值为0.19m/s2（在图2频谱图中为序号10），而这是旋转大齿圈的啮合频率。表明旋转大齿圈出现故障。
2月24日的频谱图中133Hz谱线的幅值达0.30（在图3频谱图中为序号9）。
图32月24日3＃测点的频谱图
2003年4月20日24时，振动幅值达到最高点1.08m/s2，为1月9日的5倍多，此后开始下滑，至4月20日12点，振动幅值达到最低点。在振动值逐步升高的同时，齿轮箱旋转电机电流也逐步增大，改为500r/min启动，发现齿轮箱旋转大齿圈处发出异响声，而且响声比较大，在4月20日12点，电器过热保护动作跳开关，齿轮箱已无法运行。
经停机检查发现，齿轮箱旋转大齿圈回转轴承的滚动体破碎后导致回转支承卡死，旋转体下部出现多处明显的表面磨损。
滚动体破碎可能是由保持架损坏所造成，由于保持架破损，导致轴承滚柱在运动过程中发生错位，个别滚柱的运动状态由滚动变为滑动。并造成滚柱与滚柱之间相互挤压，出现破损，使齿圈的转动严重受阻直致卡死。
导致保持架破坏的主要原因是保持架的材料。法国生产的轴承保持架的材质为非金属，原设计是在常温环境下使用的，在高炉炉内的持续60℃以上高温作用下，加速了保持架的老化。另外，长期的轴承润滑不良有可能使滚动体磨损加大，而提前损坏，并使保持架也损坏。
（4）炉喉钢圈法兰水平度和波纹度超标，螺栓拉断
2005年12月29日，五高炉炉顶齿轮箱突然停转，启动不了，高炉被迫休风，检查发现齿轮箱旋转体向西北方向偏斜，改慢速500r/min启动后，看到齿轮箱旋转体有明显的晃动并有二处擦下水槽，影响倾动正常工作。检查回转支承螺栓无松动现象，初步判断是齿轮箱旋转大齿圈与旋转体连接螺栓断裂造成，现场无法检修，紧急启动年修更换齿轮箱，在测量炉喉钢圈法兰面水平和波纹度时，发现炉喉钢圈法兰水平度误差达17mm（标准±1mm），波纹度严重超标（标准4m弧长±0.4mm；1m弧长±0.3mm）。更换下来的齿轮箱解体后，发现齿轮箱旋转大齿圈与旋转体连接的40个M24高强连接螺栓断24个。主要原因为一是螺栓强度不够，检验螺栓材质为45#钢，没有达到8.8级；二是螺栓紧固受力不均。
（5）润滑油和氮气量过大造成的冷却板堵塞故障
2007年7月29日，六高炉因齿轮箱底部冷却板堵塞，提前年修处理，在处理过程中，发现使用化学清洗剂无法疏通冷却板上冷却管，临时决定更换齿轮箱。换下的齿轮箱送461厂修复，解体后将冷却板拆出处理，发现冷却管内被一种白色固体堵塞大约1m，经对白色固体进行化验，主要成份为油脂并夹杂少量矿焦粉尘。经分析主要原因是齿轮箱干油加量和氮气量过大，多余的油脂进入齿轮箱冷却系统，油脂就粘附在冷却管壁上，长期受高温的影响，结成白色固体将冷却管堵塞。
2.齿轮箱倾动电机电流过大
(1)倾动机箱漏油蜗轮齿磨损故障
2003年7月5日三高炉炉顶齿轮箱倾动电机电流达17～20A左右摆动，之后电机电流增至40A，电器过热保护动作跳开关，高炉休风堵风口，开检修孔。连续启动倾动电机检查发现，A、B两台倾动机箱只有A台工作，B台不动作，经检查A台倾动机箱油漏完，机箱铜蜗轮齿磨掉。
（2）倾动齿轮箱故障
2005年8月31日五高炉炉顶齿轮箱倾动下落至16°，倾动电机电流达40A，电器过热保护动作跳开关，高炉休风。开检修门发现齿轮箱倾动机箱B台固定螺栓掉，倾动机箱偏斜，倾动机箱蜗杆轴承坏，高炉改单环上料生产。同时准备倾动机箱备件及机械手，制定检修方案。9月1日五高炉年修更换倾动机箱。旧倾动机箱在维修中心解体后，发现倾动机箱蜗杆轴承外套转动将压盖磨损，蜗轮齿单面被磨掉5mm。经事后分析是倾动机箱蜗杆轴承外套转动将压盖磨损，造成蜗杆轴承轴向间隙过大，倾动机箱运动时蜗杆上下跳动，将轴承顶死或将蜗轮、蜗杆抱死，导致倾动负载增大，致使倾动机箱固定螺栓振松直至螺栓脱落。
四、高炉传动齿轮箱维护管理要点
1.加强对齿轮箱日常维护。
每天注意观察齿轮箱温度并及时调整齿轮箱氮气量和冷却水量；时刻注意炉顶上升管温度变化，要求当炉顶温度超过300℃时必须打水；注意观察氮气进气温度变化，进、出冷却水温度变化；注意观察齿轮箱旋转、倾动电机电流变化；上部差动减速箱油位及双向泵出油情况，检查干油润滑情况（国产改为次/12min，进口改为次/30min）；
检查旋转、倾动中间减速箱的润滑情况；特别是给油器工作换向是否正常，发现问题及时处理，确保齿轮箱润滑良好。旋转、倾动编码器和倾动开闭器定期检查、处理、调整，保护极限完好可靠。
2.利用高炉休风、定修、年修机会安排齿轮箱常规检查和检修，使齿轮箱处于受控状态。
3.充分发挥在线监测系统优势，帮助维护检修人员准确判断故障原因。
4.加强齿轮箱备件管理。
（1）齿轮箱旋转大齿圈轴承一定要采用铜质保持架轴承，不能选用尼龙材质的保持架轴承。
（2）国产齿轮箱倾动机箱输出轴易漏油，几天就漏完，这会造成蜗轮快速磨损，所以要求制造厂家提高备件组装质量并适当改进密封。
（3）齿轮箱各部连接螺栓应按设计要求执行，保证螺栓紧固受力均匀，8.8级高强度螺栓应有防松装置，材质符合国家标准。
（4）要求制造厂家严格按设计图纸制造确保备件的互换性。
参考文献：
董英斌，高立新，孙勤刚等.高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统.北京科技大学学报，2000，22(3):278-280.
谢江华，高立新.高炉布料器齿轮箱回转支承故障诊断.湖北工学院学报，2004。