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【齒協30年】親歷齒輪傳動在中信重工的應用與發展

時間:2020-12-26 瀏覽:161次

編者的話:

     2019年,在慶祝祖國70周年華誕的喜慶氣氛中,我們同時迎來了中國機械通用零部件工業協會齒輪與電驅動分會成立30周年,并隆重舉行了"2019中國齒輪產業大會暨CGMA年會"。回首望去,30年來,在齒輪業界的共同努力下,伴隨著改革開放進程的逐步深入,以振興機械制造裝備業為總目標,我們的齒輪工業緊跟世界科技發展潮流,攻堅克難,砥礪前行,取得了可喜可賀的成績,我國已經成為國際上重要的齒輪制造大國。不忘初心,牢記使命,為了更好地記錄這段歷史,并從中總結經驗、明確方向、推動前行,齒輪分會特邀業界一些領導、專家,作為這段歷史的親歷者和成績的創造者,撰寫回憶文章,匯編成集。撫今追昔,挖掘歷史背后那些鮮為人知的往事,既有對崢嶸歲月的紀念,也有對更加美好未來的期盼。這些珍貴的文字無疑是業內的精神財富,我們將在《機械傳動》公眾號上發布這些文章,以饕讀者。


愿未來的我們自立自強,引領創新,合力推動裝備制造業的車輪,在技術進步的大道上一路向前!





親歷齒輪傳動在中信重工的應用與發展


—— 中信重工機械股份有限公司   韓翠蟬
—— 河南科技大學   陳學文
—— 河南洛陽中實股份有限公司   馬超

我和老伴張幫棟是1963年太原理工大學畢業,服從祖國分配到洛陽礦山機械研究所,后來廠所合并為洛陽礦山機器廠,就是目前的中信重工。工作至今,一晃半個多世紀了,我們十分有幸,在大學時是同班同學,工作以后是同行。老伴57年始終如一地搞齒輪加工設備、工藝、刀具,外號叫“刀具大王,老黃牛、齒輪傳動的老專家”;而我一直在從事齒輪傳動的設計、制造工作。我們多年一直與同行共同編寫齒輪傳動的工具書,其中由機械工業出版社出版發行的累計有30多套,算是給社會留了點財富,與我們的同行為我國的齒輪傳動方方面面發揮余熱。

回憶往事,我是幸運者,我有千言萬語感激不盡,我遇到的同行里的朋友們,為我在這條道路上順利前行鋪平道路,使我們健康成長,讓我們為中信重工在國內低速重載齒輪傳動事業做出貢獻。

我剛參加工作,領導讓我到太原工學院(現在的太原理工大學)學習圓弧齒輪。在朱景梓教授主持下,鄭州機械研究所的李 長春擔任主講老師,全國參加學習人員上百位,收獲很大。返廠后立馬將圓弧齒輪方面的理論應用在礦井提升機的設計、實驗室試驗和現場試驗之中,同時也得到機械研究院在圓弧齒輪研究方面從原理到定義以及國際水平了如指掌的老知識分子丁淳的指導,我與我們的團隊做了不少工作,于是這門新技術就在我們企業開花結果。

20世紀50至70年代主要是軟齒面齒輪傳動,大部分是采用漸開線齒輪,而圓弧齒輪屬于學習“蘇聯老大哥”的新技術,通過翻譯技術資料、查找圖紙,在廠內制作了兩臺TF3-115圓弧齒輪減速器進行封閉式逐級加載負荷實驗。試驗結果,正、反向運轉都通過了140h以上,減速器在轉速720r/min下負荷通過了115kN·m(指輸出軸傳遞轉矩),各級負荷的累積運轉時間:低速軸大于140h,高速軸8.5×106次。減速器正、反方向運轉都很平穩、無震動,噪聲響度大部分在70~80dB,無明顯的沖擊聲;機器各部溫度正常(軸承溫度40℃以下);齒面接觸良好,正、反向的試驗負荷已分別達到相同尺寸漸開線齒輪ZL-115型減速器設計工作負荷的1.95倍,甚至到2.47倍,這表明承載能力的潛力很大。

工廠試驗機實驗結束后,緊接著在河南觀音堂煤礦進行了工業試驗,同樣證明圓弧齒輪減速器同等條件下比漸開線齒輪承載能力高、體積小、質量輕。同時,在機械工業部的組織下做了工業鑒定,并且獲得河南省科技進步二等獎。在各種條件都基本具備的基礎上,我們開始在礦井提升機上采用圓弧齒輪傳動的減速器系列。

那時只有幾個系列的圓弧齒輪減速器,如下型號如下:

ZHLR-100、 115、 130、 150、 150【II型】、170、 170【II型】、170【III型】;

ZHD2R-120、140、 180 ;

ZHLR-100A、 115A、 130A、150A、 170A 。

先后累積設計了16個品種,幾乎都是設計和生產同步進行。那時,我的工作擔子非常重,擔任主任設計師,需要對自己設計的每個產品的全過程負責,責任很大,同時還要給其他設計師圖紙把關。整天考慮我的設計是否具有先進性和可靠性、世界有名、走在技術前沿、經得起實踐和時間的考驗。

從單臺生產到批量生產的過程中,我們不僅在設計上下功夫,還盡量應用被國內外技術專家公認為非常有前景的生產技術。

我們在圓弧齒輪減速器系列設計時,非常重視幾何參數的選擇,如表1所示。

表1  減速器的規格參數

640

圓弧齒輪減速器與漸開線齒輪減速器,體積、質量、承載能力比較如表2所示。從表中可以看出,圓弧齒輪傳動比漸開線齒輪傳動,同樣承載能力提高很大,充分發揮了自身的優點。


表2   舉例說明圓弧齒輪和漸開線齒輪承載能力和質量比較

型號

ZHLR-115

ZHLR-130

ZL-150

用于產品

×KT2米單及2.5米雙筒提升機

2.5米單雙及3米單雙筒提升機

2.5米單雙及3米單雙筒提升機

輸出軸傳遞max轉矩/(kN·m)

113

118

113

允許輸入max轉速/(r/min)

750

750

750

體積(長×寬×高)/mm3

2340×1850×1750

2630×2235×1840

2900×2305×1960

總質量/kg

7430

10600

12090





齒形

圓弧齒

圓弧齒

漸開線

備注

原設計

中心距加大一級用


不過,圓弧齒輪也有它不足的地方,就是圓弧齒輪減速器對中心距誤差特別敏感。

圓弧齒輪傳動帶滾動軸承系列設計時,我們在高速軸和中間軸采用了偏心套裝置,目的是解決圓弧齒輪傳動中心距誤差敏感性的缺點,用戶使用中,由于帶負荷連續運轉,齒面和軸承磨損中心距拉大,影響齒面的接觸精度,在使用中通過調整偏心套,進而改善中心距誤差和齒向誤差,得到合理的、平穩的運轉,這樣保障產品使用的承載能力大幅度提升,而且有利于延長使用壽命。

偏心距選擇不宜過大,若超過軸承公差時,則調整齒面的水平方向和垂直方向的接觸時,對高速軸和中間軸上采用的這種結構的滾動軸承受力會有影響,所以偏心距選擇要科學,既要照顧到齒面接觸部位可以調整到合理位置,又要保證滾動軸承受力合理。

國際上設計這種機構的時候大都采用了偏心套,尤其是采用滾動軸承結構時更需要設計偏心套裝置。那時蘇聯、西德、日本都采用這種結構,如日本川崎是解決歪斜誤差為主,把偏心套放在水平位置上;而植田鐵工研究所則是解決水平位置的誤差把偏心套放置在垂直方向上。

這方面我們也做了大量設計方面探討和實踐方面的研究工作,才使生產順利進行。

圓弧齒輪減速器制造過程,堅持出廠前的逐級加載跑合和到了用戶那里仍然堅持繼續跑合,這是圓弧齒輪傳動的特點,只有經過認真跑合,才能發揮圓弧齒輪傳動比漸開線齒輪傳動接觸精度高的優點,也使接觸強度大大提高。

圓弧齒輪減速器在我公司礦井提升機上系列設計,大批量地現場應用,多年生產了2000多臺套,這個數字不包含產品的備品備件。  

實踐有力地證明了同樣條件下圓弧齒輪傳動比漸開線齒輪齒形先進,多年來在礦井提升機上逐步取代了漸開線齒輪傳動,由于減速器的體積小、質量輕、承載能力大、運轉平穩、溫升噪聲都非常小,降低了使用成本,為企業和社會創造了可觀的綜合效益,為國家節約了大量合金材料,受到用戶高度好評,適應了煤炭、冶金、建材各種惡劣工況。

齒輪傳動事業日新月異的發展,國際上為了改善單圓弧齒輪的美中不足,又開始了雙圓弧齒輪設計研究,如日本和蘇聯在航空、航海等領域設備上應用,效果令人滿意。我們企業也十分重視新技術的開發和運用,不僅在礦井提升機上應用,而且,又撰寫了論文發布在1981—1982年的《礦山機械》雜志上,在全國廣為傳播,為圓弧齒輪傳動在行業上的發展添磚加瓦。

20世紀70年代,我參加了機械部、煤炭部、建材部組織的對我們生產用戶所有的礦井提升機減速器的調查研究,廣泛聽取現場用戶的意見,同時為了重視這次調研,研究所所長親自參加。組織上決定技術骨干親歷,我已經成了核心人物。這次的經歷非常寶貴,多少個日日夜夜,走遍了用戶的很多現場,發現了在辦公室從來想象不到的問題,受教育的同時也提高了理論聯系實際的水平。調研的結果是我們生產的單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪減速器得到用戶好評,使用效果理想,肯定了企業為我國的國民經濟建設發揮了力量,也使得新技術在企業開花結果。

1977年初,我們廠圓弧齒輪的生產任務很大,一時按照常規組織生產任務很難完成,于是廠長王大軍召開了緊急動員會,參加會議的基層技術人員共40多位,廠長讓大家出謀劃策。其中Mn=16的齒輪加工,正常情況兩年才能完成任務,就是在3m滾齒機上24小時三班干,任務也不可能完成,張工大膽地提出來(雙頭、直鉤正前角滾刀)滾刀螺旋角做成8°47′,會議上齒輪傳動專家們一致提出反對意見,都認為蘇聯多年的經驗,螺旋角超過5°必須做成螺旋溝的,廠長看大家辯論激勵,3天會議結束后,把張工叫到辦公室,決定按照他的方案試試看,并決定做好萬一失敗的準備,張工和工人師傅認真地經過多次反復試驗終于成功了,到了年底任務出色完成,全廠都興高采烈,也給了張工個人獎勵。

1979年,我參加了機械部、商業部、石油部組織的“摸清國內外工業齒輪油使用情況”的調研活動,先后走訪了國內的煉油廠,了解煤炭、建材、冶金現場設備用油真實情況,以及翻譯了國外大量工業齒輪油的資料,調查數據告訴我們現場由于選擇和使用油品不合適,造成齒輪點蝕失效約占齒輪失效總數的20%。緊接著寫了調查報告和立題論證報告。

“六五”期間,機械部根據需要給礦山機械研究所、廣州機械研究所、鄭州機械研究所分頭下達任務,進行實驗室試驗。從立題到滾子疲勞試驗,主動布點冶金、建材、煤炭使用現場,不同用油比較,數字統計分析,累積6年的實踐,做到專項技術報告的真實性。

我們做了大量的模擬試驗和臺架驗證,可以表征齒輪的嚙合狀態,模擬齒輪的運動、受力失效形式等,對油品的抗磨損性、積壓性能、抗點蝕能力進行判斷,然后,在全尺子齒輪實驗臺驗證。

選擇經試驗有代表性的油品到用戶進一步做工業現場實驗,一方面將統計數字作為分析問題的依據,同時也是為了設計者合理選擇油品、用戶正確用油提出規范的方法,也為制定國家工業齒輪油標準后推廣新的工業齒輪油現場應用打下良好的基礎。

我們幾個研究所,許多工程技術人員和工人師傅齊心合力,近5、6年辛苦,終于找到了工業齒輪油編制國家標準的方案,接著制定了工業齒輪油的國家標準。

這個課題研究成功為我國齒輪潤滑原理到應用開創了新局面,并取得明顯的經濟效益。提高了齒輪傳動的效率,節省能源。我國現場使用的軋機、提升機、強力皮帶輸送機、水泥磨及各種挖掘機,至今總數超過萬臺,由于合理用油,提高效率1%,一年可以節約電2億5千萬度以上。

這個課題開展前,國家進口了各種設備的潤滑油,而我們的課題成功后,制訂了國產工業齒輪潤滑油國標,填補了國家的空白,不僅節約了大量外匯,同時還可以與世界同行爭奪市場。另外也減少了齒輪的備件消耗,減少了維護工作量,增加了有效工作時間,延長了設備使用壽命和換油周期。

1986年11月機械工業部為課題上的工作人員授予“工業齒輪油應用技術研究”科技進步二等獎。

課題進行中,我多次寫調查報告、立題計劃、實驗程序的組織工作,課題完成后寫出有科技含量的總結報告和工業齒輪油應用技術的論文,刊登在《潤滑與密封》雜志上,這些科技成果當時都受到領導的認可和同行的追尋。

為了讓這些科技成果發揚光大,我與同行共同編寫了《齒輪傳動的潤滑》,還參加《齒輪手冊》上、下冊潤滑部分編寫工作,《機械傳動手冊》的潤滑部分、《現代機械傳動手冊》的等書中的潤滑部分都寫了稿。

隨著企業齒輪傳動的發展,通過大量的實驗室試驗、現場用戶調查以及收集各國資料發現,工業齒輪潤滑油對齒輪的影響非常大,于是我們決定到現場調研,首先在礦井提升機上,實踐證明,全面采用國標的各牌號工業齒輪潤滑油的結果十分滿意,為國家的經濟發展水平提供了實用的標準,也為我們的合理用油找到依據,為國民經濟建設打下了基礎,各項效益可觀。

1973年前后,我有幸參加了太鋼組織的引進國外設備減速器的測繪工作,該工作活動聚集了機械部、冶金部的國內齒輪界的名人和有知名度的行業專家,我和西安重型機械研究所的王培鞭分別擔任小組長,小組還有西安重型機械研究所的涂先知,他們都比我參加工作早幾年,工作經驗更豐富,是我學習的好機會。

太鋼當時引進的設備是世界有名的,其中有軋機、制氧機、皮帶運輸機、起重機等,與設備配套的減速器品種特別多,有高速行星減速器、輥道減速器、軋輥齒輪等,有高精度、硬齒面的行星齒輪,還有許多大尺寸齒輪機座,也有錐齒輪傳動,還有多點多對傳動,幾乎是五花八門,讓人大開眼界。

為了檢測的數據準確,把當時的儀器儀表調動到現場,我們每個人都是精益求精檢測每一個尺寸,一個人測量完,另一個人還要復查,來不得半點馬虎。我當時和涂先知一起工作,他畫圖,我計算,那時的工具比較落后,畫圖使用圖版、丁字尺,計算是手搖計算機,成千上萬個數據,一天工作超過8小時,非常辛苦,卻沒人叫苦叫累,都想多學點國外的先進技術。

這次測繪是利用太鋼的設備大修的時間,組織非常強大的力量,一方面為了研究國外的技術究竟先進到什么程度,另一方面是把太鋼需要的部件圖和零件圖都畫好,圖紙要完整無誤。經過我們大批人馬幾個月的齊心合力,終于按計劃完成了各項任務,從各方面了解到我國與國外不僅技術上有差距,而且材料熱處理一些很深層次的問題一時還沒有搞清楚。這次經歷我也收獲了寶貴的經驗,為我今后的工作打下了一定的基礎。

1977年煤炭部從德國進口了功率為800kW和650kW的GHH行星減速器共23臺,很不幸設備到了開灤礦務局后,沒有來得及使用,就發生了歷史罕見的唐山大地震。

唐山大地震剛剛結束,我們主任王有益決定派我前往想到開灤礦務局借一臺進口行星減速器,廠里組織測繪。我記得當時開灤礦務局的現場一片地震后的凄涼,晚上睡在地震棚,余震很大,雖然冒著生命危險,但是在礦方主管領導的全力幫助下順利的完成了任務。

當時研究所和廠里對這臺借來的行星減速器非常重視,組織了全廠的齒輪技術骨干共同測繪研發,經過一年的認真工作,行星減速器在我廠試制成功,經過徐州礦務局工業試驗,結果也是非常理想,充分證明了行星齒輪傳動可以設計的體積小、質量輕、加工制造的精度高,經過磨齒,一般在5級精度,現場測量的噪聲80dB,溫升正常,受到了用戶的好評。就這樣國產高精度硬齒面技術在礦井提升機上開花結果了。

我參加過制定國家計算方法標準的研究,當時機械部一位副部長很重視,全國挑選了11位齒輪專家,有來自北京、上海、大連的重點高校的教授,也有來自工廠的高 級工程師。任命北京鋼鐵學院范崔本教授擔任組長,郁明山擔任副組長(他曾擔任我們廠廠長)。在他倆的具體指導下,我們小組每位同志都是努力工作,把強度公式的每個系數反復研究,查找資料,不知去了多少次北京圖書館,翻譯了大量外國資料,從來沒有休息過星期天。經過大家共同努力,終于制定了我們國家的齒輪傳動強度標準。

制定這個標準的過程中,我們廠還參加一些公式中的系數實驗室研究和工況系數整理分析工作。如:使用系數在提升機上的測定,齒輪傳動的潤滑的實驗研究,齒輪材料強度的驗證,都做了無數系統科研研究工作。

企業的自主發展,推動著齒輪事業的日新月異,我們在變革中求生存,吸收了德國引進行星減速器的新技術后,我廠在八五期間,盯著我國水泥工業要向日生產水泥2000~4000t的大型水泥生產線發展,其中磨機功率都在2000kW以上,而在水泥生產中,磨機用電量占總用電量的65%左右。為了傳遞這么大的功率,若采用邊緣傳動或普通的平行軸結構的減速器,不僅會使傳動部件的體積、質量過大,電能消耗也多,綜合經濟效益差,而且給制造、運輸、安裝等帶來一系列困難,甚至在現有的條件下不可能實現,只得依靠進口。

如:廣西柳州水泥廠從丹麥史密斯公司進口了TSFP-1700B減速器(傳遞功率2900kW)與其直徑4.2m×11m水泥磨磨機配套;廣東珠江水泥廠進口了TS2360A減速器(5600kW)與其直徑5.6m×(11+4.4)m原料磨配套;當時很多水泥廠都已經引進了國外的設備,累計花費了2000余萬美元。

我們設計者的責任就是要為用戶想,替國家排憂解難。我們看到,國外各工業發達國家都在水泥磨機上大力發展和采用行星減速器。于是我們廠的技術團隊設計了水泥磨機的大型的行星減速器——ZJ系列行星減速器,十幾年的現場實踐已經充分證明各項技術經濟指標接近和達到德國富蘭德公司同類產品FL型產品水平,處于國際20世紀90年代初的先進水平。其中ZJ2240行星減速器是我國那時自行開發旳大規格行星減速器,傳遞功率達2500kW,首批4臺在蘇州成功投入運轉,同時有3臺出口巴基斯坦,用戶反映良好。這些工作的開展,不僅填補了我國水泥工業齒輪傳動技術的一項空白,對于提高我國建材工業裝備的技術水平具有重要意義,而且為大型磨機齒輪傳動立足于國內制造、替代進口、出口創匯打下了堅實的基礎。

多年來我們廠在齒輪傳動技術上始終站在技術的高點,就是因為有一個齒輪傳動技術攻關團隊,以郁明山齒輪工藝領軍、韓翠蟬齒輪設計、張幫棟齒輪刀具大王、江錫堂齒輪材料熱處理專家等為代表的一大批無私奉獻的老知識分子,以及團結拼搏的后繼人,大家日以繼夜的灑汗水、流淚水,當看到煤礦、建材、冶金成千上萬的高、精、尖大型設備源源不斷運往祖國各地,有的產品還填補了國家的空白,甚至出口創匯,我們都為國民經濟騰飛而感到由衷的自豪,這不僅為企業創造了經濟效益,也為國家創造了社會效益,并一定程度上給后來人留下了寶貴的經驗和財富。

光陰如流水,我們在這個企業工作至今,老伴仍然還在上班,默默無聞地工作著,繼續研究齒輪刀具,無形中為企業生存發展貢獻力量,努力勇往直前,開發了一個又一個的齒輪傳動新技術、新產品,不斷向新世紀的低速重載齒輪傳動地位邁進。

齒輪傳動技術使我人生路越走越寬,不僅獲得了共享技術成果和國家科技進步獎,而且結交了志同道合的朋友,如:朱景梓、雷光、丁淳、李 長春、顏思健、張展、王長路、張元國、徐永年、劉世軍、陳淵、陳學文等專家,給我鋪平一條通往齒輪傳動的康莊大道。我曾在新浪博客上多次提到謝謝各位,今天在這里又一次感恩每一位給我撐起傘的朋友,前進大路上你們都是我的貴人,真心地感謝你們,因為有了你們,才使我在這條道路上越走路越寬,愿我們為了我國的齒輪傳動技術繼續同行,愿我們繼續合作共同研發(尤其行業歸口鄭州機械研究所有限公司、我的母校太原理工大學),如航空母艦上高精度雙圓弧齒輪傳動等,占領世界重要地位,也愿我廠低速重載齒輪傳動永遠是世界水平,繼續追逐齒輪傳動體積小、質量輕、精度高。國外有的我們要有,國外沒有的,我們創造條件也要有,人世間奇跡靠人才創造,為了我國的齒輪事業飛速發展共同努力吧!


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韓翠蟬,女,高 級工程師。1963年太原理工大學畢業,畢業后分配到河南洛陽礦山機器廠(現中信重工機械股份有限公司)。一直從事齒輪傳動的設計、研究、現場服務等工作。設計制造的減速器,包括技術資料,至今仍在各行業應用,獲得同行和用戶的高度評價。并與同事、同行合作共同編寫了30多本工具書,均由機械工業出版社出版發行。
隨著國家改革開放的發展,國家需要大批的科技人才。組織就把我調任到礦山機械研究所任業務處長,負責在職員工和社會人員的教育培養工作。并聯合河南科技大學共同創辦電大、合作招收碩士研究生,培養了一批應用人才,也為職工解決后顧之憂。
1991年,調到銷售處任銷售處長。在任職期間, 整個銷售團隊,每年超額完成公司制定的銷售目標。并且能及時反饋,處理用戶遇到的問題,真正的把用戶當上帝。得到廣大用戶的好評!
1997退休后,被中信重工機械股份有限公司銷售處返聘做顧問,兢兢業業工作了五年。到2002年被中實洛陽重工機械有限公司聘用為高 級技術顧問,與其技術部共同開發很多新產品,并且參與了許多國外項目,真正發揮了余熱!


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陳學文(1970-),男,教授,博士。研究方向:塑性成形及材料微觀組織數值模擬。E-mail:chenxwdavid@163.com。


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馬超(1980-),男,河南永城人,工程師。

畢業于河南科技大學車輛與動力工程學院,先后在中信重型機械公司實習工作。2004年去浙江東力集團任職齒輪和齒輪箱設計研發工作;2008年回到洛陽,進入中實洛陽重型機械有限公司仍然擔任齒輪箱和齒輪設計研發工作。在工作的近20年內,從未間斷過齒輪研究設計工作,因此熟知齒輪的設計、工藝、制造等技術,并且多次參與鋼廠、煤礦、水泥廠、金屬礦用齒輪箱的改進設計,擁有豐富的工作經驗。


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