1 概述
线、棒材厂粗中轧机主传动系统是保证轧制正常进行的关键设备之一。主电机带动主减速机，再通过齿轮机座和万向接轴带动轧辊实现轧制。主电机带动联合减速机，再通过万向接轴带动轧辊实现轧制。
由上述两种结构的对比可以看出，所谓的联合减速机就是将主减速机和齿轮机座合二为一，使之既减速又分速的一种装置。联合减速机有以下优点：①缩短了轧机机列长度，有利于工厂设计；②降低机列重量；③减少备品备件；④节省投资和维护费用。
联合减速机具有以下结构特点：①减速和分速相结合；②由于工作条件恶劣，如低速重载、严重冲击负荷、连续工作制、变速变载等，所以要求它有高的强度、精度和可靠性；③齿轮一般为经过精加工的硬齿面或中硬齿面渐开线圆柱齿轮；④轴承均采用滚动轴承；⑤采用稀油集中循环润滑系统润滑齿轮和轴承。由于这些特点，联合减速机的设计过程和一般通用减速机有许多不同。笔者结合近年来参加多个线棒材厂工程的粗中轧机联合减速机设计工作的实际，谈一谈联合减速机的设计特点。
2 设计计算
2.1 计算依据计算的依据是轧钢工艺专业提供的车间工艺平面布置图及最难轧钢种的轧制程序表。根据这两份资料，明确以下参数：①原动机类型、功率、转速；②轧制力矩；③轧辊转速；④联合减速机的安装方式；⑤相邻轧机间距；⑥车间跨距；⑦其它特殊要求（包括用户要求）。
2.2 计算的准备
1）根据计算依据，确定联合减速机的下列参数：
（1）使用寿命：一般取8～10年，年工作小时为5500小时。
（2）齿轮精度：一般硬齿面联合减速机取6级精度，中硬齿面联合减速机取7级精度。这点和通用减速机不同。通用减速机的齿轮精度等级与齿轮副的圆周速度有关，而联合减速机的齿轮精度一般要比按圆周速度确定的精度要高，目的是在合理的加工费用的前提下，充分发挥材料能力，降低设备重量，减小噪音。
（3）润滑方式及润滑油品：均采用稀油集中润滑循环系统，油品一般为N320或N220工业齿轮润滑油。
（4）轴承寿命：一般大于6000小时，即能满足一个大中修使用周期。
（5）齿型、齿面硬度、齿轮材料及热处理方法。
2）减速级齿型一般为渐开线圆柱斜齿轮。分速级齿型有两种选择：若齿面为硬齿面，则可用斜齿轮；若齿面为中硬齿面，由于分速级中心距受轧机规格限制，一般用人字齿轮，以保证承载能力。
（1）齿面硬度、齿轮材料及热处理方式的选择比较复杂。首先，采用硬齿面可以减小联合减速机的外型尺寸，减轻设备重量（经测算，一般可减轻20%～30%以上），缩短机列长度，对轧机间距要求不严。但是需要渗碳淬火或表面淬火，需要磨齿，机加工费用较高。而采用中硬齿面，则可以减少机加工难度，降低机加工费用，但带来的问题是设备外型尺寸较大，设备重量较大，增大了机列长度，对轧机间距要求较严，甚至有可能影响到工厂设计。
（2）其次，对硬齿面齿轮，若采用表面淬火热处理工艺，则齿轮材料为中碳合金钢。但中碳合金钢的焊接性能较差，使制造减速级大齿轮时的焊接难度加大。若采用渗碳淬火热处理工艺，则齿轮材料为低碳合金钢，大齿轮的焊接性能较好，但需要大型的渗碳炉，机加工费用较高。
（3）再次，对中硬齿面齿轮，必须采用中碳合金钢。
由于其热处理工艺相对简单，一般机械厂都能加工，机加工费用低。但制造大齿轮时焊接性能不好，而且当中碳合金钢调质处理硬度为HB300～350时，其芯部的其他机械性能指标，如σs、δs、Ak等都受到影响，特别是韧性指标有一定的下降，必须严格控制。
3）由于目前国内中硬齿面联合减速机的加工费用一般比硬齿面联合减速机的加工费用便宜一半左右，所以，在选择齿面硬度的原则是：尊重用户的选择，在轧机间距和机列长度许可的前提下尽量不用渗碳淬火热处理工艺，尽量不用高档材料，尽量降低齿面硬度，以适应市场经济的需要。但随着国内机加工能力的提高，加工费用的进一步合理，联合减速机采用渗碳淬火硬齿面齿轮、大齿轮采用焊接结构将是发展的方向。
2.3 齿轮计算
正确而合理的计算是保证联合减速机性能可靠，体积和重量合理，工艺性好的前提。齿轮计算的大致步骤是：先按体积最小原则进行速比分配，再初算齿轮传动的几何参数，最后按GB/T3480-1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》进行接触强度和弯曲强度校核。整个计算过程与通用减速机设计计算相似。这里仅介绍其不同之处。
1）联合减速机的输入扭矩不是按电机功率和转速计算出来的，而是按轧制程序表中最难轧钢种的实际轧制力矩和转速反算过来的。以某线材厂第一架Φ420中轧机为例，其电机功率P为239kW，电机转速n为690r/min，则电机转矩T为：T=9550P/n=9550×239/690=3308N.m而实际上，轧制最难轧钢种时的轧制力矩反算到电机轴上仅为2195N.m.可见，如果按输入扭矩为3308N.m设计计算联合减速机，则联合减速机将过于安全。
2）使用情况系数KA全部按严重冲击取值，一般取KA=1.75.接触强度安全系数SH为1.1～1.3，弯曲强度安全系数SF为1.5～2.0.若进行强度校核后SH和SF超出这一范围，则相应调整齿轮参数，重新校核。
3）齿宽系数Φd的选择比较复杂，多需反复计算。若Φd取值偏大，虽然可以提高齿轮的承载能力，但齿轮较宽，减速机尺寸加大，并且当齿宽大到一定程度以后，其提高齿轮承载能力的作用并不明显，因为随着齿宽的加大，齿向载荷分布系数、齿间载荷分配系数均明显加大。而若Φd取值偏小，虽然可以克服此值偏大后的缺点，但可能满足不了承载能力的要求，或者虽然能满足承载能力的要求，但纵向重合度εβ小于1，影响齿轮传动的平稳性。选择齿宽系数的原则是：在满足承载能力和纵向重合度εβ大于1的前提下，尽量减少齿宽系数。
4）分速级的中心距不是根据强度条件确定的，而是按照轧机在最大、最小辊径和不同开口度、不同横移位置的情况下，万向接轴有合理的工作倾角确定的，一般等于轧机的名义规格。如Φ450轧机的联合减速机，其分速级中心距为450mm.尽管该级中心距受到限制，但是按此中心距确定的齿轮参数仍需满足强度要求。因此分速级齿轮一般齿宽比较大，齿面硬度较高。随着硬齿面技术的发展和使用，齿轮承载能力已经提高。现在制约分速级中心距的关键环节已不是齿轮的强度，而是该级滚动轴承的使用寿命了。
5）为降低成本，提高效率，在进行新厂设计时，尽量使同一规格的轧机的联合减速机的箱体相同。以某线材工程Φ450轧机联合减速机为例，可按以下方案设计。
这种设计方案的缺点是后三架联合减速机偏于安全，有一定的浪费现象。优点是减少了设计工作量，简化了工艺工装，减少了备品备件，便于维护，还可以将质量较差的箱体配置在负荷较低的机列上。据SMS公司测算，这种方案可使总成本下降10%以上。
2.4 其它计算
齿轮几何计算和强度校核完毕后，先按扭转强度计算出各轴的最小轴径，然后初选轴承，并进行轴承寿命校核。当轴承确定之后，再根据轴承和齿轮的具体参数计算出该联合减速机所需要的润滑油量。等结构设计完毕后，对各轴进行精确地强度和刚度校核。需要说明的是，在进行轴承寿命校核时，要按轴承样本上介绍的方法进行，而不要按一般设计手册中的方法。一般设计手册中的计算方法过于保守。随着电子计算机的飞速发展，现在有关齿轮计算的软件也随之出现并越来越丰富。采用电子计算机计算将是轧机联合减速机设计的发展方向。
3 结构设计
设计计算是在理想啮合状态下进行的，如果因为各种原因保证不了齿轮的正常啮合，那么设计计算只是纸上谈兵。因此在联合减速机结构设计时，应牢固树立保证各级齿轮啮合良好的意识。紧紧围绕这一点进行设计。结构设计的程序与一般通用减速机的设计程序基本相同，这里仅介绍其特别之处。
3.1 箱体结构
近些年国内外新设计的联合减速机箱体均采用焊接结构。当分速级齿轮为人字齿轮时，可以设计成只有一个分箱面。为保证箱体刚度，各箱体，尤其是下箱体的承载钢板应有足够的厚度和合理的配筋。轴承座部位一般选用厚钢板直接焊接。各箱体之间的联接螺栓大小应按规范选取，并注意其与箱壁、筋的距离，以留有足够的扳手空间。地脚螺栓应布置合理，以方便土建基础施工，并注意安装空间。下箱上的吊耳应能承受住整台联合减速机的重量，联合减速机组装完毕后，只允许使用下箱上的吊耳吊装。
3.2 轴系结构
1）采用一端固定，一端游动的典型结构。若分速级齿轮为人字齿轮，那么较短的人字齿轮轴两端均为游动结构。
轴承固定端的选择与轴承受力有关。一般一根轴两端的轴承型号相同，为了使两个轴承寿命接近，原则上应将承受径向力较小的一端作为固定端。
2）轮齿螺旋方向及齿轮旋转方向的确定：
轮齿螺旋方向：互相啮合的一对齿轮螺旋方向相反。同根轴上的两个齿轮螺旋方向相同，以使其产生的轴向力互相抵消一部分。
3.3 润滑配管设计
齿轮和轴承的良好润滑是保证不出事故的先决条件。由于齿轮和轴承公用一个润滑循环系统，所以在配管设计时一定要注意以下几点：
1）轴承进油口部位一定要设置节流装置，以使流量均衡。
2）齿轮润滑处的喷油嘴尺寸应按所需油量正确选择，谨防不足。
3）回油管直径要足够大，以保证排油顺畅。
4）轴承座上应留有回油孔，以便润滑轴承的油能顺利排出，防止从端盖处漏油。
5）将喷油嘴放在齿轮副的啮入侧还是啮出侧，过去一直争论不休。由于粗中轧机联合减速机的线速度一般不高，现在一般将喷油嘴放在啮入侧，以保证润滑。
6）通气罩要足够大，必要时可设置两个，使箱体内外气压相同，减少从轴伸处或箱体结合面处渗、漏油的可能性。
4 发展趋势
随着线棒材轧坯尺寸的加大、轧制速度和对成品精度要求的逐步提高，对粗中轧机轧制能力及中间坯质量也有越来越高的要求。因此联合减速机呈现以下发展趋势。
1）齿轮计算及强度校核采用电子计算机进行计算，可大大缩短设计周期。
2）齿轮采用渗碳淬火热处理工艺。根据计算，相同外型尺寸的联合减速机，采用渗碳淬火比采用表面淬火可提高承载能力30%左右。还方便了大齿轮的加工制造。
3）箱体采用全焊接结构，以缩短制造周期，减轻重量。
4）齿轮采用高变位技术，以提高齿面接触强度和齿根弯曲强度。
5）轮齿采用修型技术（齿向修型和齿型修型）。根据计算，采用适当的轮齿修型后，承载能力可提高20%～30%.
5 结语
线棒材厂粗中轧机联合减速机的设计有其自己的特点。在设计计算阶段，应根据工艺要求、用户要求及制造厂的加工能力合理确定齿面硬度、齿轮材料及热处理方式，选择合适的齿轮精度、使用寿命、齿宽系数等，按照输出扭矩为最大轧制力矩的原则，使齿轮副的强度安全系数在一个合理的范围内，并注意同规格联合减速机的通用化，使计算出的减速机既安全，又体积小、重量轻、成本低。
在结构设计阶段，应牢固树立保证各级齿轮啮合良好的意识，采用适当的焊接箱体结构和轴系结构，合理确定轮齿旋向和齿轮旋转方向，重视润滑配管设计，以保证设计计算落到实处，减速机工艺性好，使用方便、可靠。