齒輪箱采用齒輪增速或減速并傳遞扭矩和功率。高速齒輪箱經(jīng)過長期的技術(shù)研發(fā)，已取得了長足的發(fā)展，在發(fā)電、冶金、化工、石油等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)國家重大裝備和重點(diǎn)工程的需求，齒輪箱正朝著大功率、大尺寸、高傳動比、高速等方向發(fā)展?；诖?，文章介紹了大功率、大尺寸、高增速比高速齒輪箱的主要技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)從齒輪線速度限制、齒輪強(qiáng)度校核、軸承、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、封嚴(yán)結(jié)構(gòu)及齒輪修形等方面進(jìn)行了分析。
目前，國外高速、重載齒輪箱技術(shù)已發(fā)展到很高的水平，設(shè)計(jì)制造技術(shù)相對成熟，以 RENK、FLENDER、BHS 等為代表的高速齒輪箱供應(yīng)商生產(chǎn)的高速齒輪箱功率已達(dá)140MW 左右，最高轉(zhuǎn)速為10萬r/min，最高齒尖線速度為300m/s。隨著速度的提高，對齒輪制造精度的要求也在不斷提高。我國以南京高精傳動設(shè)備制造集團(tuán)有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司等單位為代表，也在高速齒輪箱設(shè)計(jì)、制造方面取得了長足的進(jìn)步。高速齒輪箱是工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性尤為重要，同時還應(yīng)關(guān)注齒輪箱壽命，使齒輪箱更具經(jīng)濟(jì)性。文章以某項(xiàng)目需求為基礎(chǔ)，對100MW等級，輸出轉(zhuǎn)速約10000r/min的齒輪箱的技術(shù)可行性展開了探討，并對主要設(shè)計(jì)、加工制造難點(diǎn)等做了詳細(xì)的分析。
01100MW 等級齒輪箱的主要技術(shù)要求某項(xiàng)目對齒輪箱的需求如表 1 所示。由于該功率等級、高增速比的齒輪箱應(yīng)用較少，需要對技術(shù)可行性進(jìn)行分析。
表 1 100MW 等級齒輪箱主要需求參數(shù)
02大功率高速齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)對于大功率高速傳動齒輪箱，一般要求其傳動平穩(wěn)、穩(wěn)定，動態(tài)性能可靠。基于該項(xiàng)目 100MW 等級齒輪箱需求，為確保技術(shù)可行，文章對大功率高增速比齒輪箱主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，具體如下。
齒輪節(jié)圓線速度：針對該項(xiàng)目 100MW 等級齒輪箱，高速輸出齒尖線速度：
v=N×2πR （1）
式中：N 為高速輸出端速度；R 為高速齒輪半徑。預(yù)計(jì)齒輪箱高速齒輪線速度在150m/s以下。
當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)齒輪箱齒輪線速度可達(dá)到180m/s以上。例如，國內(nèi)主要齒輪箱供應(yīng)商可達(dá)到的齒輪節(jié)圓線速度最高約200m/s，而以RENK為代表的國外主要齒輪箱供應(yīng)商有齒輪節(jié)圓線速度達(dá)到300m/s的相關(guān)應(yīng)用案例。
齒輪強(qiáng)度校核：齒輪強(qiáng)度包括接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度。近年來，隨著材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，齒輪箱業(yè)內(nèi)已逐步采用硬齒面高速齒輪取代原先的軟齒面和中硬齒面高速齒輪。由于采用了滲碳淬火工藝，高速齒輪齒面硬度高，硬化層沿齒廓存在理想的參與壓應(yīng)力分布，使高速齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸強(qiáng)度顯著提高，從而使齒輪的承載能力也得到了大幅度的提高。齒輪齒面校核常發(fā)生在高速重載場合，當(dāng)齒輪表面受較高載荷和較高的齒間滑動速度作用時，齒面接觸區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱會引起局部的瞬間溫度升高，潤滑油黏度變稀，油膜厚度降低，導(dǎo)致潤滑油膜破裂，兩齒面金屬直接接觸，摩擦加劇且局部發(fā)生熔化焊合，熔化焊合后隨著相對滑移而撕裂，導(dǎo)致齒面沿滑移方向產(chǎn)生了特殊的溝痕。膠合將致使齒輪漸開線形狀嚴(yán)重破壞，使傳動質(zhì)量急劇下降，摩擦功率損失不斷增大，并使齒面溫度又進(jìn)一步升高。齒面膠合引起的振動使齒輪遭受較大的動載荷，從而降低了彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。
齒輪強(qiáng)度校核的一般步驟：根據(jù)給定的工作條件，選取合適的齒輪材料和熱處理方案，確定齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力和彎曲疲勞許用應(yīng)力；根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定齒輪模數(shù)或小齒輪分度圓直徑；選擇齒輪的主要參數(shù)并計(jì)算主要幾何尺寸；校核齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度或齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
采用并車雙軸輸入可降低輸入軸傳扭能力需求，從而降低齒輪承受的載荷。因此，采用并車雙軸輸入是實(shí)現(xiàn)技術(shù)可行性的重要途徑。
軸瓦線速度和軸承比壓：軸承的設(shè)計(jì)選型是齒輪箱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作，軸承軸瓦線速度和軸承比壓是影響大功率高增速比齒輪箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。為降低設(shè)計(jì)難度，綜合考慮各項(xiàng)限制條件，軸承軸瓦線速度應(yīng)控制在120m/s以下，軸承比壓控制在3MPa以下。基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上述軸瓦線速度和軸承比壓可實(shí)現(xiàn)，但需針對軸承的綜合要求進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。
轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析：轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析為齒輪箱傳動系的設(shè)計(jì)提供動力學(xué)依據(jù)，一般大功率高速齒輪箱針對傳動系轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的要求如下：（1）系統(tǒng)工作頻率及其他特征頻率應(yīng)遠(yuǎn)離各階固有頻率；（2）二階固有頻率應(yīng)是一階固有頻率的2倍以上，以后各階相鄰固有頻率之比≥1.3，且分布相對合理；（3）振型圖的節(jié)點(diǎn)不允許位于齒輪上；（4）扭矩放大系數(shù)不大于 2.5。
封嚴(yán)設(shè)計(jì)：高速齒輪箱軸承座和輸入輸出軸封之間留有足夠的軸向距離，當(dāng)齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，從軸瓦留出的大部分潤滑油落到軸承座和軸封之間的空間，流回箱體中。
采用多道迷宮篦齒封嚴(yán)可有效實(shí)現(xiàn)滑油封嚴(yán)，該技術(shù)在齒輪箱設(shè)計(jì)中較為常見。在迷宮篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中，通過設(shè)置回油孔回油至箱體內(nèi)，保證軸端無泄漏。同時，迷宮篦齒封嚴(yán)是非接觸式密封，端蓋內(nèi)孔帶有鋸齒形環(huán)槽，既可以防止油和油氣向箱體外部泄露，又可防止外來物侵入箱體。
箱體變形控制：箱體用來支撐和固定軸系零件的基礎(chǔ)部件，箱體具有足夠的剛度是內(nèi)部齒輪和軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。大尺寸齒輪箱箱體一般采用鑄造或焊接工藝，以焊接較為常見。在選擇箱體制造工藝時需要充分考慮箱體剛性，進(jìn)行有限元分析，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分布確定支撐肋板的位置、厚度及相應(yīng)焊縫的位置。
預(yù)計(jì)齒輪箱箱體長度約7m，高度約3m，寬度約2m。因箱體尺寸巨大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮供加工、裝配、運(yùn)輸、存儲、安裝及維修時找正的基準(zhǔn)面。
齒輪修形：高速齒輪由于制造和安裝誤差、齒輪的彈性變形、扭轉(zhuǎn)變送和熱膨脹等因素，使得齒輪在嚙合過程中不可避免地產(chǎn)生了沖擊、振動和偏載。變形會造成齒輪一端偏載，嚴(yán)重時將影響齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因高速齒輪溫度分布具有溫度高且沿齒寬分布不均勻的特點(diǎn)，從而引起熱膨脹量不均勻致使螺旋形偏差，因此即使在裝配時齒面接觸均勻，但在運(yùn)轉(zhuǎn)時載荷沿齒寬的分布仍會不均勻。
如果僅從提高齒輪制造和安裝精度方面考慮改善齒輪的運(yùn)動品質(zhì)，必然會顯著增加齒輪的制造成本。要使高速齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，減少由齒輪所受載荷導(dǎo)致的變形和制造誤差引起的嚙合沖擊，并改善齒面的潤滑狀況及獲得較為均勻的載荷分布，則需對高速齒輪進(jìn)行修形。
高速齒輪齒形修形一般在小齒輪上進(jìn)行，而配對的大齒輪不進(jìn)行修形。齒形修形量大小主要取決于齒輪的負(fù)載及制造精度。同時，在并車雙軸輸入時，良好的齒輪修形將使得齒輪箱取得較好的降噪和減振效果。
齒輪精度的選?。?/strong>一般而言，齒輪的線速度越高，齒輪需要的精度也越高， 齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的噪聲就越小。API613 按齒輪轉(zhuǎn)速規(guī)定了相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。此外，齒輪的制造成本與齒輪的精度密切相關(guān)，因此選擇一個合適的制造精度尤其重要。參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到對齒輪箱使用中存在快速升降轉(zhuǎn)速等情況，為保證齒輪箱在此惡劣的交變工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪精度選取 4 級精度可基本滿足需求。
03齒輪箱壽命的影響因素該項(xiàng)目 100MW 等級齒輪箱為非標(biāo)定制產(chǎn)品，應(yīng)用于非標(biāo)旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械試驗(yàn)件試驗(yàn)，試驗(yàn)工況范圍寬泛，且試驗(yàn)工況較為復(fù)雜，而復(fù)雜的應(yīng)用工況是影響齒輪箱壽命的關(guān)鍵因素。
軸承作為齒輪箱的主要承力部件，工作環(huán)境惡劣，承受載荷復(fù)雜，其是影響齒輪箱壽命的主要零件。在應(yīng)用維護(hù)中，應(yīng)關(guān)注并保證齒輪、軸承的滑油質(zhì)量，監(jiān)控并限制軸承溫度。使用過程中，在不發(fā)生滑油斷油、油品失效和特殊工況突變等情況下，軸承軸瓦的壽命可保證 5 ～ 10 年。
鑒于該項(xiàng)目100MW等級齒輪箱使用中試驗(yàn)工況的復(fù)雜性和實(shí)際滑油潤滑條件，軸承軸瓦在實(shí)際使用過程中難免承受瞬時載荷沖擊造成損傷，將軸承作為易損件進(jìn)行備份是常用措施。
04結(jié)束語綜上所述，文章通過對大功率高速齒輪箱設(shè)計(jì)、制造、裝配中主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和加工精度，保證了齒輪箱穩(wěn)定可靠運(yùn)行，降低了齒輪箱振動和噪聲，保障了齒輪箱使用壽命，從而分析確定了該項(xiàng)目100MW等級齒輪箱的技術(shù)可行性。
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歷 史變速箱齒輪加工自動生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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