杜海新

（江陰齒輪箱制造有限公司，江蘇 江陰 214437）

工業(yè)用齒輪箱的訂購(gòu)條件及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和理論綜述

Industrial gearbox ordering conditions and corresponding design methods and theory summary

杜海新

（江陰齒輪箱制造有限公司，江蘇 江陰 214437）

由于目前我國(guó)針對(duì)工業(yè)齒輪箱的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不足和落后，因此如何確定齒輪箱的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于買賣雙方能否達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)十分重要。本文對(duì)工業(yè)用閉式齒輪裝置的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和文件、齒輪強(qiáng)度的通用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的介紹和分類歸納，并對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)提出了自己的見解。

齒輪箱；訂購(gòu)條件；齒輪強(qiáng)度；計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

齒輪箱是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵零部件，在某些場(chǎng)合甚至是核心零部件，因此齒輪箱的買賣雙方對(duì)齒輪箱的選用都十分關(guān)注。對(duì)于買方來說，如何經(jīng)濟(jì)、合理的訂購(gòu)一臺(tái)運(yùn)行可靠的齒輪箱一直是其關(guān)心的主要問題；對(duì)于賣方來說，如何合理的設(shè)計(jì)、制造符合客戶需求的齒輪箱以提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是其主要關(guān)心的問題。從這個(gè)角度看，雙方的關(guān)切是相同的，因此也就有必要對(duì)這個(gè)雙方所關(guān)注的共同問題進(jìn)行探討。

關(guān)于如何選擇齒輪箱，目前有很多種方法和途徑，其中最主要的方法就是依照各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來選擇。就我國(guó)目前的現(xiàn)狀來看，采用這個(gè)方法來選擇齒輪箱的還寥寥無幾，這是由很多原因造成的，一是由于長(zhǎng)期以來我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展相對(duì)緩慢，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)更新緩慢導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)落后，不能符合目前的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，或者在某些領(lǐng)域無適用標(biāo)準(zhǔn)可循；再者，目前即使是一些最新的標(biāo)準(zhǔn)也是翻譯多年前的ISO標(biāo)準(zhǔn)后等同或修改采用作為國(guó)標(biāo)或行標(biāo)的，與國(guó)際現(xiàn)行的主流標(biāo)準(zhǔn)有很大差距，且這些標(biāo)準(zhǔn)覆蓋度小，知道這些標(biāo)準(zhǔn)的人少，使用的就更少了。再一個(gè)就是我們的齒輪箱采購(gòu)方，由于大多不是來自齒輪箱行業(yè)，對(duì)齒輪產(chǎn)品本身知之甚少，所以一般也很少能提出來完整的訂貨要求，這也給合理的設(shè)計(jì)和選擇齒輪箱埋下了隱患。總的來說，在選擇齒輪箱時(shí)，買賣雙方對(duì)所訂購(gòu)的齒輪箱是否“合適”具有同等重要的作用。

為了使買賣雙方能更好的了解齒輪箱的設(shè)計(jì)、制造、選型、使用等方面的特點(diǎn)，形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，更合理的選用和設(shè)計(jì)齒輪箱，本文對(duì)目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)齒輪傳動(dòng)方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作了初步的分析和論述，以供買賣雙方參考。限于筆者的經(jīng)驗(yàn)及水平有限，文中錯(cuò)誤之處在所難免，歡迎批評(píng)指正。

1 工業(yè)用閉式齒輪裝置的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和文件

目前工業(yè)中所采用的絕大多數(shù)齒輪裝置都是閉式齒輪裝置（Enclosed gear drives），且小齒輪的輸入轉(zhuǎn)速不大于4 500 r/min，齒輪的節(jié)圓線速度不大于 35 m/s，這種齒輪傳動(dòng)裝置統(tǒng)稱為工業(yè)用閉式齒輪傳動(dòng)裝置（Enclosed gear drives for industrial applications）。該類型的齒輪裝置目前還沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，下面對(duì)該類齒輪箱的現(xiàn)狀及適用于該類齒輪箱的一些國(guó)際、國(guó)內(nèi)文件做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

（1） ISO/TR 13593:1999 Enclosed gear drives for industrial applications

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，簡(jiǎn)稱ISO）下屬的專門負(fù)責(zé)各種齒輪標(biāo)準(zhǔn)制定的第60技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC60，以下簡(jiǎn)稱TC60）于1999年發(fā)布了一個(gè)技術(shù)報(bào)告（technical report），即：ISO/ TR 13593：1999——Enclosed gear drives for industrial applications ，到目前為止還僅僅是個(gè)技術(shù)報(bào)告，還沒有形成ISO的標(biāo)準(zhǔn)，但其中論述的絕大多數(shù)內(nèi)容已被各國(guó)所采用。

（2） GB/Z 19414—2003工業(yè)用閉式齒輪傳動(dòng)裝置

該文件是一個(gè)指導(dǎo)性文件，同樣不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。該指導(dǎo)性文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出，等同采用了ISO的技術(shù)報(bào)告——ISO/TR 13593:1999，也就是將該技術(shù)報(bào)告翻譯成漢語，由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2003年發(fā)布，成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件。該文件不具強(qiáng)制性，僅作為相關(guān)方約定參照的技術(shù)依據(jù)使用。

（3）ANSI/AGMA 6113-A06 Standard for industrial enclosed gear drives

這是一個(gè)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，它的內(nèi)容和ISO/ TR 13593:1999基本一致。該標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)齒輪制造者協(xié)會(huì)（American Gear Manufacturers Association，以下簡(jiǎn)稱AGMA）于2000年提出，2006年3月成為AGMA標(biāo)準(zhǔn)，2006年4月經(jīng)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（American National Standards Institute，簡(jiǎn)稱ANSI）批準(zhǔn)成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（American National Standard）。

可以看出，目前我們常用的幾個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)中，在工業(yè)閉式齒輪箱的訂購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)上，只有美國(guó)一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余兩個(gè)還未形成標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上給國(guó)內(nèi)的齒輪箱買賣雙方造成了一定的障礙。不過，從另一個(gè)方面來講，這三個(gè)文件的實(shí)質(zhì)內(nèi)容都大致相同，遵循任何一個(gè)文件都會(huì)取得大致同樣的效果，因此采購(gòu)方在采購(gòu)齒輪箱時(shí)，最好能指定以上任何一個(gè)文件作為采購(gòu)的依據(jù)，以便雙方都清楚采購(gòu)的基本條件。

下面對(duì)這三個(gè)技術(shù)性文件的主要內(nèi)容做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

（1）適用范圍：小齒輪的輸入轉(zhuǎn)速不大于4 500 r/min且齒輪的節(jié)圓線速度不大于35 m/s的平行軸和正交軸圓柱、螺傘齒輪傳動(dòng)，不包含行星齒輪傳動(dòng)、交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)。

（2）設(shè)計(jì)壽命：使用系數(shù)KA=1時(shí)，齒輪壽命：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 000 h，軸承壽命L10=5 000 h；齒輪最小安全系數(shù)：接觸強(qiáng)度SHmin=1，彎曲強(qiáng)度SFmin=1.2（說明：ANSI/AGMA 6013-A06中是按照服務(wù)系數(shù)（service factor）Ksf=1 來設(shè)計(jì)的，關(guān)于這個(gè)服務(wù)系數(shù)和使用系數(shù)的不同在后續(xù)章節(jié)論述）

（3）熱功率：在無任何附加冷卻措施的情況下，熱功率的計(jì)算條件是：

油箱溫度：95 ℃；環(huán)境溫度：25 ℃；空氣流動(dòng)速度：≤1.4 m/s；空氣密度：海平面空氣密度；運(yùn)行條件：連續(xù)運(yùn)行。

（4）齒輪箱的選用：附錄中給出了各個(gè)工況下的選用系數(shù)或服務(wù)系數(shù)，同時(shí)對(duì)這些系數(shù)做出說明，指出了使用這些系數(shù)的條件。

以上可以看出，對(duì)于工業(yè)閉式齒輪箱，除非另有說明外，其設(shè)計(jì)制造條件是有參考依據(jù)的，如果我們的設(shè)計(jì)制造方和采購(gòu)方不清楚這些文件或內(nèi)容，籠統(tǒng)的說我要訂購(gòu)或設(shè)計(jì)什么齒輪箱，會(huì)造成對(duì)我們所設(shè)計(jì)或采購(gòu)的產(chǎn)品心中沒數(shù)，可靠度得不到統(tǒng)一的保障。因此，在訂購(gòu)一般工業(yè)用齒輪箱時(shí)，要在技術(shù)說明上明確訂購(gòu)的齒輪箱應(yīng)符合什么標(biāo)準(zhǔn)或文件的要求。

2 齒輪強(qiáng)度的通用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

除了齒輪箱的整體技術(shù)文件或標(biāo)準(zhǔn)外，我們?cè)谠O(shè)計(jì)或訂貨時(shí)還會(huì)牽涉到另外一個(gè)重要問題——齒輪強(qiáng)度的計(jì)算方法，對(duì)應(yīng)第一節(jié)所述的三個(gè)齒輪箱的技術(shù)文件或標(biāo)準(zhǔn)，在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系里，對(duì)應(yīng)有三個(gè)齒輪強(qiáng)度的計(jì)算方法，分別是：

（1）ISO 6336：Calculation of load capacity of spur and helical gears

該標(biāo)準(zhǔn)目前包含5部分，分別是：

ISO 6336-1:2007 Basic principles，introduction and general influence factors

ISO 6336-2:2006 Calculation of surface durability（pitting）

ISO 6336-3:2006 Calculation of tooth bending strength

ISO 6336-5:2003 Strength and quality of materials

ISO 6336-6:2006 Calculation of service life under variable load

這個(gè)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的母型是德國(guó)的DIN3990（因?yàn)樽钤鏘SO/TC60的組長(zhǎng)國(guó)是德國(guó)），并同時(shí)吸收和借鑒了如美國(guó)AGMA等標(biāo)準(zhǔn)的一些內(nèi)容，最終形成了ISO6336。它的計(jì)算方法和原則與DIN3990一脈相承，對(duì)于齒輪強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果以安全系數(shù)的方法作為可靠度的考量，同時(shí)對(duì)于不同的使用工況，引入了使用系數(shù)（application factor）KA這個(gè)概念，用以修正計(jì)算的名義載荷。對(duì)于強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果以SH（接觸強(qiáng)度安全系數(shù)）和SF（彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)）來表達(dá)。

需要說明的是，以上所述的強(qiáng)度，在沒其他說明的情況下都是指疲勞強(qiáng)度，當(dāng)然，對(duì)于靜強(qiáng)度的計(jì)算方法，該標(biāo)準(zhǔn)也作出了說明。既然是疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命，那么都是和時(shí)間有關(guān)系的參數(shù)，所以強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果SH和SF必須指明是在運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間下的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。對(duì)于時(shí)間的概念，該標(biāo)準(zhǔn)中是以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL和壽命系數(shù)ZNT和YNT來表達(dá)的，即：在一定的載荷和一定的齒輪材料性能確定的情況下，通過修正材料的疲勞強(qiáng)度極限σHlim和σFlim來修正許用的疲勞強(qiáng)度值，從而得出在該應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，在NL≤10的10次方的載荷應(yīng)力循環(huán)下，ZNT的數(shù)值處于0.85～1.6的范圍內(nèi)，YNT的數(shù)值處于0.85～2.5的范圍內(nèi)。

在齒輪的材料性能、載荷、運(yùn)行狀況一定的情況下，從該標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)的計(jì)算方法中可以得出如下關(guān)系式：

即：ZNT和YNT的值越大，相應(yīng)的安全系數(shù)SH和SF的值就越大。安全系數(shù)越大，就代表越安全。

但這個(gè)安全系數(shù)是有前提條件的，即：在多久的使用時(shí)間內(nèi)的安全系數(shù)；如果不考慮使用時(shí)間，單純的看安全系數(shù)SH和SF的數(shù)值，僅僅壽命系數(shù)（ZNT、YNT）一個(gè)參數(shù)對(duì)SH和SF的數(shù)值的影響將會(huì)有近（2.5/0.85）×100%≈300%的出入。

圖1 用于計(jì)算接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)ZNT

圖2 用于計(jì)算完全強(qiáng)度的壽命系數(shù)YNT

在一定的S-N曲線下，計(jì)算壽命系數(shù)所使用的應(yīng)力循環(huán)系數(shù)NL按下式計(jì)算：

式中：

k——齒輪每運(yùn)行一轉(zhuǎn)時(shí)，輪齒的某一側(cè)齒面參與嚙合的次數(shù)；

n——齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

h——連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的設(shè)計(jì)壽命，h。

從式（2）中可以得出，在不同的設(shè)計(jì)壽命h下對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL，且h∝NL，從圖1、圖2可以得出，NL反比于ZNT和YNT，再通過式（1）可以得出h反比于SH和SF，即：在齒輪各相關(guān)參數(shù)確定的情況下，運(yùn)行時(shí)間h越長(zhǎng)，安全系數(shù)SH和SF越??；運(yùn)行時(shí)間越短，安全系數(shù)越高。

這就是說，在訂貨雙方作技術(shù)約定的時(shí)候，必須明確在多久的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)需要達(dá)到多少的安全系數(shù)，而不是僅僅籠統(tǒng)的約定安全系數(shù)的數(shù)值。

（2）GB/T 3480—97 漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法

該計(jì)算方法是我們國(guó)內(nèi)常用的計(jì)算方法，它等效采用了ISO 6336-1～6336-3：1996的計(jì)算方法，也就是將1996年版本的ISO6336的前3部分翻譯成漢語后融合成為了一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)GB/T 3480—97。該標(biāo)準(zhǔn)由當(dāng)時(shí)的中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部提出，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1997年12月發(fā)布，1998年7月實(shí)施。

目前，該標(biāo)準(zhǔn)還是我國(guó)正在執(zhí)行的有效標(biāo)準(zhǔn)，也就是說我們還在使用近20年前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)更新至ISO6336：2006版了，而且最近幾年該標(biāo)準(zhǔn)有可能再次更新為2016版。

非常有意思的是在2008年我國(guó)又發(fā)布了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3480.5—2008 《直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算 第5部分：材料的強(qiáng)度和質(zhì)量》。初看標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)就讓人摸不著頭腦，因?yàn)楝F(xiàn)行的GB3480并沒有分第1～4部分，怎么突然就冒出個(gè)第5部分了？再看內(nèi)容就明白了，實(shí)際就是將ISO 6336-5：2003翻譯成了漢語，接下去就是標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)不好取了，于是就根據(jù)翻譯的母版取了個(gè)代號(hào)GB/T 3480.5—2008，并且代替了GB/T 8539—2000。

筆者不推薦使用該標(biāo)準(zhǔn)作為買賣雙方約定計(jì)算齒輪強(qiáng)度的依據(jù)，除非在所處的行業(yè)或領(lǐng)域沒有相應(yīng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。原因是：該標(biāo)準(zhǔn)翻譯自ISO 6336，相對(duì)于國(guó)際上其他國(guó)家的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)來說，ISO6336對(duì)于齒輪的計(jì)算是最復(fù)雜的。這在日本著名齒輪學(xué)者仙波正莊所著的《齒輪強(qiáng)度計(jì)算》一書中有詳細(xì)的論述和說明。也就是說ISO6336中的很多計(jì)算系數(shù)通過簡(jiǎn)單計(jì)算是很難算出來相對(duì)精確的數(shù)值的。當(dāng)然，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)幫助我們解決了該問題，但是前提條件是必須有與該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的可靠的計(jì)算軟件才能實(shí)現(xiàn)。而目前的現(xiàn)狀是，國(guó)內(nèi)還沒有被大家公認(rèn)的一個(gè)可靠的計(jì)算軟件來對(duì)應(yīng)GB 3480作相應(yīng)的計(jì)算，甚至于很多單位的計(jì)算都是個(gè)人自編Excel表格來計(jì)算，其中很多計(jì)算系數(shù)的取值只能是大約值或估計(jì)值?？上攵?，計(jì)算結(jié)果的可靠度有多低，同時(shí)也造成買方無法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，易產(chǎn)生技術(shù)糾紛。

而對(duì)于GB 3480的母版ISO 6336，國(guó)際上則有很多經(jīng)過認(rèn)證的計(jì)算軟件，這些軟件的計(jì)算可靠度有一定的保障。因此，筆者認(rèn)為，既然GB 3480和ISO 6336完全相同，且ISO 6336的計(jì)算又有可靠的計(jì)算軟件支撐，那么我們何不在作技術(shù)約定的時(shí)候就以ISO 6336作為約定呢？這樣一來技術(shù)約定和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算報(bào)告完全相符，豈不是減少了很多貿(mào)易和技術(shù)糾紛。

（3）ANSI/AGMA 2101-D04 Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spur and Helical Gear Teeth

該標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）于2004年發(fā)布的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定者為美國(guó)齒輪制造者協(xié)會(huì)（AGMA），該標(biāo)準(zhǔn)是ANSI/AGMA 2001—D04（英制）的公制版本。

美國(guó)的齒輪標(biāo)準(zhǔn)都是由美國(guó)齒輪制造者協(xié)會(huì)（AGMA）制定的。在齒輪強(qiáng)度計(jì)算方面，雖然基礎(chǔ)理論和ISO/TC 60的相同（即在判斷接觸強(qiáng)度時(shí)以海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）的赫茲接觸應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，在判斷彎曲強(qiáng)度時(shí)以威爾弗雷德·路易斯（Wilfred Lewis）懸臂梁理論為基礎(chǔ)），但具體的計(jì)算方法和對(duì)原始模型的修正方法并不相同。關(guān)于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比較和研究，早在20世紀(jì)80～90年代已有許多詳細(xì)論著，如美國(guó)著名齒輪學(xué)者達(dá)德利（Dudley）在其著作《Handbook of Practical Gear Design》中進(jìn)行了比較研究，日本機(jī)械學(xué)會(huì)（JSME）在其編著的《齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)資料》中也進(jìn)行了詳細(xì)的比較與研究，筆者在此不再贅述。

需要特別說明的是，很多人混淆了ISO和AGMA這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的兩個(gè)系數(shù)，即ISO6336中的使用系數(shù)（application factor）KA和AGMA2101中的服務(wù)系數(shù)（service factor）SF（CSF和KSF）。在ISO 6336-1中，使用系數(shù)KA的定義為“用于調(diào)整名義載荷以補(bǔ)償外部影響因素給齒輪增加的那部分載荷的系數(shù)”，并且進(jìn)一步說明“這個(gè)額外增加的載荷大大取決于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的特性、系統(tǒng)（包括軸系和聯(lián)軸器）的慣量與剛性”，也就是說，這個(gè)使用系數(shù)KA僅是用來修正計(jì)算所使用的名義載荷的。并且在ISO 6336-6的信息性附錄A、B、C中進(jìn)一步對(duì)使用系數(shù)KA作了詳細(xì)的解釋和說明，即KA是“用來確定當(dāng)量載荷和名義載荷的比例”的，同時(shí)指出在載荷譜確定的情況下，推薦使用Miner法計(jì)算當(dāng)量載荷，以確定使用系數(shù)KA，并給出了算例。而在AGMA 2101中，并沒有使用系數(shù)KA這個(gè)概念，在最近幾年版本的AGMA 2101標(biāo)準(zhǔn)中，為了國(guó)際貿(mào)易的需要，AGMA向ISO標(biāo)準(zhǔn)作了一定的靠近，具體反應(yīng)在，對(duì)于齒輪強(qiáng)度，實(shí)際提供了兩類判斷方法：一類就是類似ISO的強(qiáng)度判斷法，引入了一個(gè)系數(shù)——過載系數(shù)（overload factor）Ko，同時(shí)引入了安全系數(shù)SH和SF，從定義看，這里的過載系數(shù)Ko就相當(dāng)于ISO中的KA，安全系數(shù)SH、SF和ISO的定義一樣。另一類判斷方法就是AGMA傳統(tǒng)的強(qiáng)度判斷法，即：服務(wù)系數(shù)法，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這個(gè)方法也做了保留，并且做出如下說明“服務(wù)系數(shù)在以前的AGMA標(biāo)準(zhǔn)中一直被使用，它是一個(gè)復(fù)合系數(shù)，包含了過載、可靠度、壽命以及其他相關(guān)的應(yīng)用系數(shù)”，并進(jìn)一步明確本標(biāo)準(zhǔn)即AGMA2101-D04中該服務(wù)系數(shù)包含“載荷變動(dòng)量（過載系數(shù)Ko），S-N曲線數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)偏差（可靠度系數(shù)YZ），設(shè)計(jì)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（應(yīng)力循環(huán)系數(shù)ZN和YN）”，同時(shí)也說明AGMA服務(wù)系數(shù)是通過各個(gè)特定領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)獲得的，附錄中的數(shù)值僅作為參考使用。

那么，ISO中的使用系數(shù)KA和AGMA中的服務(wù)系數(shù)CSF和KSF有什么換算關(guān)系呢？實(shí)際上他們的近似關(guān)系在ISO 13593—1999中已經(jīng)作了說明；在ISO1 3593—1999中提出了另外一個(gè)系數(shù)，叫選用系數(shù)Ksf（selection factor），從對(duì)這個(gè)系數(shù)的描述看，它和AGMA中的服務(wù)系數(shù)就是一個(gè)概念，而且該標(biāo)準(zhǔn)附錄的表格中的選用系數(shù)Ksf的數(shù)值就是引用AGMA的服務(wù)系數(shù)的數(shù)值。

在ISO 13593—1999標(biāo)準(zhǔn)中給出的他們的近似關(guān)系式如圖3所示。

In addition to the tables， Ksf can also be determined by the approximate relationship:

For pitting resistance，

For bending:

這里面的第一個(gè)公式中的Ksf就相當(dāng)于AGMA標(biāo)準(zhǔn)中的反應(yīng)接觸強(qiáng)度的CSF，第二個(gè)公式中的Ksf就相當(dāng)于AGMA標(biāo)準(zhǔn)中反應(yīng)彎曲強(qiáng)度的KSF。整個(gè)齒輪副的服務(wù)系數(shù)SF就是CSF和KSF這兩個(gè)值中最小的那個(gè)。

由此我們可以得出，ISO中的使用系數(shù)KA和AGMA中的服務(wù)系數(shù)SF的概念是不同的，不能將這兩個(gè)系數(shù)混為一談。尤其在做技術(shù)約定時(shí)，如果要求的是服務(wù)系數(shù)SF，那么需要按照AGMA的計(jì)算方法來進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計(jì)算；反之，如果要求在給定的使用系數(shù)KA情況下的安全系數(shù)SH和SF，那么必須注明采用ISO 6336或DIN 3990來進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計(jì)算。

（注：雖然AGMA 2101也可以進(jìn)行給定Ko情況下的SH和SF計(jì)算，但由于其公式中的多數(shù)計(jì)算系數(shù)和ISO、DIN有較大差別，所以其計(jì)算結(jié)果和ISO、DIN沒有可比性，因此在沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，實(shí)際應(yīng)用較困難；所以如果使用AGMA計(jì)算方法，筆者不推薦采用SH和SF的判斷依據(jù)。）

3 工業(yè)用齒輪的強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)用齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)就是通用齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其計(jì)算方法及計(jì)算原理與通用齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)沒有區(qū)別，只是規(guī)定了在工業(yè)用齒輪領(lǐng)域的計(jì)算系數(shù)的選取方法，其計(jì)算過程及公式還是通用齒輪強(qiáng)度計(jì)算的過程及公式。目前在應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)主要如下：

（1）ISO 9085：2002 Calculation of load capacity of spur and helical gears—Application for industrial gears

該標(biāo)準(zhǔn)和ISO 6336的齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法相同，只是規(guī)定了在工業(yè)用齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算中，特別適用于該領(lǐng)域的各個(gè)計(jì)算系數(shù)的取值方法。

（2）GB/T 19406—2003 漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法

該標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，等同采用了ISO 9085:2002，也就是ISO 9085的漢譯版。

雖然該兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，但筆者不推薦使用，因?yàn)樵搩蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法都是ISO 6336-1996，這個(gè)版本已經(jīng)被ISO 6336-2006代替了，屬于落后標(biāo)準(zhǔn)，因此不推薦使用。而且長(zhǎng)期以來我們?cè)陔p方的技術(shù)約定中也很少提及這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以它們可以僅作為齒輪設(shè)計(jì)者的參考文獻(xiàn)使用比較恰當(dāng)。

4 齒輪箱的采購(gòu)說明

在我們了解了以上的一些設(shè)計(jì)和采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)后，接下來就是要解決如何采購(gòu)一個(gè)及經(jīng)濟(jì)又合理的齒輪箱。這實(shí)際上需要買賣雙方的共同努力。一方面，在齒輪箱的設(shè)計(jì)和訂購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中多處作了特別說明：有很多設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)是需要買賣雙方共同協(xié)商確定的；如在ISO 6336中的指出：使用系數(shù)KA，設(shè)計(jì)壽命、安全系數(shù)SH和SF是需要買賣雙方協(xié)商后達(dá)成一致協(xié)定的；同樣的在AGMA2101中也指出：服務(wù)系數(shù)和設(shè)計(jì)壽命需要買賣雙方共同商定。

這里要需要說明的是“設(shè)計(jì)壽命”這個(gè)概念。我們知道任何一個(gè)物體都有壽命，我們以前常說的“無限壽命”實(shí)際是不存在的，這從圖1、圖2的壽命曲線中就可以看出來，循環(huán)齒數(shù)越多，壽命系數(shù)越低。同時(shí)也要說明的是這里所說的設(shè)計(jì)壽命是連續(xù)工作的壽命，比如說：一個(gè)齒輪裝置一天工作8 h，一年工作300 d，如果要求設(shè)計(jì)壽命為10 a，那么的累計(jì)工作時(shí)間為：8×300×10=24 000 h；對(duì)于齒輪箱設(shè)計(jì)者來說，如果客戶提出了上述要求，也就明確了設(shè)計(jì)壽命為：24 000 h；當(dāng)然，不是說使用時(shí)間超過24 000 h齒輪就會(huì)壞掉，而是說超過設(shè)計(jì)壽命后設(shè)備的可靠度會(huì)降低，至于說能降低多少，這實(shí)際是個(gè)概率問題，也就是設(shè)計(jì)時(shí)的可靠度問題。對(duì)于一般工業(yè)用齒輪的設(shè)計(jì)可靠度是99%，也就是說即使在設(shè)計(jì)的壽命時(shí)間內(nèi)，也有1%的概率會(huì)損壞的，以目前的工業(yè)水平，在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)如果要提高可靠度只能選用更大的齒輪箱，但可靠度永遠(yuǎn)不可能達(dá)到100%，選用的齒輪箱越大只能是無限接近100%而已?，F(xiàn)在回頭再看剛才的問題，不難理解，超出設(shè)計(jì)壽命的可靠度有多高，目前還無法給出具體數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，為了提高可靠度而選用過大的齒輪箱是不經(jīng)濟(jì)的，因此，如何選擇既經(jīng)濟(jì)又可靠的齒輪箱，需要具體問題具體分析；比如說：用在橡膠工業(yè)的齒輪箱，它的工作狀況基本是1 d連續(xù)工作24 h，一年工作300 d，客戶希望的設(shè)計(jì)壽命是“越長(zhǎng)越好”，雖然這個(gè)“越長(zhǎng)越好”的提法缺乏合理性，但也是真是的采購(gòu)期望；接下來就會(huì)出現(xiàn)幾種情況：有的齒輪箱設(shè)計(jì)單位認(rèn)為達(dá)到3 a（21 600 h）就達(dá)到“長(zhǎng)”了，有的單位則認(rèn)為達(dá)到5 a（36 000 h）就達(dá)到“長(zhǎng)”了，還有的單位則認(rèn)為達(dá)到10 a（72 000 h）才算“長(zhǎng)”；這些對(duì)“越長(zhǎng)越好”的不同認(rèn)識(shí)造成了設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品大小各異；但不得不說的是：設(shè)計(jì)壽命短的就一定會(huì)壞嗎？也不一定，如上一段所述，這是個(gè)概率問題，只能說可靠度比較低，壞的概率很高而已。這對(duì)齒輪箱的購(gòu)買方有什么影響呢？影響就是：購(gòu)買的產(chǎn)品可靠度不一致，產(chǎn)品的安全使用很難得到保障。

因此，如何才能保障不論從什么單位購(gòu)買齒輪箱都有相同的可靠度呢？這有幾個(gè)方面的問題，拋開原材料的問題、制造的質(zhì)量問題不談，單就“設(shè)計(jì)壽命”這個(gè)因素，就需要采購(gòu)方提出統(tǒng)一的設(shè)計(jì)壽命才能得到解決，怎么提出合理的設(shè)計(jì)壽命，不可一概而論，這需要采購(gòu)方根據(jù)其所處行業(yè)或領(lǐng)域的使用方式和狀況，參照現(xiàn)有的使用經(jīng)驗(yàn)或別人的累積數(shù)據(jù)來確定。

不管一個(gè)采購(gòu)方如何制定采購(gòu)說明，通常都應(yīng)該包括如下基本信息：

① 使用場(chǎng)合及工作制度

② 原動(dòng)機(jī)的類型（電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、渦輪機(jī)）及參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速）

③ 載荷的類型（服務(wù)系數(shù)，沖擊振動(dòng)程度）

④ 要求的設(shè)計(jì)壽命

下面是某公司某種冶金領(lǐng)域用齒輪箱的訂貨要求里面對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)要求，如表1。

表1 某公司對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)要求

當(dāng)然，該公司是一個(gè)國(guó)際知名跨國(guó)公司，他們對(duì)要采購(gòu)的該類齒輪箱提出了十分詳細(xì)的要求，可能我們國(guó)內(nèi)的采購(gòu)方目前還做不到這一點(diǎn)。當(dāng)然，如果采購(gòu)方無法提供這些數(shù)據(jù)，那么作為齒輪箱的設(shè)計(jì)制造方也有義務(wù)告知自己設(shè)計(jì)時(shí)所使用的這些參數(shù)，使買賣雙方對(duì)要交易的產(chǎn)品有充分的認(rèn)知。

5 結(jié)束語

既經(jīng)濟(jì)又合理的訂購(gòu)和設(shè)計(jì)制造一個(gè)運(yùn)行可靠的齒輪箱是一項(xiàng)繁冗而復(fù)雜的工作；目前在訂購(gòu)和設(shè)計(jì)制造雙方都存在對(duì)技術(shù)說明模糊不清的地方，尤其是在設(shè)計(jì)、采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)壽命、要求的可靠度等方面缺乏清晰的約定，不但使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)“既經(jīng)濟(jì)又合理”變得困難，同時(shí)也必然會(huì)給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)，給買賣雙方日后的糾紛埋下隱患。當(dāng)然，一個(gè)設(shè)備能否安全可靠的運(yùn)行，還和設(shè)備制造方的設(shè)計(jì)、制造工藝水平，設(shè)備在工作現(xiàn)場(chǎng)是否進(jìn)行了正確的安裝、調(diào)試，以及設(shè)備在使用中的維護(hù)和保養(yǎng)等很多因素有密切的關(guān)系。

筆者此文的目的僅僅是對(duì)買賣雙方在訂購(gòu)和設(shè)計(jì)過程中一些容易遺漏和混淆的重要技術(shù)條件或要素這部分作了一些簡(jiǎn)單的介紹和說明，希望能引起齒輪箱買賣雙方的重視和關(guān)注，以促進(jìn)日后國(guó)內(nèi)齒輪箱訂購(gòu)和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范性，保障買賣雙方的權(quán)益；同時(shí)也從源頭為經(jīng)濟(jì)合理的訂購(gòu)和設(shè)計(jì)齒輪箱、提高設(shè)備的可靠度創(chuàng)造有利的條件。

［1］ ISO/TC60. ISO/TR 13593:1999 Enclosed gear drives for industrial applications，1999.

［2］ GB/Z 19414-2003工業(yè)用閉式齒輪傳動(dòng)裝置，2003.

［3］ AGMA. ANSI/AGMA 6113-A06 Standard for industrial enclosed gear drives，2006.

［4］ ISO/TC60. ISO 6336 Calculation of load capacity of spur and helical gears，2003～2007.

［5］ GB/T 3480—97 漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法，1997.

［6］ AGMA. ANSI/AGMA 2101-D04 Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spur and Helical Gear Teeth，2004.

［7］ ISO/TC60. ISO 9085：2002 Calculation of load capacity of spur and helical gears—Application for industrial gears，2002.

［8］ GB/T 19406—2003 漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法，工業(yè)齒輪應(yīng)用，2003.

［9］ Darle W. Dudley. Handbook of practical gear design，1983 .

［10］ ［日］仙波正莊. 姜勇 譯. 齒輪強(qiáng)度計(jì)算，1982.

［11］ 日本機(jī)械學(xué)會(huì). 李茹貞，趙清慧 譯. 齒輪強(qiáng)度計(jì)算資料，1984.

（XS-04）

2020年前GCC地區(qū)的塑料產(chǎn)能將增加25%

據(jù)悉，海灣石化和化工協(xié)會(huì)（GPCA）表示，2020年前海灣合作委員會(huì)（GCC）國(guó)家的塑料產(chǎn)能將增加25%達(dá)到3 380萬t/a。GPCA指出，當(dāng)前該地區(qū)的塑料工業(yè)可以生產(chǎn)13種產(chǎn)品，但是到2020年GCC地區(qū)的塑料生產(chǎn)商將可以生產(chǎn)高達(dá)29種的產(chǎn)品。

GPCA表示，2014年GCC國(guó)家的塑料產(chǎn)能增加了6%達(dá)到2 550萬t。沙特是GCC地區(qū)最大的塑料生產(chǎn)國(guó)，2014年的塑料產(chǎn)能估計(jì)為1 830萬t，占該地區(qū)總產(chǎn)能的72%。阿聯(lián)酋是GCC地區(qū)第二大塑料生產(chǎn)國(guó)，占到該地區(qū)塑料總產(chǎn)能的13%。其它GCC國(guó)家包括巴林、科威特、阿曼和卡塔爾。

GPCA秘書長(zhǎng)Abdulwahab Al Sadoun表示：“盡管市場(chǎng)出現(xiàn)波動(dòng)以及競(jìng)爭(zhēng)加劇，但是GCC地區(qū)的塑料制造業(yè)仍然保持增長(zhǎng)的勢(shì)頭。”

龐曉華摘譯自《Chemical Week》

TH132.41

1009-797X（2015）06-0020-08

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.06.003

杜海新（1980-），男，2004年畢業(yè)于河南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)。主要負(fù)責(zé)公司的技術(shù)研發(fā)工作，現(xiàn)任副總工程師，研發(fā)部部長(zhǎng)。

2014-09-19