周炳國ZHOU Bing-guo；夏明偉XⅠA Ming-wei

（杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，杭州 311203）

0 引言

某高速船用齒輪箱經(jīng)過10 年的使用后，其左機(jī)工作油泵連接套實(shí)現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象，但是，右機(jī)連接套磨損程度不明顯，當(dāng)左機(jī)連接套更換后，發(fā)現(xiàn)工作油泵在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)齒輪箱潤滑系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲。此時(shí)，通過拆檢左機(jī)齒輪箱連接套，發(fā)現(xiàn)該機(jī)帶泵所對應(yīng)的端面鍵出現(xiàn)斷裂或者磨損現(xiàn)象，同時(shí)，帶動(dòng)機(jī)帶泵所對應(yīng)的端面鍵卡槽出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，其磨痕達(dá)到了1mm，整個(gè)磨損區(qū)域比較光滑和平整，這無疑增加了油泵的磨損程度，通過拆檢右舷齒輪箱機(jī)帶泵，發(fā)現(xiàn)整個(gè)機(jī)帶泵處于正常狀態(tài)，機(jī)帶泵所對應(yīng)的端面鍵出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，屬于正常磨損，并無大礙。為了確保船用齒輪箱能夠正常、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，現(xiàn)對整個(gè)油泵連接套的失效機(jī)理進(jìn)行全面的分析和研究，使其運(yùn)行可靠性得以大幅度提高，只有這樣，才能獲得較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是，高速船用齒輪箱經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，油泵連接套很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，一旦油泵連接套更換操作不規(guī)范，齒輪箱潤滑系統(tǒng)會(huì)頻繁發(fā)出報(bào)警聲，所以，技術(shù)人員要重視對油泵連接套失效機(jī)理的分析。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)和原理介紹

1.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

齒輪箱始終與異心布置保持垂直關(guān)系，上端為輸入軸，下端為輸出軸。左主機(jī)與右主機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)，降低維修難度，齒輪箱在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要確保齒輪箱結(jié)構(gòu)的相同性。此外，還要利用離合器，對左右舷齒輪箱運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行科學(xué)控制。對于齒輪箱而言，其左機(jī)與右機(jī)的功率傳遞流程存在很大不同，左右機(jī)正車時(shí)主功率傳遞流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 左機(jī)正車時(shí)主功率傳遞流程

圖2 右機(jī)正車時(shí)主功率傳遞流程

1.2 泵連接設(shè)計(jì)

齒輪箱機(jī)帶泵在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主要采用端面鍵連接方式，將聯(lián)軸套與反向軸進(jìn)行有效連接，從而得到合適的聯(lián)軸套連接結(jié)構(gòu)。為了避免端面鍵長時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象，需要采用平鍵連接方式，連接連軸套與油泵一端，采用端面鍵連接方式，連接另一端。另外，還要采用氮化處理的方式，對連軸套好端面鍵進(jìn)行全面處理，使其耐磨性得以大幅度提高。對于機(jī)帶泵而言，其轉(zhuǎn)速、額定功率分別為1800r/min、8.3kW，聯(lián)軸套與端面鍵之間的最大擠壓接觸應(yīng)力達(dá)到了11MPa，其中，聯(lián)軸套和反向軸連接處的最大應(yīng)力分別為55MPa、38MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，此外，聯(lián)軸套和反向軸的安全系數(shù)分別為9.52、18.5，這表明連接部位所對應(yīng)的安全系數(shù)較高，完全符合實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2 連接套損壞原因分析

機(jī)帶泵和聯(lián)軸套在實(shí)際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)磨損壓潰現(xiàn)象，其原因是兩種零件始終處于比較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下。此外，這兩種零件之間的配合間隙較大，無法在同一中心位置上，造成齒輪箱與泵體頻繁碰撞，在這種碰撞力的影響下，端面鍵很容易出現(xiàn)局部壓潰問題。同時(shí)，這兩種零件之間的配合間隙主要是由端面鍵頻繁蠕動(dòng)摩擦產(chǎn)生的。總之，導(dǎo)致油泵連接套出現(xiàn)失效的因素主要包含以下兩種，分別是左右機(jī)油泵軸系、反向軸與機(jī)帶泵對中，接下來，對這兩大因素進(jìn)行全面分析。

2.1 左右機(jī)油泵軸系影響分析

左右舷齒輪箱所對應(yīng)的功能不同，其功率傳遞流程也存在一定的差異。當(dāng)右舷齒輪箱正車處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，反向軸很容易受到齒輪所施加的嚙合力，確保右舷齒輪箱穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。當(dāng)左舷齒輪箱正車處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，反向軸并沒有受到齒輪所施加的嚙合力，因此，該正車所對應(yīng)的擾動(dòng)程度比較高，導(dǎo)致端面鍵與卡槽之間的摩擦程度不斷增加，導(dǎo)致端面鍵與反向軸的間隙變得越來越大。

2.2 在動(dòng)態(tài)條件下反向軸與機(jī)帶泵對中分析

反向軸在實(shí)際工作中，主要依靠機(jī)帶泵進(jìn)行工作，通過采用平鍵的方式，可以確保軸套一端與機(jī)帶泵輸入端之間建立起良好的連接關(guān)系，然后，使用螺釘，對其進(jìn)行加固處理。此外，通過利用端面鍵，可以確保軸套另一端與反向軸之間建立起良好的連接關(guān)系，同時(shí)，端面鍵與卡槽的間隙通常設(shè)置為0.05mm。在此基礎(chǔ)上，通過科學(xué)地控制和調(diào)整端面鍵的配合間隙，可以有效地滿足反向軸的對中設(shè)置要求，使得機(jī)帶泵能夠正常、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。但是，機(jī)帶泵經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，端面鍵與卡槽之間的間隙會(huì)呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，當(dāng)間隙達(dá)到4mm 時(shí)，反向軸與機(jī)帶泵會(huì)出現(xiàn)明顯的不對中問題。

3 失效機(jī)理分析

對于高速船用齒輪箱而言，其油泵連接套失效的誘導(dǎo)因素主要包含以下幾點(diǎn)，分別是端面鍵間隙、端面鍵蠕動(dòng)磨損、油泵軸系擾動(dòng)、端面鍵潤滑。接下來，對這些因素進(jìn)行全面分析。

3.1 端面鍵間隙影響

反向軸與油泵在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)期間，理論上，始終處于同一中心線上，但是，實(shí)際上，由于受到軸承間隙和箱體精確度等因素的影響，導(dǎo)致反向軸與油泵無法在同一軸心線上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，技術(shù)人員要科學(xué)設(shè)置端面鍵間隙[1]，避免因間隙過大、過小而影響最終的補(bǔ)償效果。當(dāng)間隙過小時(shí)，無法取得理想的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，當(dāng)間隙過大時(shí)，將會(huì)降低反向軸與油泵之間的平穩(wěn)性。對于齒輪箱而言，一旦船舶擺動(dòng)幅度較大，將會(huì)增加齒輪油泵運(yùn)轉(zhuǎn)的波動(dòng)性和不平穩(wěn)性，使其在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)期間，頻繁碰撞到端面鍵上，嚴(yán)重影響了油泵的運(yùn)行性能。對于齒輪箱反向軸而言，其軸承徑向間隙最小值為0.27mm，最大值為0.47mm，在充分結(jié)合齒輪箱反向軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上[2]，將端面鍵的最大偏心距離值設(shè)置為0.80mm。另外，在結(jié)合齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)分析法，將端面鍵間隙設(shè)置為0.05mm~1.5mm 之間，同時(shí)，還要保證端面鍵方向的一致性，使得端面鍵偏心運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。當(dāng)端面鍵間隙不斷增加時(shí)，齒輪箱反向軸一旦處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下[3]，會(huì)增加油泵軸的擾動(dòng)程度，使得機(jī)帶泵不得不面臨較大的負(fù)荷。當(dāng)間隙超過一定值后，機(jī)帶泵會(huì)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，導(dǎo)致油泵齒輪與鋁制泵體頻繁碰撞，造成泵體出現(xiàn)嚴(yán)重破損，這無疑增加了端面鍵的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 端面鍵蠕動(dòng)磨損影響

機(jī)帶泵在實(shí)際運(yùn)行期間，端面鍵與鍵槽經(jīng)常出現(xiàn)蠕動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生一定的摩擦力。理論上，齒輪箱反向軸平均旋轉(zhuǎn)一次，端面鍵會(huì)摩擦一次。對于油泵而言，其工作轉(zhuǎn)速、頻率和蠕動(dòng)運(yùn)行速率分別為1800r/min、60Hz、10.8 萬/h，一旦出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，勢必會(huì)增加端面鍵的磨損程度，此時(shí)，端面鍵會(huì)釋放一定的熱量[4]。為了將端面鍵蠕動(dòng)磨損速度降到最低，需要對端面鍵進(jìn)行氮化處理，從而產(chǎn)生相應(yīng)的硬度差，使其磨損速度不斷下降。另外，還要對端面鍵進(jìn)行潤滑處理，從而吸走一定的熱量，使其磨損程度降到最低。油泵參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 油泵參數(shù)設(shè)置

3.3 油泵軸系擾動(dòng)影響

對于左舷齒輪箱而言，其反向軸在實(shí)際運(yùn)行中，并沒有參與到主傳動(dòng)行列中，因此，并沒有產(chǎn)生一定的齒輪嚙合力，當(dāng)反向軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到1800r/min 時(shí)，其擾動(dòng)程度較大，從而增加了端面鍵與鍵槽之間的頻次，使其磨損變得愈加嚴(yán)重[5]。齒輪箱1.6 萬小時(shí)磨損情況如表2 所示，從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，左右舷齒輪箱的磨損程度存在一定的差異。

表2 齒輪箱1.6 萬小時(shí)磨損情況

影響油泵軸系擾動(dòng)程度的因素除了包含齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)受力因素外，還包含齒輪箱的運(yùn)行工況以及所處環(huán)境兩大因素。當(dāng)齒輪箱運(yùn)行處于高工況情況下，其振動(dòng)能量會(huì)出現(xiàn)大幅度增加，導(dǎo)致軸系擾動(dòng)現(xiàn)象變得愈加明顯，從而加快連接鍵的蠕動(dòng)頻率，造成其磨損速度不斷上升。當(dāng)船舶出現(xiàn)大幅度橫搖時(shí)，齒輪箱內(nèi)部潤滑油會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)[6]，造成機(jī)帶泵無法平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)，還增加了油泵軸系的擾動(dòng)程度，使其磨損速率不斷增加。

3.4 端面鍵潤滑影響

當(dāng)動(dòng)態(tài)連接鍵處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通常需要采用潤滑的方式，降低其磨損程度。潤滑方式主要包含以下三種：①脂潤滑方式。當(dāng)動(dòng)態(tài)連接鍵處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，該潤滑方式表現(xiàn)出潤滑時(shí)間短，潤滑效果差特點(diǎn)，因此，該潤滑方式主要適用于低速運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)連接鍵。②油浴潤滑方式。該潤滑方式主要適用于中速度、間斷性運(yùn)行的動(dòng)態(tài)連接鍵[7]。③強(qiáng)制潤滑方式。該潤滑方式主要適用于高速度、連續(xù)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)連接鍵。本文所設(shè)計(jì)的齒輪箱具有結(jié)構(gòu)緊促、運(yùn)行性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，該齒輪箱在實(shí)際運(yùn)行中，需要將油泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度設(shè)置為1800r/min，在進(jìn)行首次裝配期間，需要選用脂潤滑方式，當(dāng)齒輪箱運(yùn)行即將結(jié)束時(shí)，使用飛濺潤滑油，對齒輪箱進(jìn)行潤滑，這種潤滑效果相對較差[8]，難以滿足端面鍵磨損需求。另外，蠕動(dòng)結(jié)束后，其溫度不斷上升，其熱量難以在最短時(shí)間內(nèi)內(nèi)充分帶走，這無疑增加了端面鍵磨損程度。潤滑方式分類示意圖如圖3所示。

圖3 潤滑方式分類示意圖

4 預(yù)防措施

4.1 優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高齒輪箱油泵連接套的穩(wěn)定性和可靠性，技術(shù)人員要加強(qiáng)對連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。首先，要將油泵連接結(jié)構(gòu)改造為漸開線連接方式，這種連接方式主要形成于聯(lián)軸套與反向軸之間。聯(lián)軸套與反向軸的漸開線連接型式主要是指通過采用漸開線花鍵連接方式，將連接套與油泵進(jìn)行有效連接[9]，然后，采用平鍵配合連接法，將連接套與反向軸之間進(jìn)行有效連接。對連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，所形成的花鍵連接結(jié)構(gòu)具有以下顯著特點(diǎn)：①對端面鍵單面摩擦方式進(jìn)行改變，使其變?yōu)槎嗝婺p方式，從而有效地減輕蠕動(dòng)磨損量。②有效地避免因出現(xiàn)軸系擾動(dòng)而降低油泵的運(yùn)行性能，使得油泵連接套具有較高的維護(hù)性?？傊?，采用實(shí)船驗(yàn)證方式的應(yīng)用背景下，與端面鍵磨損程度相比，油泵花鍵連接方式所對應(yīng)的磨損程度相對較小。

4.2 優(yōu)化潤滑方式

當(dāng)油泵處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，飛賤潤滑方式的運(yùn)用，難以達(dá)到端面鍵潤滑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要對飛濺潤滑方式進(jìn)行優(yōu)化，使其被優(yōu)化為強(qiáng)制潤滑方式。此外，還要從反向軸出發(fā)，不斷擴(kuò)充油路，同時(shí)，還要將潤滑油的壓力設(shè)置為0.2MPa，便于后期潤滑漸開處理。另外，對于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過長時(shí)間的使用后，很容易出現(xiàn)失效問題，這是由于齒輪箱的軸系擾動(dòng)等因素造成的，因此，通過借助漸開線花鍵連接方式，以降低軸系擾動(dòng)出現(xiàn)的概率。

5 結(jié)束語

綜上所述，對于齒輪箱而言，其油泵連接形式在某些特殊使用場景中，很容易造成連接端面鍵出現(xiàn)嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，本文根據(jù)高速船用齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全面地分析了影響端面鍵磨損程度的因素，并對油泵連接套失效機(jī)理進(jìn)行深入地研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論：①對于齒輪箱油泵連接套而言，其失效現(xiàn)象的出現(xiàn)與端面鍵的間隙之間存在密切的聯(lián)系，當(dāng)端面鍵間隙不斷增加時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致油泵連接套出現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化。②對于齒輪箱油泵連接套而言，其失效現(xiàn)象的出現(xiàn)與端面鍵的磨損程度之間存在密切的聯(lián)系，而端面鍵的磨損程度與端面鍵所選用的潤滑方式之間存在直接的聯(lián)系。③對于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過長時(shí)間的使用后，很容易出現(xiàn)失效問題，導(dǎo)致這一問題出現(xiàn)的根本原因是受到齒輪箱的軸系擾動(dòng)等，因此，通過借助漸開線花鍵連接方式，以降低軸系擾動(dòng)出現(xiàn)的概率。④后續(xù)，需要對船用齒輪箱可靠性指標(biāo)進(jìn)行全面分析和研究，并科學(xué)地驗(yàn)證齒輪箱的使用壽命，為保證裝備運(yùn)行性能的穩(wěn)定性創(chuàng)造良好的條件，同時(shí)，為延長裝備的使用壽命打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。