王斌，劉演龍，馮健

（1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510300；2.重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263）

某高速船用齒輪箱使用10 多年后，發(fā)現(xiàn)左機工作油泵連接套斷裂，右機連接套磨損正常，遠小于左機的磨損。更換左機的連接套后，造成工作油泵快速損壞，引起齒輪箱的潤滑系統(tǒng)頻繁報警。左機齒輪箱連接套的拆檢，發(fā)現(xiàn)機帶泵的聯(lián)軸套端面鍵斷裂及磨損（如圖1 所示），帶動機帶泵的反向軸端面鍵卡槽磨痕深約1 mm，磨損區(qū)域平整光滑，并進一步導(dǎo)致了油泵的損壞。右舷齒輪箱機帶泵進行拆檢，機帶泵正常，機帶泵聯(lián)軸套端面鍵及反向軸端面鍵卡槽僅有輕微磨損，屬于正常現(xiàn)象，如圖 2所示。

圖1 左機聯(lián)軸套端面鍵及鍵槽磨損情況Fig.1 Wearability of straight end-face key and keyway of the left connecting sleeve

圖2 右機聯(lián)軸套端面鍵及鍵槽磨損情況Fig.2 Wearability of straight end-face key and keyway of the right connecting sleeve

為了確保船用齒輪箱的安全運行，亟需對油泵連接套的失效機理進行研究，為后續(xù)提高其可靠性奠定理論基礎(chǔ)。張建平、王新剛、彭朝霞等[5-7]對刮板輸送機中部槽磨損、耐磨性進行了研究。趙洪、董炳武等[8-13]對限壓式變量葉片泵、潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊等機械的摩擦特性、自磨損機理進行了研究。斯松華、范梓良等[14-20]對鋼的磨損特性進行了研究。文中從齒輪箱系統(tǒng)出發(fā)，對工作油泵連接套結(jié)構(gòu)進行分析，從齒輪箱動態(tài)軸軸系擾動運行、連接套磨損、以及端面鍵間隙等方面對其失效機理進行深入研究，為工作油泵連接套結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)和原理介紹

1.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

齒輪箱垂直異心布置，輸入軸在上，輸出軸在下。齒輪箱結(jié)構(gòu)及其傳動原理如圖3 和圖4 所示。由于左右主機的旋轉(zhuǎn)方向一致，均為順時針，螺旋槳旋向不同，為了形成模塊化生產(chǎn)，便于后期的維修，在左右舷齒輪箱設(shè)計時，采用相同結(jié)構(gòu)齒輪箱。通過內(nèi)部離合器的控制來實現(xiàn)左右舷齒輪箱不同的換向要求。

圖3 齒輪箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of gearbox structure

圖4 傳動原理Fig.4 Diagram of transmission theory

齒輪箱左右機功率傳遞路線不一樣，左右機主傳動的功率流如下所述。

左機正車時主功率傳遞路線為：主機→輸入軸→離合器1（接排）→小齒輪1→輸出齒輪→輸出軸→槳。

右機正車時主功率傳遞路線為：主機→輸入軸→離合器1（脫排）→離合器主動齒輪→離合器從動齒輪（與反向軸一體）→離合器2（接排）→小齒輪2→輸出齒輪→輸出軸→槳。

左右機的機帶泵功率傳遞路線為：主機→輸入軸→離合器主齒輪→離合器從動齒輪→反向軸→機帶泵。

1.2 泵連接設(shè)計

齒輪箱機帶泵采用聯(lián)軸套與反向軸通過端面鍵連接的形式，如圖5 所示。為了防止長期運行過程中端面鍵快速磨損，聯(lián)軸套與油泵連接一端采用平鍵連接，另一端采用端面鍵連接。在設(shè)計時將聯(lián)軸套調(diào)質(zhì)處理、端面鍵表面局部氮化處理，提升其耐磨性能。

圖5 齒輪箱聯(lián)軸套連接結(jié)構(gòu)Fig.5 Connecting structure of gearbox connecting sleeve

額定工況時，機帶泵轉(zhuǎn)速為1800 r/min，額定功率為8.3 kW，聯(lián)軸套傳遞的扭矩為44 N·m。聯(lián)軸套與反向軸端面鍵按全接觸情況計算結(jié)果：配合面最大擠壓接觸應(yīng)力為10.5 MPa，遠小于材料許用擠壓應(yīng)力100 MPa；聯(lián)軸套最大應(yīng)力為55 MPa，遠小于聯(lián)軸套屈服強度要求（≥540 MPa）；反向軸連接處最大應(yīng)力為38 MPa，遠小于反向軸材料屈服強度（≥665 MPa）。聯(lián)軸套安全系數(shù)為9.52，反向軸安全系數(shù)為17.5?？梢钥闯?，連接部位的安全裕度大，滿足設(shè)計要求。

2 連接套損壞原因分析

2.1 左右機油泵軸系影響分析

雖然是左右舷齒輪箱結(jié)構(gòu)，但使用的功能不同和功率傳遞路線不一致。從功率傳遞路線可知，右舷齒輪箱正車工作時，連接機帶泵的反向軸受到齒輪嚙合力，在高速旋轉(zhuǎn)下運行穩(wěn)定。

左舷齒輪箱正車工作時，連接機帶泵的反向軸沒有受到齒輪嚙合力。在高速旋轉(zhuǎn)下，擾動相對高。這樣引起連接機帶泵的端面鍵與反向軸的卡槽蠕動加劇，磨損增大，從而引起機帶泵端面鍵與反向軸的卡槽間隙在相同運轉(zhuǎn)時間內(nèi)左舷齒輪箱比右舷齒輪箱大。

2.2 在動態(tài)條件下反向軸與機帶泵對中分析

工作時，反向軸通過軸套帶動機帶泵工作，軸套一端通過平鍵與機帶泵輸入軸連接，并通過軸套螺釘固緊，軸套另外一端通過端面鍵與反向軸的卡槽連接，端面鍵與卡槽通過0.05 mm 間隙配合。通過反向軸系、機帶泵安裝止口和聯(lián)軸套的形位公差、端面鍵配合間隙來保證在動態(tài)條件反向軸與機帶泵的對中要求，使機帶泵平穩(wěn)運行。長期運行后，聯(lián)軸套上端面鍵與反向軸的卡槽配合間隙逐步增大，最大可達到4 mm。這樣導(dǎo)致動態(tài)高速度運轉(zhuǎn)條件下，反向軸與機帶泵嚴重不對中。

2.3 原因分析

通過上述分析可知，左舷齒輪箱機帶泵和聯(lián)軸套磨損壓潰的直接原因是機帶泵與反向軸在動態(tài)高速運轉(zhuǎn)時，聯(lián)軸套上的端面鍵與反向軸卡槽的3 mm 配合間隙引起機帶泵與反向軸不對中，導(dǎo)致機帶泵中的齒輪與泵體碰撞，同時在沖擊力下端面鍵卡爪局部壓潰。聯(lián)軸套上端面鍵與反向軸卡槽4 mm 的配合間隙，是由于聯(lián)軸套在高速運行中微觀上蠕動摩擦，在長達1.5 萬小時運行后，逐步形成的。

3 失效機理分析

3.1 端面鍵間隙影響

理論上，反向軸與油泵在同一中心線上運轉(zhuǎn)，但在動態(tài)條件下，由軸承間隙、箱體精度的影響，油泵中心與反向軸運轉(zhuǎn)中心不在同一軸心線上，設(shè)計時通過端面鍵間隙進行補償[1-2]。間隙太小，達不到動態(tài)補償?shù)哪康?；間隙太大，則會引起油泵與反向軸之間的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性差。特別在船用齒輪箱中，受到船舶搖擺影響，潤滑油波動很大，引起齒輪油泵運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，造成油泵軸與反向軸在端面鍵處反復(fù)碰撞，間隙越大，碰撞越劇烈。反過來影響油泵工作狀態(tài)，使油泵加速疲勞。

齒輪箱反向軸的軸承徑向間隙為0.26～0.46 mm，根據(jù)齒輪箱反向軸的結(jié)構(gòu)特點，在端面鍵處的最大偏心為0.79 mm?？紤]到動態(tài)運轉(zhuǎn)以及齒輪泵的特點，通過試驗，端面鍵的間隙為0.05～1.5 mm 左右為最佳。并且端面鍵徑向方向不約束，導(dǎo)致偏心運轉(zhuǎn)的風(fēng)險機率增大。

當(dāng)機帶泵與反向軸連接的端面鍵間隙變大時，高速運轉(zhuǎn)條件下，反向軸的擾動增大了機帶泵油泵軸的擾動，會造成反向軸與機帶泵不對中的程度增大，加大了機帶泵的負荷。當(dāng)間隙大到一定程度后，在泵遇到吸空或其他負荷變化時，會導(dǎo)致機帶泵高速旋轉(zhuǎn)的油泵齒輪與鋁制泵體瞬間相碰，刮傷泵體。在瞬間相碰撞時，機帶泵卡滯，由于高速沖擊影響，引起負荷異常增大，導(dǎo)致端面鍵的卡爪局部壓潰，甚至斷裂，同時引起機帶泵損傷。

根據(jù)《理論力學(xué)》，剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動方程：

本齒輪箱反向軸ω1的轉(zhuǎn)速為1800 r/min，原則上運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)速變化很小，但油泵轉(zhuǎn)速ω2在微觀上隨著船舶搖擺、油路氣蝕等原因，發(fā)生變化，變化的幅度與間隙密切相關(guān)。從式（3）可以看出，油泵運轉(zhuǎn)中端面鍵發(fā)生微觀沖擊，導(dǎo)致端面鍵的瞬間扭矩大。長時間運轉(zhuǎn)后，若間隙擴大到齒輪泵的間隙，則會發(fā)生瞬間扭矩大于540 MPa，導(dǎo)致端面鍵斷裂。

3.2 端面鍵蠕動磨損影響

端面鍵與鍵槽通過面接觸帶動油泵工作。機帶泵運轉(zhuǎn)時，端面鍵與鍵槽微觀上蠕動，反復(fù)進行摩擦。理論上反向軸每旋一次，則端面鍵摩擦循環(huán)一次。油泵的工作轉(zhuǎn)速為1800 r/min，頻率為60 Hz，每小時蠕動運行10.8 萬次。摩擦必然會產(chǎn)生微量磨損，同時會產(chǎn)生一定的熱量[3-4]。為了降低磨損速度，在設(shè)計時將端面鍵氮化，形成一定的硬度差，減緩磨損速度。通過潤滑端面鍵可以帶走熱量，進一步延緩磨損程度。

3.3 油泵軸系擾動影響

左舷齒輪箱中，由于反向軸沒有參與主傳動，無齒輪嚙合力存在，在1800 r/min 轉(zhuǎn)速下高速運轉(zhuǎn)，帶著8.4 kW 齒輪泵運行，反向軸擾動大。大擾動會導(dǎo)致端面鍵與鍵槽的蠕量程度與頻次相應(yīng)增加，磨損進一步加快。通過左右舷齒輪箱的磨損情況對比（圖6）可知，經(jīng)過1.6 萬小時運行后，左舷齒輪箱端面鍵磨損1 mm，反向軸槽磨損深度達3 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴大到 4 mm。右舷齒輪箱端面鍵磨損0.5 mm，反向軸槽磨損深度達1 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴大到1.5 mm。

油泵軸系擾動除了與齒輪箱運轉(zhuǎn)時受力有關(guān)，還有齒輪箱的運行工況和使用環(huán)境有關(guān)。齒輪箱有高工況運行時，齒輪箱的振動能量會加大，軸系擾動程度越高，引起連接鍵的蠕動頻率越高，導(dǎo)致磨損速度加快。隨著船舶的橫搖和縱傾，船用齒輪箱的潤滑油在齒輪箱的油底殼中波動，導(dǎo)致機帶泵運行不平穩(wěn)，也會引起油泵軸系擾動，尤其是持續(xù)風(fēng)浪中工作的船用齒輪箱擾動更大，相應(yīng)蠕動引起的磨損會加劇。

圖6 1.6 萬小時磨損情況Fig.6 Histogram of wear extent in 16,000 hours

3.4 端面鍵潤滑影響

考慮到油泵軸系的擾動、動態(tài)運行時的蠕動不可避免，通常對于高速運行的動態(tài)連接鍵，通過潤滑減緩磨損。潤滑方式主要有脂潤滑、油浴潤滑和強制潤滑三種，潤滑效果逐步減小。由于脂潤滑在高速運行后，時間不長，潤滑效果不佳，往往是低速間斷性運行條件的潤滑方式；油浴潤滑也是在中速度間斷性運行的潤滑方式；強制潤滑是高速連續(xù)運行的潤滑方式。

本次齒輪箱設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，油泵的運行轉(zhuǎn)速為1800 r/min，連續(xù)運行。首次裝配時加脂潤滑，后續(xù)運行時只能依靠齒輪箱運轉(zhuǎn)的飛濺潤滑油進行潤滑，實際效果沒有達到端面鍵的磨損需要。蠕動后溫度相對高，無法充分帶走熱量。長期運行后，端面鍵磨損加劇。

4 預(yù)防措施

4.1 優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)

鑒于船用齒輪箱的運行特點以及軸系對油泵連接套的影響，為了進一步提高連接套的可靠性，延長壽命，將其結(jié)構(gòu)調(diào)整為：機帶泵采用聯(lián)軸套與反向軸通過漸開線連接的形式，如圖7 所示。即連接套與油泵一端采用漸開線花鍵連接，連接套與反向軸采用平鍵小過盈配合連接。

優(yōu)化后的花鍵連接結(jié)構(gòu)特點為：將端面鍵的單面摩擦變?yōu)槎嗝婺p，進一步降低蠕動的磨損量。同時可以降低磨損后對中不良的影響，有效防止長期運行過程中端面鍵磨損間隙增大帶來的風(fēng)險，一定程度上可以降低軸系的擾動對油泵的影響，增加了油泵連接套的維修性。通過實船驗證，油泵花鍵連接方式磨損速度遠小于端面鍵的磨損速度。

4.2 優(yōu)化潤滑方式

鑒于油泵高速運行，飛濺潤滑無法滿足端面鍵潤滑需求，將飛濺潤滑優(yōu)化為強制潤滑，從反向軸增加油路，將壓力為0.2 MPa 的潤滑油用來潤滑漸開線花鍵。

圖7 聯(lián)軸套與反向軸的漸開線連接型式Fig.7 Involute connecting type of connecting sleeve and inversion axis

5 結(jié)論

船用齒輪箱的油泵連接形式，在特殊的使用環(huán)境下，會造成連接端面鍵快速磨損甚至斷裂。文中針對船用齒輪箱結(jié)構(gòu)特點，研究了端面鍵間隙和微觀蠕動對端面鍵磨損的影響，對其失效機理進行了分析。

1）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與端面鍵的間隙有關(guān)，間隙過大，將引起油泵軸系對中在動態(tài)下發(fā)生變化。

2）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與端面鍵動態(tài)運轉(zhuǎn)時蠕動磨損有關(guān)，而蠕動磨損速度與端面鍵硬度、潤滑方式直接相關(guān)。

3）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與齒輪箱的軸系擾動有關(guān)，可通過優(yōu)化為漸開線花鍵連接方式減少軸系擾動。

4）在后續(xù)需要對油泵連接方式在船用齒輪箱蠕動條件下可靠性指標(biāo)進行深入分析，對其壽命進行試驗驗證，為后續(xù)裝備可靠性的提高奠定基礎(chǔ)，為全壽命周期裝備保障提供理論基礎(chǔ)。