周炳國(guó)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(guò)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(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲。此時(shí)，通過(guò)拆檢左機(jī)齒輪箱連接套，發(fā)現(xiàn)該機(jī)帶泵所對(duì)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(duì)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(wú)疑增加了油泵的磨損程度，通過(guò)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(duì)應(yīng)的端面鍵出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，屬于正常磨損，并無(wú)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(duì)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(guò)長(zhǎng)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(rùn)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(duì)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(duì)左右舷齒輪箱運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行科學(xué)控制。對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)中，接下來(lái)，對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)越大。

2.2 在動(dòng)態(tài)條件下反向軸與機(jī)帶泵對(duì)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(guò)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(duì)其進(jìn)行加固處理。此外，通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)長(zhǎng)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(shì)，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(duì)中問題。

3 失效機(jī)理分析

對(duì)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(rùn)滑。接下來(lái)，對(duì)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(wú)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(guò)大、過(guò)小而影響最終的補(bǔ)償效果。當(dāng)間隙過(guò)小時(shí)，無(wú)法取得理想的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，將會(huì)降低反向軸與油泵之間的平穩(wěn)性。對(duì)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(duì)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(guò)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(wú)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(duì)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(wàn)/h，一旦出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，勢(shì)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(duì)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(duì)端面鍵進(jìn)行潤(rùn)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(duì)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(wàn)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(wàn)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(rùn)滑油會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)[6]，造成機(jī)帶泵無(wú)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(rùn)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(rùn)滑的方式，降低其磨損程度。潤(rùn)滑方式主要包含以下三種：①脂潤(rùn)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(rùn)滑方式表現(xiàn)出潤(rùn)滑時(shí)間短，潤(rùn)滑效果差特點(diǎn)，因此，該潤(rùn)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(rùn)滑方式。該潤(rùn)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(rùn)滑方式。該潤(rùn)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(rùn)滑方式，當(dāng)齒輪箱運(yùn)行即將結(jié)束時(shí)，使用飛濺潤(rùn)滑油，對(duì)齒輪箱進(jìn)行潤(rùn)滑，這種潤(rùn)滑效果相對(duì)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(wú)疑增加了端面鍵磨損程度。潤(rùn)滑方式分類示意圖如圖3所示。

圖3 潤(rùn)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的磨損程度相對(duì)較小。

4.2 優(yōu)化潤(rùn)滑方式

當(dāng)油泵處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，飛賤潤(rùn)滑方式的運(yùn)用，難以達(dá)到端面鍵潤(rùn)滑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要對(duì)飛濺潤(rùn)滑方式進(jìn)行優(yōu)化，使其被優(yōu)化為強(qiáng)制潤(rùn)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(rùn)滑油的壓力設(shè)置為0.2MPa，便于后期潤(rùn)滑漸開處理。另外，對(duì)于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(guò)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(yǔ)

綜上所述，對(duì)于齒輪箱而言，其油泵連接形式在某些特殊使用場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(rùn)滑方式之間存在直接的聯(lián)系。③對(duì)于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(zhǎng)裝備的使用壽命打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。