戴 路

(江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 南京 211178)

高速齒輪的設(shè)計制造實踐與國際先進標準規(guī)范應用

戴 路

(江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 南京 211178)

簡要介紹了美國費城齒輪公司的設(shè)計軟件和標準，以及國外高速齒輪傳動技術(shù)與標準規(guī)范對國內(nèi)高速齒輪傳動發(fā)展的影響；從材料選擇、齒形設(shè)計、強度設(shè)計、制造等角度，介紹了設(shè)計制造高速齒輪方面的實踐與美標等先進標準規(guī)范的應用。

高速齒輪；材料；齒形；強度；精度；齒輪制造

在冶金、石化及發(fā)電等領(lǐng)域中，高速齒輪箱的應用越來越廣泛，因此齒輪工業(yè)迫切需要提高自主設(shè)計與制造的能力。按照AGMA(美國齒輪制造者協(xié)會)的規(guī)定，凡圓周線速度大于25m/s或轉(zhuǎn)速超過3 600r/min的齒輪設(shè)備，均屬高速齒輪傳動設(shè)備[1]。在20世紀80年代，由國內(nèi)某大型國企和某研究所引進美國費城齒輪公司(Philadelphia Gear Corporation，簡稱PGC) 的設(shè)計軟件、標準及圖紙，解決了當時國內(nèi)一些石化行業(yè)高速齒輪裝置的急切需求，并在實際設(shè)計、制造和現(xiàn)場調(diào)試維護過程中積累了大量的經(jīng)驗，目前國內(nèi)已經(jīng)能自主開發(fā)更高轉(zhuǎn)速和線速度的齒輪裝置。隨著世界整體工業(yè)裝備技術(shù)的不斷進步，更先進的材料、加工工藝、設(shè)備和設(shè)計計算方法也逐漸出現(xiàn)，在PGC技術(shù)基礎(chǔ)上已有更先進的標準規(guī)范產(chǎn)生。目前國內(nèi)高速齒輪的設(shè)計制造標準規(guī)范基本承襲了美國石油學會的API613等標準。筆者從事齒輪設(shè)計工作20年，現(xiàn)從5個方面談談自己關(guān)于高速齒輪設(shè)計與制造的認識和體會。

1 材料的選擇

在高速齒輪的設(shè)計中，幾乎無一例外地采用硬齒面齒輪，以達到齒輪裝置小型化的目的。制造硬齒面齒輪的材料一般是低碳合金鋼，通常工藝為滾齒—表面滲碳—磨齒，其中滲碳層深度根據(jù)齒輪模數(shù)確定，模數(shù)越大滲碳層越深，一般取0.15～0.25倍的模數(shù)。滲碳時要控制好碳層梯度，淬火后使齒輪表面有一個由內(nèi)向外逐步變硬的硬化層，大幅度提高齒面接觸強度，能承受高強度的接觸應力，同時齒輪內(nèi)部仍然是較低的硬度，有足夠的韌性，能承受較大的沖擊。一般齒面的硬度要達到HRC(58～62)，而內(nèi)部的硬度只有HRC33左右。

我國原先可用于硬齒面的低碳合金鋼有20CrMnMo、20CrMnTi、17CrNi4、20CrNi2Mo等，前兩種材料價格較低，但熱處理較難控制，在磨削時易產(chǎn)生裂紋，而17CrNi4價格又較昂貴，因此在最早設(shè)計高速齒輪時大多采用20CrNi2Mo。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了17CrNiMo6和18CrNiMo7- 6，這兩種材料均源自DIN標準，比20CrNi2Mo性能更加優(yōu)良，其許用接觸應力σHP和許用齒根應力σFP分別達到1 500N/mm2和800 N/mm2,其熱處理性能也顯著提高，價格只是略微升高，因此目前這兩種材料使用率較高。

2 在齒形方面的選擇

此外，由于高速齒輪在工作時存在受力變形以及因各零件發(fā)熱使支承齒輪的箱體發(fā)生變形等情況，齒輪修形在高速齒輪的設(shè)計與制造中成為必不可少的一個環(huán)節(jié)。齒輪一個齒在入嚙合和出嚙合的整個過程中，因為重合度的關(guān)系，即參與同時嚙合的齒數(shù)不同，所以整個受力的過程是不平均的，簡單說就是齒寬方向從一端開始齒面受力逐步增大，到中間時達到最大值，然后再逐步減小，到另一端結(jié)束，受力分布呈對稱形態(tài)。在嚙合過程中，彈性變形會引起主從動齒的節(jié)距變化，使嚙合初始點也即齒輪端點發(fā)生干涉現(xiàn)象，容易導致齒面快速點蝕甚至崩裂。為避免這種情況發(fā)生，需進行齒輪修形。齒輪修形包括齒廓修形和齒向修形，可采用有限元法技術(shù)計算齒輪在工作中的變形量，并根據(jù)這個變形量來選擇修形的具體數(shù)值。當計算獲得的變形量超過一定范圍時(如PGC規(guī)定不大于0.03mm)，齒輪要重新選擇參數(shù)設(shè)計，而不是過分地依靠修形來避免干涉現(xiàn)象的發(fā)生。到目前為止，還沒有修形方面的國家標準，因此國內(nèi)大部分高速齒輪制造公司都各自制定了本公司在高速齒輪設(shè)計時的齒廓、齒向修形的規(guī)范，依照不同的齒輪轉(zhuǎn)速和模數(shù)，采用簡單計算與查表相結(jié)合的方法，可以快速、合理地定出齒輪修形的位置和大小，而不必都采用有限元法計算，可以節(jié)省設(shè)計時間。

3 齒輪精度的選擇

一般而言，齒輪的線速度越高，齒輪需要的精度也越高。精度越高，齒輪裝置的噪聲越小。API613按齒輪轉(zhuǎn)速規(guī)定了相應的噪聲標準，齒輪制造方要滿足這個規(guī)定才能符合出廠要求。齒輪的制造成本與齒輪的精度密切關(guān)聯(lián)，因此選擇一個合適的制造精度至關(guān)重要。在高速齒輪中，齒輪精度一般選擇5級精度(GB/T10095)，特殊齒輪可達到4級精度(GB/T10095)。這個制造精度，一般較新的或保養(yǎng)完好的成型磨齒機都可以達到。在目前采用比較多的齒輪計算軟件KISSSOFT程序中，程序會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)給出推薦的精度等級，可供設(shè)計人員參考。

4 齒輪強度的設(shè)計

在高速硬齒面齒輪設(shè)計中，一般考慮齒面接觸強度、齒根彎曲強度和齒面膠合強度3個方面。首先要確定齒輪裝置的作用，并按照原動機的形式選擇合適的使用系數(shù)，這個使用系數(shù)乘以實際傳遞功率才是設(shè)計齒輪的計算傳遞功率[2]。比如用蒸汽輪機經(jīng)高速箱帶動離心式風機，傳遞功率為5 000kW，那么使用系數(shù)就要選擇為1.6，計算齒輪的功率就是8 000 kW。按照PGC的規(guī)范和AGMA標準，對3個基本強度提出了各自的要求：接觸強度計算安全系數(shù)SH>1.5，抗彎強度計算安全系數(shù)SF>1.9，膠合強度——閃溫指標計算值小于338°F[1]，在PGC的Gear程序中，根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，程序會自動計算選擇三強度平衡優(yōu)化點，供設(shè)計人員參考選用，程序還會給出齒輪副的效率等用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)。此外，重合度也是一個重要參數(shù)，為保證齒輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，應使齒輪副總重合度≥3.5。不過，PGC的齒輪計算偏于保守，有時會造成齒輪尺寸過大，最新的齒輪設(shè)計計算程序KISSSOFT等中已經(jīng)包含了現(xiàn)在常用的18CrNiMo7-6這樣的新型材料，刀具、公差的選擇項也比較多，其計算結(jié)果更符合現(xiàn)在的制造水平。

5 齒輪的制造

在高速齒輪制造過程中必須嚴格控制質(zhì)量，以避免其在使用中出現(xiàn)惡性故障。在材料方面，每一批鍛件都必須嚴格進行化學成分和機械性能的檢驗，并記錄在檔。在齒坯粗車后還應做超聲波探傷檢驗，按PGC規(guī)范，在齒部有害當量不得大于3，在心部不得大于5。熱處理結(jié)束后，應做硬度試驗和金相組織檢驗，要求齒面硬度HRC(58～62)，馬氏體、殘余奧氏體和心部鐵素體不大于4級，網(wǎng)狀碳化物不大于3級。

現(xiàn)在成型磨的技術(shù)非常成熟，成型磨齒機在國內(nèi)已經(jīng)相當普及，目前國內(nèi)主要裝備的是德國尼爾斯、普法特和霍夫勒的產(chǎn)品。成型磨齒機可以在磨削齒面的同時，完成對齒輪的修形，工作效率和齒輪精度比展成法磨齒機大大提高。

齒面磨削后，有的還需進行齒根噴丸。最后一道檢驗是磁粉探傷，以檢查在磨削過程中是否在齒面形成磨削裂紋。

齒輪軸、齒輪在與所有相關(guān)零件套裝聯(lián)接后組成轉(zhuǎn)子。因轉(zhuǎn)子在工作中作高速運轉(zhuǎn)，因此還應進行動平衡試驗，在不重要處用直徑不大于Ф7的鉆頭去重，一般要求達到G1.6級，轉(zhuǎn)速高的甚至要求達到G1.0級，以免在使用中產(chǎn)生過大的離心力，從而導致振動等不良影響。

6 結(jié)束語

經(jīng)上述簡介的各步驟，一對合格的高速齒輪副即制造完成。高速齒輪傳動的設(shè)計制造實踐更為復雜，例如齒輪箱軸瓦的計算和選擇，以及臨界轉(zhuǎn)速的計算等，這些設(shè)計將決定高速齒輪是否能夠穩(wěn)定運行，齒輪箱的溫度、噪聲、振動值能否符合標準等。高速齒輪箱設(shè)計的復雜性和高可靠性，使該項技術(shù)一直是齒輪傳動設(shè)備設(shè)計中的頂尖技術(shù)部分。期待我國盡早出現(xiàn)可以媲美世界先進水平的產(chǎn)品標準與設(shè)計制造規(guī)范。

[1] American National Standard，ANSI/AGMA 6011-I03 Specification for High Speed Helical Gear Units[S]．

[2] American Petroleum Institute，API STANDARD 613 Special Purpose Gear Units for Petroleum，Chemical，and Gas Industry Services[S]．

ThePracticeabouttheDesignandManufacturingofHigh-speedGearandtheApplicationofInternationalStandard

DAI Lu

(Jiangsu Provincial City Planning Research Institute, Jiangsu Nanjing, 211178, China)

It introduces the design software and standard adopted by Philadelphia Gear Company (initiated as PGC) as well as the impact of overseas high-speed transmission technology and standards on domestic products. Also it further presents the practice of design and manufacturing of high-speed gears and the application of American standard such as selection of material, tooth profile design, strength design and manufacturing.

High Speed Gears; Material; Gear Shape; Strength; Accuracy; Gear Manufacture

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.017

2014-01-10

戴路(1970—)，男，江蘇南京人，江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院工程師，主要從事齒輪設(shè)計方面的工作。

TH132.4

A

2095-509X(2014)03-0065-03