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硬齒面齒輪
作者: 劉其勇(重慶齒輪箱有限責任公司) 收錄來源: 新風電【摘要】風力發電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時也承受輸出端剎車時帶來的剎車力矩。
一、 簡述齒輪箱輸入軸、中間軸和輸出軸上各種齒輪的受力分析
風力發電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時也承受輸出端剎車時帶來的剎車力矩。
二、 簡述齒輪箱齒輪的常用材料及其性能分析
風力發電增速齒輪箱中，齒輪的常用材料為低碳合金鋼，重齒公司常用20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等材料；內齒圈用42CrMoA材料。它們的力學分析見下表：
尺寸
(mm) 熱處理 力學性能 供應狀態硬度HB 淬火溫度
（℃） 冷卻 回火溫度(℃) 冷卻 σb
(MPa) σs
(MPa) δ5
（％） ψ
（％） AK
（J） 第一次 第二次 不小于 不大于 20CrMnTi 15 880 870 油 200 水、空 1080 835 10 45 55 217 20CrMnMo 15 850 油 200 水、空 1175 885 10 45 55 217 17CrNiMo6 11 855 815 油 180 水、空 1300 830 7 30 41 229 42CrMoA 15 840 油 610 水、空 1150 885 10 40 34
齒輪材料為滲碳鋼，滲碳鋼載未滲碳前進行的各種試驗只能測定零件心部的性能，滲碳淬火后的性能除與心部性能有關外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織。內應力的分布等因素的影響。
1、 抗彎強度 滲碳鋼的靜強度一般通過彎曲試驗測定。零件心部硬度、鋼材的化學成分合面層碳含量都影響彎曲強度。在滲碳層深度一定的情況下，心部硬度增加時，彎曲強度隨之增加；當滲碳層組織相同時，滲碳層深度增加，彎曲強度隨之增加；在滲碳層深度與心部硬度相同時，含鎳的鋼材彎曲強度比其他鋼材彎曲強度高；滲碳層面層碳含量增加時彎曲強度降低。
2、 疲勞強度 齒輪多因變載荷作用而疲勞損壞，如齒根彎曲疲勞損壞合齒面接觸疲勞損壞。影響疲勞損壞的因素有：
（1） 心部硬度（強度）
（2） 滲碳層內的氧化物 當滲碳鋼中含有鈦、硅、錳和等合金元素，并在吸熱性滲碳氣氛中滲碳時容易形成這些元素的氧化物，他們存在于晶界或晶粒內部。在氧化物附近這些元素貧化，降低了淬透性。這種氧化物還會成為高溫轉變產物的核心，導致淬火后在表面形成一些非馬氏體產物從而降低了最表面的硬度。
（3） 滲碳層內的碳化物 碳含量的數量、大小、形狀和分布對滲碳鋼的接觸疲勞和彎曲疲勞性能都有影響，網狀碳化物會明顯降低滲碳鋼的彎曲疲勞性能。
（4） 滲碳層內的殘余奧氏體 殘余奧氏體本身強度低，它的存在還降低對疲勞性能有利的殘余壓應力，因此滲碳層組織中有殘余奧氏體會降低疲勞性能，但經滾壓和噴丸強化會提高疲勞強度。
三、 硬齒面齒輪的特點及運行注意事項
重慶齒輪箱有限責任公司，建于六十年代中期。主要設計制造船用齒輪箱、聯軸節、離合器等。
船舶，是水中的流動城市，是一個國家現代化工業的縮影。它的高性能、高技術要求，決定了齒輪箱在設計制造技術方面要先于其它工業部門追蹤世界先進技術水平。所以公司從建廠開始幾按照硬齒面齒輪的制造工藝流程進行設計、配備設備。
改革開放以來，為適應我國造船工業的發展，在八十年代初，七十年代末，引進了德國羅曼·斯托爾福特公司（下簡稱LUS）的船用齒輪箱的圖紙，標準、計算機軟件和設計制造技術；為解決動力裝置軸系扭振問題引進了奧地利蓋斯林格公司的蓋斯林格聯軸節、減振器的設計制造技術和扭轉振動電算程序；隨后船舶工業總公司又將引進瑞士蘇爾壽、德國曼恩、法國熱機學會、日本大發等柴油要的齒輪圖紙，標準轉放我公司，由我公司消化吸收生產制造。公司在自己設計制造硬齒面齒輪的經驗基礎上，對引進技術進行消化吸收、移植、開發、創新。為保證先進技術和先進國際標準的貫徹執行，公司不間斷的對工廠進行技術改造。三十多年的發展，使重慶齒輪箱有限責任公司擁有世界先進硬齒面齒輪的設計計算技術；建立了以國際先進標準為主體的設計、制造、試驗、檢驗的標準、規范體系；擁有齊全配套的、保證先進標準、規范貫徹執行的機械加工、熱處理、檢驗計量設備；同時造就出一批掌握先進技術的工程技術人員和操作先進設備的高級技師。成為我國能設計、制造高精度硬齒面齒輪的基地。
（一）、高精度硬齒面齒輪的優點
眾所周知，齒輪的強度設計是從考慮潤滑條件的齒面壓力和齒根強度兩個方面進行的。隨著技術的發展和計算機的應用，世界傳動技術的發展趨于采用硬齒面。據統計，由于硬齒面齒輪的采用大大地促進了機器的重量輕、小型化和質量性能的提高，使機器工作速度提高了一個等級。如高速線材軋機的軋制速度從過去的30m/s以下提高到90-120m/s。采用硬齒面齒輪傳動使傳動裝置的體積大大地減少，可以降低制造成本，一某軋機主減速機為例進行比較：
中心距 表面積 重量 軋制速度 硬度
調質齒輪 2400 100% 100% 30m/s HB360
硬齒面齒輪 1695 34% 60% 90-120m/s HRC57＋4
硬齒面中氮化硬齒面，由于氮化層深度很淺，不適合作低俗重載齒輪傳動，而且氮化工藝本身的成本較貴，所以很少采用。
表面淬火（如高、中頻或火焰淬火）的淬硬層與非淬硬層過渡界面明顯，硬度的分布剃度太大，同時淬硬質量不均勻，齒根淬硬困難，易生成表面裂紋，齒面硬度較低（HRC55左右）所以應用也逐漸減少。
深層滲碳、淬火磨削的高精度硬齒面齒輪，精度高、表面硬度高（HRC58+4），齒面硬化層均勻等多方面的優點，特別適用于低速重載齒輪傳動。它表面硬度高，接觸強度比調質齒輪成倍增長，而彎曲強度比調質齒輪約增加50%以上。所以FALK、（LUS）、費蘭特公司、雪鐵龍-梅西安-杜朗公司等全部采用深層滲碳-淬火-磨齒齒輪。高精度硬齒面齒輪代表了工業用，船用齒輪傳動裝置的發展方向。
重慶齒輪箱有限責任公司，從建廠開始，由于其服務性質決定其跟蹤世界先進技術，采用合金結構鋼制造滲碳-淬火-磨齒的高精度硬齒面齒輪。長期的實際應用證明，齒輪的耐磨性可以與軸承滾動面媲美，無需擔心齒面磨損和銹蝕，在彎曲強度上也留有很大余地。
（二）、齒輪強度計算
公司引進了齒輪的設計計算程序，并與上海交大、重慶大學等合作開發，可按GB3480-83、AGMA、ISO、DIN、ZC、ABS、GL、Lioyd′s等標準和規范對齒輪強度進行計算。
為了提高齒輪的承載能力，利用計算機對齒輪的幾何參數和變位系數，進行優化設計。由于表面硬化技術的采用，齒輪承載能力得到提高，LUS通過多年生產實踐認為：對于齒輪齒面應力的計算，對小型齒輪，用赫茲應力公式還可以，它基于齒面接觸區的最大表面壓縮。而對于大模數、大直徑的齒輪、用赫茲公式計算齒面壓應力強度，則不能真實反映齒輪的實際受力情況。因為隨著模數的增大，齒高和齒輪當時接觸半徑增大，應力的危險點已不在齒輪硬化層的表面層，而是在內部的某一個深度。例如：中心距A=1000（mm），I=3的齒輪箱的大齒輪，應力危險齒面以下應力分布及其強度計算的研究，提出了“三向應力理論“：齒面以下受三向單個應力組成的合成應力作用，應用主延伸假設得到包括齒面應力在內的齒截面的應力分布曲線。能確切地反映齒面嚙合時的應力狀態。
計算齒根應力，主要考慮輪齒嚙合時的彎曲強度、壓縮應力、剪應力、齒輪熱處理效應及裝配時產生的內應力。
用計算機對齒面齒根合成應力的計算，綜合考慮接觸強度和彎曲疲勞強度，確定齒輪的幾何參數、材料、許用疲勞強度及齒輪的硬度曲線和齒面的硬化層深度。
（三）、材料的選擇
為了提高齒輪的彎曲強度，我們選用國產優質合金鋼。這些材料經LUS與西德材料進行同爐處理對比試驗。結果證明其機械性能、淬硬性、硬化層金相組織、硬度、碳勢層深度分布等性能略高于羅曼現用相應材料的性能。
利用國產材料，按我公司標準齒形（原引進的LUSI15）加工，采用現行熱處理工藝滲碳淬火并磨齒制造的試驗齒輪，與711所、上海交大合作，在國產CL-100型齒輪試驗機上進行接觸疲勞強度試驗。參試齒輪精度6HK（JB179-83），試驗驗證工作在GB3480-83規定的標準條件下進行，按升降法，測定材料的疲勞極限，通過試驗，推薦設計選用值為1450-1550N/ ，國際標準化組織ISO268文推薦滲淬硬齒輪材料接觸疲勞強度極限框圖范圍在1300-1650kg/ ，我公司試驗齒輪材料在ISO268推薦框圖的中上限。
試驗時，齒輪單位齒寬、單位模數上的圓周力為171。62N/ ，齒輪接觸強度K系數為156kg/cm ，經5×107次循環，所有被試齒輪均未發生斷齒和點蝕現象。
公司與哈爾濱船舶工程學院合作對滲碳齒輪材料及工藝進行優選試驗研究，對國內常用的六種材料進行碳含量沿層深分布、硬度沿層深的分布及有效硬化層深、滲層和心部組織、常規力學性能、斷裂韌性、靜彎性能、彎曲疲勞性能、接觸疲勞性質、耐磨性、工藝性、晶粒長大規律及組織遺傳、高溫回火溫度對調質組織和性能的影響等十八項專題研究，編制了公司對不同材質的不同的熱處理工藝規程和規范確保熱處理質量。
（四）、采用氣體滲碳
在表面硬化方法中，氮化由于硬化層薄而限制了齒輪的承載能力。高頻淬火又很難得到理想的硬化層分布，對大模數齒輪淬火時，齒輪淬硬深度太淺或沒有淬火造成應力分布不均勻而降低了齒輪彎曲強度。
氣體滲碳淬火，可以得到所需要的硬化層，熱處理后具有較理想的殘余應力。用最新技術可準確地控制碳勢而獲得最佳硬度值，從而提高齒輪的接觸強度和彎曲強度，是制造大型重載齒輪的一種好的表面處理方法。為此，我廠從西德迪高沙公司引進了GSRU190×250型滲碳爐。從日本中外爐株社引進了￠3000的滲碳爐。
該爐用氧探頭或紅外線CO2氣體分析儀兩種測定爐氣碳勢，通過微處理機和模擬計算機兩套獨立的自動控制系統對熱處理過程進行適時控制，碳勢控制偏差±0.05%。與該爐配套使用硝鹽淬火，可穩定淬火介質溫度，減少工件變形，提高工件淬透性。采用公法線千分尺型硬度檢驗儀檢驗齒頂到齒根的硬度，其硬度差很小。
經滲碳淬火后的齒輪MSF-2M型X射線應力分析儀上用側傾法，X-20法測定齒面，齒根表面的殘余奧氏體含量。齒根殘余壓應力在490-588 N/ 范圍內，國家標準中推薦的齒根彎曲持續極限為400-440 N/ ，大大提高了彎曲疲勞強度，殘余奧氏體含量在5.8-20%范圍內。
（五）、高精度齒輪
齒輪精度的選擇原則是工作線速度、要求的承載能力和公司設備的可能。對硬齒面齒輪，經磨削后的齒輪精度一般選6級精度。線速度特別高時選4-5級，對振動、噪音有特別要求時，目前最高可達3級精度。
硬齒面齒輪模數增大后，或調質齒輪直徑增大后，如不提高齒輪精度，則模數，直徑增大帶來的強度的提高將被動負荷的增大所抵消。這點以前的國內調質齒輪傳動裝置在水泥、冶金行業中的使用發生失效的經驗和教訓可以證明提高齒輪加工精度的必要。
為了保證齒輪的加工精度和國際先進標準的貫徹執行，本公司先后MAAG系列磨齒機、ZST0.31m~2.5m磨齒機，Hoefler4000mm和NOVA1000CNC高精度磨齒機可加工直徑4000，模數32mm，最高齒輪精度達到DIN3級的齒輪。高精度的設備靠高精度的檢測儀調校，為此，公司配備了MAAGSP-60，德國可林貝爾格大型齒輪檢查儀，Hoefler公司的TPF40/1000，EVTM/MAC2T齒輪檢查儀，Leits公司GMM303010型門式三坐標測量機，可檢測齒輪直徑4000mm，精度DIN3級精度，圖七為測量曲線。
齒輪直徑增大后，熱處理后由于工件容積效應，齒面從齒頂到齒根各部位硬度不均，最大硬度差達20HB。為對齒輪制造質量嚴格控制，從德國引進齒面硬度檢查儀，對大模數的大型齒輪用硝鹽淬火，提高工件的淬透性。
齒頂、齒向修整
輪齒是一個彈性體，工作受力后不可避免地要發生彎曲變形。雖然嚙合結束后恢復原狀，但嚙合時的變形會發生基節誤差那樣的影響，使下一對齒的齒頂和齒根發生干涉，能產生很大的沖擊而引起嚙合噪音。
表面滲碳淬火齒輪的許用K系數約為調質齒輪的4-5倍。輪齒變形的影響，比調質齒輪大得多。為了避免嚙合沖擊，改善齒面潤滑狀態，降低嚙合噪音，需對齒輪的齒頂和齒向進行修整。起修整量是根據齒輪負荷計算齒輪變形量，齒輪軸的彎曲，扭轉變形量后確定的。對高承載能力的高硬度齒面的滲碳淬火齒輪，齒頂、齒向修整技術是保證產品性能不可缺少的必要條件。
我公司已建立了自己的齒頂、齒向修形計算標準和計算程序，并成功的用NiIES、MAAG、Hoefier及國產磨齒機對我廠生產的各種齒輪，其中包括按西歐、日本和美國設計的圖紙生產的齒輪進行了修正。
（六）、變位系數的選擇
當采用帶觸角滾刀切齒時，變位系數的選擇十分重要，標準中心距和變位系數過大，通常都不適用于帶觸角滾刀深切齒，因為它將導致齒根部分嚴重的漸開線偏切。另外，為有利于提高齒輪副的承載能力，發揮物盡其能的作用，不采用變位齒輪，實際上是一種無形的浪費。
公司生產的所有齒輪都是變位齒輪，首先根據幾何條件計算出大、小齒輪變位系數之和，并由計算機按公司設定的分配原則進行分配，保證齒輪副的最佳性能。
（七）、齒輪箱的安裝找正
齒輪箱能否安全可靠地工作，除了正確地選材，先進合理的設計、高精的制造、組裝、全面的性能檢測保證外，正確地安裝找正是保證齒輪箱長壽命，安全可靠工作的重要環節，公司的齒輪箱在交貨時，我們將向用戶提供一份安裝找正規范。該規范內容包括在齒輪箱使用說明書中，對較大型號的特種齒輪傳動裝置，工廠將單獨提供找正規范。
齒輪箱的找正規范是集LUS多年經驗，并根據VD2725標準制定。起目的是為正常情況下原動機、齒輪箱、工作機械在所有運轉狀態下（而不是在安裝時）互相聯結的軸應準確地同心，平穩地工作。因此找正時，必須根據下列三種曲線修正軸心位移。
1、 齒輪箱軸心（輸入、輸出軸）位移的全負荷溫度特性曲線。
2、 原動機軸心位移的全負荷溫度特性曲線。
3、 工作機械軸心位移的全負荷溫度特性曲線。
計算繪制齒輪箱軸心位移的全負荷溫度特性曲線時，將考慮到下列因素的影響。
齒輪箱機座的熱膨脹；
齒輪箱殼體的熱膨脹；
齒輪箱軸的熱膨脹；
運轉時齒輪箱機座的彈性變形；
運轉時齒輪箱殼體的彈性變形；
運轉時軸承間隙、齒輪嚙合力和油膜引起的軸心位置的變動。
法蘭的端面跳動、徑向跳動。
原動機、工作機械的影響。
這里所講的“找正”是一個過程，并不等于“對中”，“對中”是一個狀態。找正規范中我們規定了嚴格找正方法，按規范找正，可保證齒輪箱長壽命、安全可靠地工作。自80年簽訂許可證協議以來，我公司已設計制造多種型號的永進-船用齒輪箱。在國防、航運中應用日益廣泛。
在多年實際使用中，永進齒輪制造技術經受了嚴格的檢驗，也給我們提供了豐富的經驗。我們深信，隨著我國海軍建設、漁業、航運事業和建材機械及電力、冶金的發展，永進齒輪箱將在更多的部門應用，為祖國的民族工業作出更大的貢獻。
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