大型進口齒輪箱自主維修及國產化實踐

李惠敏 關 權 陳少峰

一、簡介

發酵大罐是青霉素生產工藝中的核心設備，由于微生物發酵的生產周期較長，所以攪拌系統的連續可靠運行顯得至關重要，目前國內的青霉素生產廠商均選用進口專業的齒輪箱提供攪拌動力。作為亞洲最大半合抗生產基地之一，公司擁有十余臺青霉素發酵大罐，配置了美國某知名品牌的專業齒輪箱，目前運行約七萬臺時，陸續進入耗損故障期。綜合考慮維修成本、質量、工期及國產化等因素，公司決定對發生故障的齒輪箱進行自主維修，并確認杭州某公司作為維修協作單位。進口齒輪箱主要技術參數和內部結構分別見表1和圖1。

二、維修中的重點難點及解決措施

1.螺旋傘齒輪嚙合

（1）齒輪箱第二級減速齒輪為Gleason制式、硬齒面、等頂隙收縮螺旋傘齒輪，齒面未經過磨齒工藝，僅進行了磨料對研，精度不高。齒輪副齒數分別為21和42，具有公因數特點，因此在組裝時必須配對更換，并將齒輪副出廠時所做的特定齒標記相互對準，防止嚙合錯位引起的噪聲及振動等故障。

（2）螺傘齒輪副的嚙合位置及嚙合間隙應同時進行精確調控，根據經驗，如不能同時滿足要求，要優先保證嚙合位置的準確性。嚙合位置通過涂色法進行確認，接觸斑點應在齒面中間位置（齒高方向55%～75%，齒長方向50%～70%），偏向小端。如有必要，應向齒輪副制造廠商索取研齒時嚙合位置圖片，確認調控標準。

表1 主要技術參數

（3）精確調整嚙合間隙，應從整個嚙合圓周上平均取4點，確保4點偏差在0.01mm之內，復測時數據應有重現性。在初次裝配4號螺旋傘齒輪后，測量嚙合間隙，得出4點偏差為0.04mm，試車時發現螺旋傘齒輪副嚙合噪聲超標。拆檢4號螺旋傘齒輪，發現其徑向定位面單邊間隙為0.035mm。經分析，該螺旋傘齒輪副在初次裝配時就發生了平移，因此造成了嚙合間隙4點誤差超標。

排除操作性差、精確度低的塞尺定位法和熱脹冷縮法，采用如下方法確保4號螺旋傘齒輪的徑向精確定位，可參照圖2。①確認與定位孔A同軸的面，即用螺旋傘齒輪小端內凹處作為裝配徑向基準面。②用螺栓將螺旋傘齒輪預緊在5號齒輪軸上。③用雙頂尖車床、杠桿百分表檢查裝配徑向基準面的圓跳動，控制標準為＜0.01mm，如超差，可輕敲螺旋傘齒輪外圓進行微調。④將螺栓緊固至規定扭矩，復測圓跳動應達標。⑤試車并檢測噪聲應達標。

2.圓柱斜齒輪嚙合

（1）雖然與錐齒輪副相比，圓柱齒輪副加工精度較高，具有互換性，不必配對更換，但基于運行可靠性和壽命預期的考慮，美方維修專家仍認為圓柱齒輪應同時更新，不建議一新一舊參與嚙合。經充分研究圓柱齒輪副的制造工藝認為，對于圓柱齒輪副應根據具體情況確定是否同時更新，如齒數比不大（齒數比＜2.5），兩齒輪預期壽命相似，應考慮同時更新。如因特殊原因造成其中一個齒輪提前非正常損壞，可在確認另一齒輪的齒形、齒向和齒距等測量數據沒有超標的前提下，可以只更換其中一個損壞的齒輪。這一做法的正確性，經后來的實際試車得以驗證。

（2）實際工作中發現，十余臺進口齒輪箱普遍出現6號大齒輪提前點蝕的現象，對此根據GB/T 3480-1997進行詳細計算和分析，制定了優化的國產化方案，相關數據參見表2。

齒面接觸應力914MPa（5號和6號齒輪齒面接觸應力近似相等），其中因齒輪箱動力為啟動轉矩較大、運行較平穩的電動機，工作特性為密度不均勻的液態物料攪拌，電動機與齒輪箱之間撓性聯結，使用系數選取1.25。

設定齒輪箱預期壽命為72000h，因5號和6號齒輪齒面硬度不同，接觸疲勞極限不同，安全系數選取也不同，計算得到5號齒輪齒面許用接觸應力為1061MPa＞914MPa；6號齒輪齒面許用接觸應力為845MPa＜914MPa。

計算結果表明，6號齒輪實際接觸應力914MPa，大于許用接觸應力845MPa，6號齒輪提前發生點蝕（與現場情況相符），同時5號齒輪預期壽命遠比6號齒輪長，壽命過剩，因此在國產化時也進行了優化。結合國內通用材料及熱處理能力，5號和6號齒輪均選用20CrMnTi，齒面滲碳淬火，硬度56～62HRC，齒面接觸疲勞極限達到1550MPa。原齒輪副為高變位傳動，現因齒輪副材料相同，為提高齒輪副的抗膠合能力與耐磨損性能，變位系數的分配原則為兩齒輪齒根的最大滑移系數相等。優化后的6號齒輪齒面能夠承受重載、高速及較大沖擊載荷（即使用系數可達1.75），保守計算得出，6號齒輪預期壽命由不足72000h延長至99500h，安全系數由0.85提高至1.26。

表2 進口5號/6號齒輪副主要技術參數一覽表

由于發酵大罐內流體產生的獨特的反作用力，齒輪箱輸出軸將承受巨大的彎矩，因此必須要保證輸出軸齒輪及軸承在軸肩上定位可靠，其間隙應＜0.02mm。用油浴加熱法安裝軸承時，由于冷縮、放氣及油膜蠕動等原因，軸承在熱裝到位后，如果不持續施加外力至室溫，將不可避免地在定位面出現0.02～0.04mm的間隙。因此熱裝軸承時的二次定位非常關鍵，既要保證裝配無間隙，又不要破壞軸承，還要簡便易行。基于此，加工了一個有平行度要求的工裝（圖3）。

三、試車心得

1.確立試車關鍵指標

振動、溫度、噪聲都可作為試車指標，但監測數據顯示，噪聲是定義維修質量的關鍵指標，見表3。

2.載荷對試車噪聲的影響

影響齒輪箱噪聲最明顯的因素之一是載荷。文獻表明大約2/3齒輪裝置的噪聲值隨載荷的增加而增大，有1/5沒有變化，其余齒輪裝置的噪聲值隨載荷的增加而減小。該齒輪箱加載后噪聲值減小，原因應是空載時沒有來自流體的反作用扭矩，齒輪嚙合時出現“打齒”現象，導致噪聲值較大。因此明確一個概念：在短時間（＜1h）空載試車，確定無沖擊及摩擦雜音后，應分3～4步進行長加載試車，不可長時間空載試車，以免造成齒面的不必要損傷。

3.逐級排除噪聲源的必要性

對試車時出現的噪聲，現場最好有頻譜測量手段，通過監測頻率值定位噪聲源。如不具備條件，可逐級拆出齒輪副分別試驗，以便準確定位噪聲源。例如先拆出9號軸和5號齒輪軸，試車排除1號和2號齒輪故障，再安裝5號齒輪軸，試車排除3號和4號齒輪故障，最后安裝9號軸，試車排除5號和6號齒輪故障。

表3 空載試車監測數據對比

四、維修管理

1.過程控制的重要性

進口齒輪箱制造商一般不會提供非常明確的裝配、檢測方法及試車驗收標準，同時因進口齒輪箱的特殊性，也不一定適用于國標要求，所以在維修過程中必須制定分解詳細的作業指導書，通過一系列中間控制，例如可靠定位、螺栓扭矩、軸承的軸向游動量、螺旋傘齒輪嚙合間隙和涂色法觀察齒輪嚙合位置等，來達到預期維修質量和使用壽命。

2.使用方、維修方與設計制造方的緊密結合

為達到優良的運行可靠性和壽命預期，設備的設計制造方必須要圍繞發酵大罐齒輪箱特有的使用工況，有針對性地進行設計制造。維修方也只有充分了解使用工況，深刻領會設計意圖，才能復原設備的初始狀態，達到滿意的維修效果。在三方合作中維修方是施工主體，設計制造方是技術后盾，設備使用方不僅是維修作業的發起者、推動者和決策者，同時也成為溝通維修方和設計制造方的橋梁。三方在充分溝通和信息共享的基礎上，才能成功實現完美的自主維修作業。