液壓錨機齒輪質量問題探討

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(中國船級社 武漢分社，武漢 430022)

本文討論的液壓錨機為齒輪二級傳動方式，且一級傳動齒輪副裝有閉式齒輪箱。該錨機設計額定負載544 kN，額定速度9 m/min,支持負載880 kN，采用日本KPM生產的HMC液壓高壓馬達。液壓馬達輸出端裝有一級傳動小齒輪，該小齒輪由于直接輸出馬達轉矩，故強度要求很高，材質選用42GrMo合金鋼鍛件。與之嚙合的大齒圈為45#材質，大齒圈與錨機主軸通過鍵配合將轉矩傳遞給二級傳動齒輪，即離合器小齒輪。離合器小齒輪選用35GrMo材質，與之嚙合的錨鏈輪大齒圈選用40Mn2鑄鋼件。通過以上兩對齒輪副的嚙合，實現傳遞液壓馬達輸出轉矩的過程，從而完成拋錨和起錨的工作。液壓錨機齒輪常見問題如下。

1 齒輪表面質量問題

齒輪的加工方法很多，不同的加工方法形成了齒輪不同種類的加工紋理。加工紋理的多樣性和表面形狀的復雜性，給齒面質量控制帶來了很多困難[1]。齒輪表面質量按表現的形式和影響產品質量的不同，可分為微觀形狀誤差(粗糙度)、中間形狀誤差(波紋度)、宏觀形狀誤差等[2]。

1.1 齒輪表面質量問題和對使用性能的影響

1.1.1 產生齒輪表面質量問題的產生原因

1)近年來船舶工業發展迅猛，對錨機的需求激增，企業訂單增加，但配套的齒輪加工從設備來不及更新，于是，企業便通過減化滾齒工序來達到增加產量的目的。另外，滾齒加工廠家規模和水平參差不齊，導致齒輪加工質量問題重重。比如，本來一個錨鏈輪大齒圈需要滾齒機4刀完成，現在削減為3刀，齒輪表面出現線狀凹坑。根據設計要求，一級傳動小齒輪表面糙造度Ra3.2μm，大齒圈、離合器小齒輪和錨鏈輪大齒圈粗糙度要求均為Ra6.3μm,齒輪加工后表面粗糙度不滿足要求，這種情況在實際檢驗中經常遇到，需加強控制管理。

2)滾刀未能定期更換或上磨床進行磨刃。以一配套鏈徑為87 mm的錨鏈輪大齒圈的加工為例，一般情況下，滾刀每滾齒兩件即要求上磨床磨刃，每滾10件左右即要求更換新的滾刀。但考慮到生產進度和成本問題，有些廠家無法完全做到上述要求。齒輪在滾齒機上定位加工時，已是考慮到嚙合狀態了，如果再對出現表面線狀凹坑的齒輪表面進行打磨，將改變齒輪的公法線，造成嚙合不好。

3)齒輪鑄造。錨鏈輪大齒圈為ZG40Mn2,由于周邊配套廠家多為小型鑄件廠，設備和生產工藝方面的不足導致鑄件質量出現各種問題。

另外，導致齒輪表面質量問題的原因還有齒坯材質不均勻或熱處理不充分；滾齒時滾刀爬行；滾刀安裝角度誤差過大或滾刀本身齒形誤差過大；滾齒過程中機床振動過大等[3-4]。

1.1.2 齒輪表面質量問題對使用性能的影響[5]

1)齒面加工紋理對摩擦性能的影響。本文討論的錨機用齒輪均為滾齒機加工的直齒，滾齒的切削軌跡與嚙合軌跡平行。這樣容易引起表面溝槽間相互咬合，為不理想的摩擦副，實際檢驗中經常見到。

2)表面粗糙度對齒輪使用性能的影響。

①對齒輪潤滑狀態的影響。理論上講，由彈性流體動力潤滑產生的油膜厚度要薄于相嚙合面間表面粗糙度高度，從而使齒輪在嚙合過程中處于面接觸狀態。一般地，齒輪工作的潤滑狀態由膜厚比λ來判斷。

式中：hmin——最小油膜厚度；

σ1，σ2——兩齒面粗糙度的均方根偏差。

λ<1，兩齒面處于邊界潤滑狀態；1<λ<3時，兩齒面處于部分彈性流體潤滑狀態；λ≥3時，兩齒面處于完全彈性流體潤滑狀態；當油膜厚度h一定時，齒面的粗糙度越小，σ1、σ2越小，λ越大，油膜承載能力就越大，齒輪齒面磨損就越小，齒輪壽命也就越長。

②對摩擦因數的影響。最小油膜厚度對齒輪傳動的失效有直接影響，目前通過膜厚比λ來控制齒面的擦傷和膠合。潤滑狀態和摩擦因數f隨膜厚比的變化見圖1。

圖1 摩擦因數f和潤滑狀態隨膜厚比λ的變化

在邊界潤滑下，摩擦因數較大；在部分潤滑下，摩擦因數隨膜厚比的增加而減小；在全膜狀態下，摩擦因數很小。由于大部分齒輪傳動均工作在混合潤滑狀態，齒面粗糙度越小，膜厚比就越大，齒面粗糙度的凸峰間接觸面積就越小，摩擦因數較小。

③齒輪嚙合噪聲的影響。齒輪的承載能力在采用淬火工藝后已顯著提高，但在高負荷下運轉，齒輪的振動和噪聲會很明顯。齒面粗糙度越大，齒輪在嚙合時越是易形成點接觸而不是面接觸，嚙合噪聲就越大。

1.2 消除齒輪表面問題的方法

1)選擇好滾齒定位基準。一般光孔齒輪用心軸定位，花鍵控齒輪用花鍵心軸定位，這是保證滾齒后齒輪表面質量的基本要求。

2)按照要求定期對滾刀進行修磨，對磨損嚴重且達不到要求的滾刀進行更換。

3)鍛件齒輪齒圈熱處理要滿足相關工藝要求，鑄件齒輪齒圈保證足夠的加工余量。

4)齒輪的表面質量對其使用性能和壽命有重要影響，在滾齒后增加精加工和光整加工工序。可以提高加工精度，并且可以大幅改善其表面質量，從而提高齒輪的使用壽命，降低齒面的嚙合噪聲，減少摩擦損失，提高承載力。

2 齒輪嚙合不對中問題

一般來講，齒輪嚙合技術要求齒輪的接觸面積在齒寬方向>50%，齒高方向>30%，接觸位置為齒的中間部位。齒輪不對中容易造成齒輪嚙合的偏磨，最終導致齒輪甚至整臺錨機報廢。

解決齒輪不對中問題常用方法如下。

1)先將錨機支座、液壓馬達機架按照圖紙尺寸要求固定在試驗平臺上。

2)將錨機離合器小齒輪和一級傳動大齒輪冷套或通過鍵連接裝配到錨機主軸上，一級傳動小齒輪裝配到馬達輸出軸上。

3)將錨鏈輪與大齒圈裝配后，以2)為基準安裝到錨鏈輪支架上，再將一級傳動小齒輪按照圖2所示安裝到機架上。

圖2 一級傳動小齒輪的定位和安裝

4)將離合器小齒輪和一級傳動小齒輪的端部定位環通過螺釘固定在主軸上。

3 齒輪嚙合不正常磨損問題

齒輪嚙合過程中的磨損不正常是齒輪故障中的常見問題，相對滑動齒面的磨損量與齒面的相對滑動量成正比，由于齒面上不同位置處的相對滑動量不同，所以磨損量也不同。齒面不均勻磨損使磨損后齒形發生變化，不再滿足恒定傳動比傳動條件，造成傳動比不穩定，引起附加載荷。不正常磨損使齒厚減薄，齒根的抗彎曲疲勞強度降低，最終造成彎曲疲勞折斷。

某公司為某船廠生產的18萬t散貨船錨機大齒輪曾出現異常磨損情況。該船在試航過程中，閉式齒輪箱的噪聲異常，打開齒輪箱發現大齒輪出現異常磨損，表面出現拉傷，見圖3。

圖3 18萬t散貨船齒輪表面異常磨損

通過分析實際檢驗過程中齒輪磨損方面的問題，對不正常磨損的原因和解決方法總結如下。

1)錨機主軸和錨鏈輪軸定位不平行導致齒輪副在裝配后軸不平行，首先要解決安裝定位的誤差問題。

2)選擇淬火性能好、耐磨性好的齒坯材料。

3)改善齒面的表面形貌，提高齒輪的表面精度和降低表面粗糙度，使嚙合的接觸面盡可能大，剪切阻力盡可能小。

4)改善潤滑條件，保持良好的潤滑狀態。

4 齒輪嚙合噪聲問題

4.1 產生齒輪嚙合噪聲的原因分析

齒輪傳動過程中,由于輪齒的加工誤差以及輪齒彈簧剛度的周期變化,產生引起齒輪振動的激振力。齒輪嚙合傳動噪聲，其聲源為嚙合傳動中的相互撞擊，齒輪傳動中的撞擊主要由齒輪嚙合剛性的周期性變化以及齒輪傳動誤差和安裝引起的[6]。齒輪傳動產生噪聲的因素很多，例如齒輪軸兩端支撐孔的同軸度和齒輪軸之間中心距的加工誤差，傳動軸的剛性誤差，齒輪安裝在軸上產生的偏心，直齒輪的運轉速度過快、潤滑條件差等。實際經驗表明，齒輪本身制造的齒形精度是噪聲產生的主要原因。

4.1.1 摩擦力產生沖擊振動

齒輪嚙合過程中，主動輪齒面所受的摩擦力 背離節線而分別作用于齒頂及齒根，從動輪齒面所受的摩擦力則分別由齒頂及齒根朝向節線作用，于是在摩擦力換向時由節圓沖擊產生噪聲，速度越大噪聲越大。另外，主從動輪之間相互滑動，當粗糙度Ra值大于理論漸開線，則出現很大沖擊。

4.1.2 齒輪的接觸誤差和側隙的影響

當兩對相互嚙合的齒輪，其軸心線存在平行度誤差超過規定值后，齒輪在嚙合區內將呈現點接觸狀況，所有的齒輪載荷將集中到這些點上。在傳動產生的擠壓下，這些接觸點會很快被相互磨去，于是便出現齒輪規定側隙急劇擴大的狀況，進而使該齒輪在嚙合運動時產生沖擊、振動和噪聲增大現象。

側隙是齒輪傳動的必要條件，存在一定量的側隙便于保證齒輪的潤滑狀態，側隙的大小由齒輪傳動的速度和齒輪精度決定。當兩對嚙合的齒輪實際中心距與理論中心距出現超過規定公差值，則中心距呈正或負公差狀態，引起嚙合時沖擊，產生噪聲。對錨機的檢驗發現，側隙保持在0.05 mm是最好的嚙合狀態。

4.1.3 齒輪傳動誤差和安裝誤差的影響

1)齒形誤差會引起與嚙合頻率相同的傳動誤差與噪聲。

2)齒距誤差為隨機誤差，產生的噪聲頻率與嚙合頻率不同，不會提高嚙合頻率上的噪聲幅度，但會加寬齒輪噪聲音頻的帶寬。

3)軸線在節平面上投影的不平行、齒向誤差及軸在傳動負載下的變形會使齒輪在齒寬方向上的接觸長度縮短，造成嚙合剛性下降，由此產生的傳動誤差及齒輪傳動嚙合剛性的周期性變化是產生噪聲的另一原因。

4.1.4 齒輪嚙合剛性的周期性變化對傳動噪聲的影響

齒輪的剛性變化是指齒輪傳動中因同時嚙合齒數不同而引起的嚙合齒輪承受載荷的變化，并由此引起齒輪變形量的變化。在錨機用的直齒輪傳動中，嚙合線上的同時嚙合齒數在1～2對之間變化，而其傳動的轉矩近似恒定。因此，當一對齒輪嚙合時，全部載荷均作用于該對齒輪，變形量較大；當兩對齒輪嚙合時，載荷由兩對齒輪共同承擔，每對齒輪的負荷減半，此時齒輪變形量較小。這一結果使齒輪的實際嚙合點并非總是處于嚙合線的理論嚙合位置，由此產生的傳動誤差使輸出軸的運動滯后于輸入軸的運動。主、被動齒輪在嚙合線外進入嚙合時，其速度的瞬時差異造成在被動齒輪齒頂處產生撞擊。在不同載荷下齒輪傳動產生的噪聲程度不同，其原因在于不同載荷下齒輪產生的變形量不同，造成的撞擊程度不同。

4.2 改善齒輪嚙合噪聲的途徑

1)齒輪修緣。齒輪傳動中的撞擊是產生噪聲的主要原因，采用齒輪修緣能有效減小齒輪傳動中的撞擊，從而控制齒輪傳動噪聲。該方法在齒輪傳動設計中得到了廣泛應用[7]。

齒輪修緣在某些場合下比提高齒輪精度更為有效。雖然提高齒輪精度可以減小齒輪傳動誤差，降低齒輪傳動噪聲(特別是空載狀態下的噪聲)，但在負載下可能會因齒輪變形而產生傳動誤差，且隨著載荷增加，傳動誤差及噪聲也隨之增大，而采用齒輪修緣卻能有效改善這一現象。齒輪修緣方式主要有長修緣、短修緣和齒向修緣3種。

2)設計合理的重合度系數，提高齒輪載荷的均勻性和運行的平穩性。重合度系數大，則齒數變大，參加嚙合的齒數增多，齒輪載荷被分配到每個齒輪的載荷變小、變均勻，故從動輪的運轉也均勻些，相對產生的噪聲也將明顯減小。但此時因齒數變大，齒輪外徑大，造成設計上的浪費；而重合度系數太小，接近1時，雖然齒輪外徑將明顯減小，但嚙合的齒輪數將急劇減小，必定產生齒輪載荷大部分集中在一對嚙合齒上，因而從動輪運轉的均勻性變差，損壞齒輪，產生噪聲。因此，必須科學地選擇齒輪的重合度系數來減小齒輪的嚙合噪聲。

3)調整機床，提高齒輪的加工精度，保證齒輪的運動精度和工作平穩性。

4)對齒輪表面進行光整加工，可有效降低齒輪嚙合的噪聲。

總之，使齒輪嚙合產生噪聲的因素是多方面的，要降低齒輪的噪聲應從多個環節入手，找出主要影響因素。除了從齒輪的設計、制造、安裝的質量入手外，還須檢查齒輪軸、潤滑狀態，從而使齒輪嚙合降噪達到滿意的效果。

[1] 張 津.齒輪材料及齒輪表面工程技術發展現狀[J].機械工藝師,1999(2):36-37.

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[3] DUGAS J P.Gear finishing by shaving Rolling&Honing-Part1[J].Gear Technology, 1997,14(4): 26-36.

[4] Aziz S M,Seireg.A parametric study of friction noise in gears wear[J]. Gear Technology,1994(176):25-28.

[5] 李洪友.表面質量對齒輪使用性能指標的影響[J].北京:農業機械學報,2004,35(4):174-178.

[6] 王致堅.漸開線齒輪傳動的噪聲產生與防治[J].北京:機床與液壓,2005(5):208-210.

[7] 孟百剛.改善齒輪噪聲的途徑[J].一重技術，2002(3):23-24.