某高速船用齒輪箱油泵連接套失效機(jī)理研究

王斌，劉演龍，馮健

（1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510300；2.重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263）

某高速船用齒輪箱使用10 多年后，發(fā)現(xiàn)左機(jī)工作油泵連接套斷裂，右機(jī)連接套磨損正常，遠(yuǎn)小于左機(jī)的磨損。更換左機(jī)的連接套后，造成工作油泵快速損壞，引起齒輪箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)頻繁報(bào)警。左機(jī)齒輪箱連接套的拆檢，發(fā)現(xiàn)機(jī)帶泵的聯(lián)軸套端面鍵斷裂及磨損（如圖1 所示），帶動(dòng)機(jī)帶泵的反向軸端面鍵卡槽磨痕深約1 mm，磨損區(qū)域平整光滑，并進(jìn)一步導(dǎo)致了油泵的損壞。右舷齒輪箱機(jī)帶泵進(jìn)行拆檢，機(jī)帶泵正常，機(jī)帶泵聯(lián)軸套端面鍵及反向軸端面鍵卡槽僅有輕微磨損，屬于正常現(xiàn)象，如圖 2所示。

圖1 左機(jī)聯(lián)軸套端面鍵及鍵槽磨損情況Fig.1 Wearability of straight end-face key and keyway of the left connecting sleeve

圖2 右機(jī)聯(lián)軸套端面鍵及鍵槽磨損情況Fig.2 Wearability of straight end-face key and keyway of the right connecting sleeve

為了確保船用齒輪箱的安全運(yùn)行，亟需對(duì)油泵連接套的失效機(jī)理進(jìn)行研究，為后續(xù)提高其可靠性奠定理論基礎(chǔ)。張建平、王新剛、彭朝霞等[5-7]對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽磨損、耐磨性進(jìn)行了研究。趙洪、董炳武等[8-13]對(duì)限壓式變量葉片泵、潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊等機(jī)械的摩擦特性、自磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。斯松華、范梓良等[14-20]對(duì)鋼的磨損特性進(jìn)行了研究。文中從齒輪箱系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)工作油泵連接套結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從齒輪箱動(dòng)態(tài)軸軸系擾動(dòng)運(yùn)行、連接套磨損、以及端面鍵間隙等方面對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行深入研究，為工作油泵連接套結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)和原理介紹

1.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

齒輪箱垂直異心布置，輸入軸在上，輸出軸在下。齒輪箱結(jié)構(gòu)及其傳動(dòng)原理如圖3 和圖4 所示。由于左右主機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向一致，均為順時(shí)針，螺旋槳旋向不同，為了形成模塊化生產(chǎn)，便于后期的維修，在左右舷齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)，采用相同結(jié)構(gòu)齒輪箱。通過內(nèi)部離合器的控制來實(shí)現(xiàn)左右舷齒輪箱不同的換向要求。

圖3 齒輪箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of gearbox structure

圖4 傳動(dòng)原理Fig.4 Diagram of transmission theory

齒輪箱左右機(jī)功率傳遞路線不一樣，左右機(jī)主傳動(dòng)的功率流如下所述。

左機(jī)正車時(shí)主功率傳遞路線為：主機(jī)→輸入軸→離合器1（接排）→小齒輪1→輸出齒輪→輸出軸→槳。

右機(jī)正車時(shí)主功率傳遞路線為：主機(jī)→輸入軸→離合器1（脫排）→離合器主動(dòng)齒輪→離合器從動(dòng)齒輪（與反向軸一體）→離合器2（接排）→小齒輪2→輸出齒輪→輸出軸→槳。

左右機(jī)的機(jī)帶泵功率傳遞路線為：主機(jī)→輸入軸→離合器主齒輪→離合器從動(dòng)齒輪→反向軸→機(jī)帶泵。

1.2 泵連接設(shè)計(jì)

齒輪箱機(jī)帶泵采用聯(lián)軸套與反向軸通過端面鍵連接的形式，如圖5 所示。為了防止長(zhǎng)期運(yùn)行過程中端面鍵快速磨損，聯(lián)軸套與油泵連接一端采用平鍵連接，另一端采用端面鍵連接。在設(shè)計(jì)時(shí)將聯(lián)軸套調(diào)質(zhì)處理、端面鍵表面局部氮化處理，提升其耐磨性能。

圖5 齒輪箱聯(lián)軸套連接結(jié)構(gòu)Fig.5 Connecting structure of gearbox connecting sleeve

額定工況時(shí)，機(jī)帶泵轉(zhuǎn)速為1800 r/min，額定功率為8.3 kW，聯(lián)軸套傳遞的扭矩為44 N·m。聯(lián)軸套與反向軸端面鍵按全接觸情況計(jì)算結(jié)果：配合面最大擠壓接觸應(yīng)力為10.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用擠壓應(yīng)力100 MPa；聯(lián)軸套最大應(yīng)力為55 MPa，遠(yuǎn)小于聯(lián)軸套屈服強(qiáng)度要求（≥540 MPa）；反向軸連接處最大應(yīng)力為38 MPa，遠(yuǎn)小于反向軸材料屈服強(qiáng)度（≥665 MPa）。聯(lián)軸套安全系數(shù)為9.52，反向軸安全系數(shù)為17.5。可以看出，連接部位的安全裕度大，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 連接套損壞原因分析

2.1 左右機(jī)油泵軸系影響分析

雖然是左右舷齒輪箱結(jié)構(gòu)，但使用的功能不同和功率傳遞路線不一致。從功率傳遞路線可知，右舷齒輪箱正車工作時(shí)，連接機(jī)帶泵的反向軸受到齒輪嚙合力，在高速旋轉(zhuǎn)下運(yùn)行穩(wěn)定。

左舷齒輪箱正車工作時(shí)，連接機(jī)帶泵的反向軸沒有受到齒輪嚙合力。在高速旋轉(zhuǎn)下，擾動(dòng)相對(duì)高。這樣引起連接機(jī)帶泵的端面鍵與反向軸的卡槽蠕動(dòng)加劇，磨損增大，從而引起機(jī)帶泵端面鍵與反向軸的卡槽間隙在相同運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)左舷齒輪箱比右舷齒輪箱大。

2.2 在動(dòng)態(tài)條件下反向軸與機(jī)帶泵對(duì)中分析

工作時(shí)，反向軸通過軸套帶動(dòng)機(jī)帶泵工作，軸套一端通過平鍵與機(jī)帶泵輸入軸連接，并通過軸套螺釘固緊，軸套另外一端通過端面鍵與反向軸的卡槽連接，端面鍵與卡槽通過0.05 mm 間隙配合。通過反向軸系、機(jī)帶泵安裝止口和聯(lián)軸套的形位公差、端面鍵配合間隙來保證在動(dòng)態(tài)條件反向軸與機(jī)帶泵的對(duì)中要求，使機(jī)帶泵平穩(wěn)運(yùn)行。長(zhǎng)期運(yùn)行后，聯(lián)軸套上端面鍵與反向軸的卡槽配合間隙逐步增大，最大可達(dá)到4 mm。這樣導(dǎo)致動(dòng)態(tài)高速度運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，反向軸與機(jī)帶泵嚴(yán)重不對(duì)中。

2.3 原因分析

通過上述分析可知，左舷齒輪箱機(jī)帶泵和聯(lián)軸套磨損壓潰的直接原因是機(jī)帶泵與反向軸在動(dòng)態(tài)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，聯(lián)軸套上的端面鍵與反向軸卡槽的3 mm 配合間隙引起機(jī)帶泵與反向軸不對(duì)中，導(dǎo)致機(jī)帶泵中的齒輪與泵體碰撞，同時(shí)在沖擊力下端面鍵卡爪局部壓潰。聯(lián)軸套上端面鍵與反向軸卡槽4 mm 的配合間隙，是由于聯(lián)軸套在高速運(yùn)行中微觀上蠕動(dòng)摩擦，在長(zhǎng)達(dá)1.5 萬小時(shí)運(yùn)行后，逐步形成的。

3 失效機(jī)理分析

3.1 端面鍵間隙影響

理論上，反向軸與油泵在同一中心線上運(yùn)轉(zhuǎn)，但在動(dòng)態(tài)條件下，由軸承間隙、箱體精度的影響，油泵中心與反向軸運(yùn)轉(zhuǎn)中心不在同一軸心線上，設(shè)計(jì)時(shí)通過端面鍵間隙進(jìn)行補(bǔ)償[1-2]。間隙太小，達(dá)不到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康模婚g隙太大，則會(huì)引起油泵與反向軸之間的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性差。特別在船用齒輪箱中，受到船舶搖擺影響，潤(rùn)滑油波動(dòng)很大，引起齒輪油泵運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，造成油泵軸與反向軸在端面鍵處反復(fù)碰撞，間隙越大，碰撞越劇烈。反過來影響油泵工作狀態(tài)，使油泵加速疲勞。

齒輪箱反向軸的軸承徑向間隙為0.26～0.46 mm，根據(jù)齒輪箱反向軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在端面鍵處的最大偏心為0.79 mm。考慮到動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)以及齒輪泵的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)，端面鍵的間隙為0.05～1.5 mm 左右為最佳。并且端面鍵徑向方向不約束，導(dǎo)致偏心運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)機(jī)率增大。

當(dāng)機(jī)帶泵與反向軸連接的端面鍵間隙變大時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，反向軸的擾動(dòng)增大了機(jī)帶泵油泵軸的擾動(dòng)，會(huì)造成反向軸與機(jī)帶泵不對(duì)中的程度增大，加大了機(jī)帶泵的負(fù)荷。當(dāng)間隙大到一定程度后，在泵遇到吸空或其他負(fù)荷變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)帶泵高速旋轉(zhuǎn)的油泵齒輪與鋁制泵體瞬間相碰，刮傷泵體。在瞬間相碰撞時(shí)，機(jī)帶泵卡滯，由于高速?zèng)_擊影響，引起負(fù)荷異常增大，導(dǎo)致端面鍵的卡爪局部壓潰，甚至斷裂，同時(shí)引起機(jī)帶泵損傷。

根據(jù)《理論力學(xué)》，剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方程：

本齒輪箱反向軸ω1的轉(zhuǎn)速為1800 r/min，原則上運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)速變化很小，但油泵轉(zhuǎn)速ω2在微觀上隨著船舶搖擺、油路氣蝕等原因，發(fā)生變化，變化的幅度與間隙密切相關(guān)。從式（3）可以看出，油泵運(yùn)轉(zhuǎn)中端面鍵發(fā)生微觀沖擊，導(dǎo)致端面鍵的瞬間扭矩大。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，若間隙擴(kuò)大到齒輪泵的間隙，則會(huì)發(fā)生瞬間扭矩大于540 MPa，導(dǎo)致端面鍵斷裂。

3.2 端面鍵蠕動(dòng)磨損影響

端面鍵與鍵槽通過面接觸帶動(dòng)油泵工作。機(jī)帶泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，端面鍵與鍵槽微觀上蠕動(dòng)，反復(fù)進(jìn)行摩擦。理論上反向軸每旋一次，則端面鍵摩擦循環(huán)一次。油泵的工作轉(zhuǎn)速為1800 r/min，頻率為60 Hz，每小時(shí)蠕動(dòng)運(yùn)行10.8 萬次。摩擦必然會(huì)產(chǎn)生微量磨損，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量[3-4]。為了降低磨損速度，在設(shè)計(jì)時(shí)將端面鍵氮化，形成一定的硬度差，減緩磨損速度。通過潤(rùn)滑端面鍵可以帶走熱量，進(jìn)一步延緩磨損程度。

3.3 油泵軸系擾動(dòng)影響

左舷齒輪箱中，由于反向軸沒有參與主傳動(dòng)，無齒輪嚙合力存在，在1800 r/min 轉(zhuǎn)速下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，帶著8.4 kW 齒輪泵運(yùn)行，反向軸擾動(dòng)大。大擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致端面鍵與鍵槽的蠕量程度與頻次相應(yīng)增加，磨損進(jìn)一步加快。通過左右舷齒輪箱的磨損情況對(duì)比（圖6）可知，經(jīng)過1.6 萬小時(shí)運(yùn)行后，左舷齒輪箱端面鍵磨損1 mm，反向軸槽磨損深度達(dá)3 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴(kuò)大到 4 mm。右舷齒輪箱端面鍵磨損0.5 mm，反向軸槽磨損深度達(dá)1 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴(kuò)大到1.5 mm。

油泵軸系擾動(dòng)除了與齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力有關(guān)，還有齒輪箱的運(yùn)行工況和使用環(huán)境有關(guān)。齒輪箱有高工況運(yùn)行時(shí)，齒輪箱的振動(dòng)能量會(huì)加大，軸系擾動(dòng)程度越高，引起連接鍵的蠕動(dòng)頻率越高，導(dǎo)致磨損速度加快。隨著船舶的橫搖和縱傾，船用齒輪箱的潤(rùn)滑油在齒輪箱的油底殼中波動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)帶泵運(yùn)行不平穩(wěn)，也會(huì)引起油泵軸系擾動(dòng)，尤其是持續(xù)風(fēng)浪中工作的船用齒輪箱擾動(dòng)更大，相應(yīng)蠕動(dòng)引起的磨損會(huì)加劇。

圖6 1.6 萬小時(shí)磨損情況Fig.6 Histogram of wear extent in 16,000 hours

3.4 端面鍵潤(rùn)滑影響

考慮到油泵軸系的擾動(dòng)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的蠕動(dòng)不可避免，通常對(duì)于高速運(yùn)行的動(dòng)態(tài)連接鍵，通過潤(rùn)滑減緩磨損。潤(rùn)滑方式主要有脂潤(rùn)滑、油浴潤(rùn)滑和強(qiáng)制潤(rùn)滑三種，潤(rùn)滑效果逐步減小。由于脂潤(rùn)滑在高速運(yùn)行后，時(shí)間不長(zhǎng)，潤(rùn)滑效果不佳，往往是低速間斷性運(yùn)行條件的潤(rùn)滑方式；油浴潤(rùn)滑也是在中速度間斷性運(yùn)行的潤(rùn)滑方式；強(qiáng)制潤(rùn)滑是高速連續(xù)運(yùn)行的潤(rùn)滑方式。

本次齒輪箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，油泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1800 r/min，連續(xù)運(yùn)行。首次裝配時(shí)加脂潤(rùn)滑，后續(xù)運(yùn)行時(shí)只能依靠齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)的飛濺潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，實(shí)際效果沒有達(dá)到端面鍵的磨損需要。蠕動(dòng)后溫度相對(duì)高，無法充分帶走熱量。長(zhǎng)期運(yùn)行后，端面鍵磨損加劇。

4 預(yù)防措施

4.1 優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)

鑒于船用齒輪箱的運(yùn)行特點(diǎn)以及軸系對(duì)油泵連接套的影響，為了進(jìn)一步提高連接套的可靠性，延長(zhǎng)壽命，將其結(jié)構(gòu)調(diào)整為：機(jī)帶泵采用聯(lián)軸套與反向軸通過漸開線連接的形式，如圖7 所示。即連接套與油泵一端采用漸開線花鍵連接，連接套與反向軸采用平鍵小過盈配合連接。

優(yōu)化后的花鍵連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：將端面鍵的單面摩擦變?yōu)槎嗝婺p，進(jìn)一步降低蠕動(dòng)的磨損量。同時(shí)可以降低磨損后對(duì)中不良的影響，有效防止長(zhǎng)期運(yùn)行過程中端面鍵磨損間隙增大帶來的風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上可以降低軸系的擾動(dòng)對(duì)油泵的影響，增加了油泵連接套的維修性。通過實(shí)船驗(yàn)證，油泵花鍵連接方式磨損速度遠(yuǎn)小于端面鍵的磨損速度。

4.2 優(yōu)化潤(rùn)滑方式

鑒于油泵高速運(yùn)行，飛濺潤(rùn)滑無法滿足端面鍵潤(rùn)滑需求，將飛濺潤(rùn)滑優(yōu)化為強(qiáng)制潤(rùn)滑，從反向軸增加油路，將壓力為0.2 MPa 的潤(rùn)滑油用來潤(rùn)滑漸開線花鍵。

圖7 聯(lián)軸套與反向軸的漸開線連接型式Fig.7 Involute connecting type of connecting sleeve and inversion axis

5 結(jié)論

船用齒輪箱的油泵連接形式，在特殊的使用環(huán)境下，會(huì)造成連接端面鍵快速磨損甚至斷裂。文中針對(duì)船用齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了端面鍵間隙和微觀蠕動(dòng)對(duì)端面鍵磨損的影響，對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了分析。

1）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與端面鍵的間隙有關(guān)，間隙過大，將引起油泵軸系對(duì)中在動(dòng)態(tài)下發(fā)生變化。

2）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與端面鍵動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)蠕動(dòng)磨損有關(guān)，而蠕動(dòng)磨損速度與端面鍵硬度、潤(rùn)滑方式直接相關(guān)。

3）某高速船用齒輪箱油泵連接套失效與齒輪箱的軸系擾動(dòng)有關(guān)，可通過優(yōu)化為漸開線花鍵連接方式減少軸系擾動(dòng)。

4）在后續(xù)需要對(duì)油泵連接方式在船用齒輪箱蠕動(dòng)條件下可靠性指標(biāo)進(jìn)行深入分析，對(duì)其壽命進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)裝備可靠性的提高奠定基礎(chǔ)，為全壽命周期裝備保障提供理論基礎(chǔ)。