大功率高速傳動齒輪箱關鍵技術分析

默靜飛，李夫慶，劉 陽，葉 超

中國聯(lián)合重型燃氣輪機技術有限公司，北京 100016

目前，國外高速、重載齒輪箱技術已發(fā)展到很高的水平，設計制造技術相對成熟，以RENK、FLENDER、BHS等為代表的高速齒輪箱供應商生產的高速齒輪箱功率已達140MW左右，最高轉速為10萬r/min，最高齒尖線速度為300m/s。隨著速度的提高，對齒輪制造精度的要求也在不斷提高。我國以南京高精傳動設備制造集團有限公司、重慶齒輪箱有限責任公司等單位為代表，也在高速齒輪箱設計、制造方面取得了長足的進步。高速齒輪箱是工業(yè)領域的關鍵設備，其可靠性尤為重要，同時還應關注齒輪箱壽命，使齒輪箱更具經濟性。文章以某項目需求為基礎，對100MW等級，輸出轉速約10000r/min的齒輪箱的技術可行性展開了探討，并對主要設計、加工制造難點等做了詳細的分析。

1 100MW等級齒輪箱的主要技術要求

某項目對齒輪箱的需求如表1所示。由于該功率等級、高增速比的齒輪箱應用較少，需要對技術可行性進行分析。

表1 100MW等級齒輪箱主要需求參數(shù)

2 大功率高速齒輪箱關鍵技術

對于大功率高速傳動齒輪箱，一般要求其傳動平穩(wěn)、穩(wěn)定，動態(tài)性能可靠。基于該項目100MW等級齒輪箱需求，為確保技術可行，文章對大功率高增速比齒輪箱主要關鍵技術進行分析，具體如下。

2.1 齒輪節(jié)圓線速度

針對該項目100MW等級齒輪箱，高速輸出齒尖線速度：

式中：N為高速輸出端速度；R為高速齒輪半徑。預計齒輪箱高速齒輪線速度在150m/s以下。

當前國內外先進齒輪箱齒輪線速度可達到180m/s以上。例如，國內主要齒輪箱供應商可達到的齒輪節(jié)圓線速度最高約200m/s，而以RENK為代表的國外主要齒輪箱供應商有齒輪節(jié)圓線速度達到300m/s的相關應用案例。

2.2 齒輪強度校核

齒輪強度包括接觸強度、彎曲強度和膠合強度。近年來，隨著材料和工藝技術的發(fā)展，齒輪箱業(yè)內已逐步采用硬齒面高速齒輪取代原先的軟齒面和中硬齒面高速齒輪。由于采用了滲碳淬火工藝，高速齒輪齒面硬度高，硬化層沿齒廓存在理想的參與壓應力分布，使高速齒輪齒根彎曲應力和齒面接觸強度顯著提高，從而使齒輪的承載能力也得到了大幅度的提高。齒輪齒面校核常發(fā)生在高速重載場合，當齒輪表面受較高載荷和較高的齒間滑動速度作用時，齒面接觸區(qū)產生的摩擦熱會引起局部的瞬間溫度升高，潤滑油黏度變稀，油膜厚度降低，導致潤滑油膜破裂，兩齒面金屬直接接觸，摩擦加劇且局部發(fā)生熔化焊合，熔化焊合后隨著相對滑移而撕裂，導致齒面沿滑移方向產生了特殊的溝痕。膠合將致使齒輪漸開線形狀嚴重破壞，使傳動質量急劇下降，摩擦功率損失不斷增大，并使齒面溫度又進一步升高。齒面膠合引起的振動使齒輪遭受較大的動載荷，從而降低了彎曲強度和接觸強度。

齒輪強度校核的一般步驟：根據給定的工作條件，選取合適的齒輪材料和熱處理方案，確定齒輪的接觸疲勞許用應力和彎曲疲勞許用應力；根據設計準則進行設計計算，確定齒輪模數(shù)或小齒輪分度圓直徑；選擇齒輪的主要參數(shù)并計算主要幾何尺寸；校核齒輪齒面接觸疲勞強度或齒根彎曲疲勞強度。

采用并車雙軸輸入可降低輸入軸傳扭能力需求，從而降低齒輪承受的載荷。因此，采用并車雙軸輸入是實現(xiàn)技術可行性的重要途徑。

2.3 軸瓦線速度和軸承比壓

軸承的設計選型是齒輪箱設計的重點工作，軸承軸瓦線速度和軸承比壓是影響大功率高增速比齒輪箱設計的關鍵因素。為降低設計難度，綜合考慮各項限制條件，軸承軸瓦線速度應控制在120m/s以下，軸承比壓控制在3MPa以下。基于經驗數(shù)據，上述軸瓦線速度和軸承比壓可實現(xiàn)，但需針對軸承的綜合要求進行技術驗證。

2.4 轉子動力學分析

轉子動力學分析為齒輪箱傳動系的設計提供動力學依據，一般大功率高速齒輪箱針對傳動系轉子動力學分析的要求如下：（1）系統(tǒng)工作頻率及其他特征頻率應遠離各階固有頻率；（2）二階固有頻率應是一階固有頻率的2倍以上，以后各階相鄰固有頻率之比≥1.3，且分布相對合理；（3）振型圖的節(jié)點不允許位于齒輪上；（4）扭矩放大系數(shù)不大于2.5。

2.5 封嚴設計

高速齒輪箱軸承座和輸入輸出軸封之間留有足夠的軸向距離，當齒輪高速運轉時，從軸瓦留出的大部分潤滑油落到軸承座和軸封之間的空間，流回箱體中。

采用多道迷宮篦齒封嚴可有效實現(xiàn)滑油封嚴，該技術在齒輪箱設計中較為常見。在迷宮篦齒封嚴結構中，通過設置回油孔回油至箱體內，保證軸端無泄漏。同時，迷宮篦齒封嚴是非接觸式密封，端蓋內孔帶有鋸齒形環(huán)槽，既可以防止油和油氣向箱體外部泄露，又可防止外來物侵入箱體。

2.6 箱體變形控制

箱體用來支撐和固定軸系零件的基礎部件，箱體具有足夠的剛度是內部齒輪和軸承穩(wěn)定運轉的前提。大尺寸齒輪箱箱體一般采用鑄造或焊接工藝，以焊接較為常見。在選擇箱體制造工藝時需要充分考慮箱體剛性，進行有限元分析，根據應力應變分布確定支撐肋板的位置、厚度及相應焊縫的位置。

預計齒輪箱箱體長度約7m，高度約3m，寬度約2m。因箱體尺寸巨大，在設計中應充分考慮供加工、裝配、運輸、存儲、安裝及維修時找正的基準面。

2.7 齒輪修形

高速齒輪由于制造和安裝誤差、齒輪的彈性變形、扭轉變送和熱膨脹等因素，使得齒輪在嚙合過程中不可避免地產生了沖擊、振動和偏載。變形會造成齒輪一端偏載，嚴重時將影響齒輪的正常運轉。因高速齒輪溫度分布具有溫度高且沿齒寬分布不均勻的特點，從而引起熱膨脹量不均勻致使螺旋形偏差，因此即使在裝配時齒面接觸均勻，但在運轉時載荷沿齒寬的分布仍會不均勻。

如果僅從提高齒輪制造和安裝精度方面考慮改善齒輪的運動品質，必然會顯著增加齒輪的制造成本。要使高速齒輪箱運轉平穩(wěn)，減少由齒輪所受載荷導致的變形和制造誤差引起的嚙合沖擊，并改善齒面的潤滑狀況及獲得較為均勻的載荷分布，則需對高速齒輪進行修形。

高速齒輪齒形修形一般在小齒輪上進行，而配對的大齒輪不進行修形。齒形修形量大小主要取決于齒輪的負載及制造精度。同時，在并車雙軸輸入時，良好的齒輪修形將使得齒輪箱取得較好的降噪和減振效果。

2.8 齒輪精度的選取

一般而言，齒輪的線速度越高，齒輪需要的精度也越高，齒輪箱運轉過程中的噪聲就越小。API613按齒輪轉速規(guī)定了相應的噪聲標準。此外，齒輪的制造成本與齒輪的精度密切相關，因此選擇一個合適的制造精度尤其重要。參考國內外相關標準，考慮到對齒輪箱使用中存在快速升降轉速等情況，為保證齒輪箱在此惡劣的交變工況下穩(wěn)定可靠運轉，齒輪精度選取4級精度可基本滿足需求。

3 齒輪箱壽命的影響因素

該項目100MW等級齒輪箱為非標定制產品，應用于非標旋轉葉輪機械試驗件試驗，試驗工況范圍寬泛，且試驗工況較為復雜，而復雜的應用工況是影響齒輪箱壽命的關鍵因素。

軸承作為齒輪箱的主要承力部件，工作環(huán)境惡劣，承受載荷復雜，其是影響齒輪箱壽命的主要零件。在應用維護中，應關注并保證齒輪、軸承的滑油質量，監(jiān)控并限制軸承溫度。使用過程中，在不發(fā)生滑油斷油、油品失效和特殊工況突變等情況下，軸承軸瓦的壽命可保證5～10年。

鑒于該項目100MW等級齒輪箱使用中試驗工況的復雜性和實際滑油潤滑條件，軸承軸瓦在實際使用過程中難免承受瞬時載荷沖擊造成損傷，將軸承作為易損件進行備份是常用措施。

4 結束語

綜上所述，文章通過對大功率高速齒輪箱設計、制造、裝配中主要關鍵技術進行分析，選擇合理的設計參數(shù)和加工精度，保證了齒輪箱穩(wěn)定可靠運行，降低了齒輪箱振動和噪聲，保障了齒輪箱使用壽命，從而分析確定了該項目100MW等級齒輪箱的技術可行性。