硬齿面齿轮

　　 作者: 刘其勇(重庆齿轮箱有限责任公司) 收录来源: 新风电
【摘要】风力发电增速齿轮箱中，其输入轴承受叶片传过来的轴向力、扭矩和颠覆力矩。中间轴上的齿轮承受输入端传过来的力矩和输出端刹车时传过来的刹车力矩。输出轴上的齿轮承受中间轴传过来的扭矩，同时也承受输出端刹车时带来的刹车力矩。
一、 简述齿轮箱输入轴、中间轴和输出轴上各种齿轮的受力分析
风力发电增速齿轮箱中，其输入轴承受叶片传过来的轴向力、扭矩和颠覆力矩。中间轴上的齿轮承受输入端传过来的力矩和输出端刹车时传过来的刹车力矩。输出轴上的齿轮承受中间轴传过来的扭矩，同时也承受输出端刹车时带来的刹车力矩。
二、 简述齿轮箱齿轮的常用材料及其性能分析
风力发电增速齿轮箱中，齿轮的常用材料为低碳合金钢，重齿公司常用20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等材料；内齿圈用42CrMoA材料。它们的力学分析见下表：
钢号试样毛坯
尺寸
(mm)热处理力学性能 供应状态硬度HB淬火温度
（℃）冷却回火温度(℃)冷却σb
(MPa)σs
(MPa)δ5
（％）ψ

（％）AK
（J）第一次第二次不小于不大于20CrMnTi15880870油200水、空108083510455521720CrMnMo15850 油200水、空117588510455521717CrNiMo611855815油180水、空13008307304122942CrMoA15840 油610水、空1150885104034
齿轮材料为渗碳钢，渗碳钢载未渗碳前进行的各种试验只能测定零件心部的性能，渗碳淬火后的性能除与心部性能有关外，还受渗碳层深度、渗碳层的碳含量与金相组织。内应力的分布等因素的影响。
1、 抗弯强度 渗碳钢的静强度一般通过弯曲试验测定。零件心部硬度、钢材的化学成分合面层碳含量都影响弯曲强度。在渗碳层深度一定的情况下，心部硬度增加时，弯曲强度随之增加；当渗碳层组织相同时，渗碳层深度增加，弯曲强度随之增加；在渗碳层深度与心部硬度相同时，含镍的钢材弯曲强度比其他钢材弯曲强度高；渗碳层面层碳含量增加时弯曲强度降低。
2、 疲劳强度 齿轮多因变载荷作用而疲劳损坏，如齿根弯曲疲劳损坏合齿面接触疲劳损坏。影响疲劳损坏的因素有：
（1） 心部硬度（强度）
（2） 渗碳层内的氧化物 当渗碳钢中含有钛、硅、锰和等合金元素，并在吸热性渗碳气氛中渗碳时容易形成这些元素的氧化物，他们存在于晶界或晶粒内部。在氧化物附近这些元素贫化，降低了淬透性。这种氧化物还会成为高温转变产物的核心，导致淬火后在表面形成一些非马氏体产物从而降低了最表面的硬度。
（3） 渗碳层内的碳化物 碳含量的数量、大小、形状和分布对渗碳钢的接触疲劳和弯曲疲劳性能都有影响，网状碳化物会明显降低渗碳钢的弯曲疲劳性能。
（4） 渗碳层内的残余奥氏体 残余奥氏体本身强度低，它的存在还降低对疲劳性能有利的残余压应力，因此渗碳层组织中有残余奥氏体会降低疲劳性能，但经滚压和喷丸强化会提高疲劳强度。
三、 硬齿面齿轮的特点及运行注意事项
重庆齿轮箱有限责任公司，建于六十年代中期。主要设计制造船用齿轮箱、联轴节、离合器等。
船舶，是水中的流动城市，是一个国家现代化工业的缩影。它的高性能、高技术要求，决定了齿轮箱在设计制造技术方面要先于其它工业部门追踪世界先进技术水平。所以公司从建厂开始几按照硬齿面齿轮的制造工艺流程进行设计、配备设备。
改革开放以来，为适应我国造船工业的发展，在八十年代初，七十年代末，引进了德国罗曼·斯托尔福特公司（下简称LUS）的船用齿轮箱的图纸，标准、计算机软件和设计制造技术；为解决动力装置轴系扭振问题引进了奥地利盖斯林格公司的盖斯林格联轴节、减振器的设计制造技术和扭转振动电算程序；随后船舶工业总公司又将引进瑞士苏尔寿、德国曼恩、法国热机学会、日本大发等柴油要的齿轮图纸，标准转放我公司，由我公司消化吸收生产制造。公司在自己设计制造硬齿面齿轮的经验基础上，对引进技术进行消化吸收、移植、开发、创新。为保证先进技术和先进国际标准的贯彻执行，公司不间断的对工厂进行技术改造。三十多年的发展，使重庆齿轮箱有限责任公司拥有世界先进硬齿面齿轮的设计计算技术；建立了以国际先进标准为主体的设计、制造、试验、检验的标准、规范体系；拥有齐全配套的、保证先进标准、规范贯彻执行的机械加工、热处理、检验计量设备；同时造就出一批掌握先进技术的工程技术人员和操作先进设备的高级技师。成为我国能设计、制造高精度硬齿面齿轮的基地。
（一）、高精度硬齿面齿轮的优点
众所周知，齿轮的强度设计是从考虑润滑条件的齿面压力和齿根强度两个方面进行的。随着技术的发展和计算机的应用，世界传动技术的发展趋于采用硬齿面。据统计，由于硬齿面齿轮的采用大大地促进了机器的重量轻、小型化和质量性能的提高，使机器工作速度提高了一个等级。如高速线材轧机的轧制速度从过去的30m/s以下提高到90-120m/s。采用硬齿面齿轮传动使传动装置的体积大大地减少，可以降低制造成本，一某轧机主减速机为例进行比较：


硬齿面齿轮 来自: 　
中心距 表面积 重量 轧制速度 硬度
调质齿轮 2400 100% 100% 30m/s HB360
硬齿面齿轮 1695 34% 60% 90-120m/s HRC57＋4
硬齿面中氮化硬齿面，由于氮化层深度很浅，不适合作低俗重载齿轮传动，而且氮化工艺本身的成本较贵，所以很少采用。
表面淬火（如高、中频或火焰淬火）的淬硬层与非淬硬层过渡界面明显，硬度的分布剃度太大，同时淬硬质量不均匀，齿根淬硬困难，易生成表面裂纹，齿面硬度较低（HRC55左右）所以应用也逐渐减少。
深层渗碳、淬火磨削的高精度硬齿面齿轮，精度高、表面硬度高（HRC58+4），齿面硬化层均匀等多方面的优点，特别适用于低速重载齿轮传动。它表面硬度高，接触强度比调质齿轮成倍增长，而弯曲强度比调质齿轮约增加50%以上。所以FALK、（LUS）、费兰特公司、雪铁龙-梅西安-杜朗公司等全部采用深层渗碳-淬火-磨齿齿轮。高精度硬齿面齿轮代表了工业用，船用齿轮传动装置的发展方向。
重庆齿轮箱有限责任公司，从建厂开始，由于其服务性质决定其跟踪世界先进技术，采用合金结构钢制造渗碳-淬火-磨齿的高精度硬齿面齿轮。长期的实际应用证明，齿轮的耐磨性可以与轴承滚动面媲美，无需担心齿面磨损和锈蚀，在弯曲强度上也留有很大余地。
论文硬齿面齿轮来自

（二）、齿轮强度计算
公司引进了齿轮的设计计算程序，并与上海交大、重庆大学等合作开发，可按GB3480-83、AGMA、ISO、DIN、ZC、ABS、GL、Lioyd＇s等标准和规范对齿轮强度进行计算。
为了提高齿轮的承载能力，利用计算机对齿轮的几何参数和变位系数，进行优化设计。由于表面硬化技术的采用，齿轮承载能力得到提高，LUS通过多年生产实践认为：对于齿轮齿面应力的计算，对小型齿轮，用赫兹应力公式还可以，它基于齿面接触区的最大表面压缩。而对于大模数、大直径的齿轮、用赫兹公式计算齿面压应力强度，则不能真实反映齿轮的实际受力情况。因为随着模数的增大，齿高和齿轮当时接触半径增大，应力的危险点已不在齿轮硬化层的表面层，而是在内部的某一个深度。例如：中心距A=1000（mm），I=3的齿轮箱的大齿轮，应力危险齿面以下应力分布及其强度计算的研究，提出了“三向应力理论“：齿面以下受三向单个应力组成的合成应力作用，应用主延伸假设得到包括齿面应力在内的齿截面的应力分布曲线。能确切地反映齿面啮合时的应力状态。
计算齿根应力，主要考虑轮齿啮合时的弯曲强度、压缩应力、剪应力、齿轮热处理效应及装配时产生的内应力。
用计算机对齿面齿根合成应力的计算，综合考虑接触强度和弯曲疲劳强度，确定齿轮的几何参数、材料、许用疲劳强度及齿轮的硬度曲线和齿面的硬化层深度。
（三）、材料的选择
为了提高齿轮的弯曲强度，我们选用国产优质合金钢。这些材料经LUS与西德材料进行同炉处理对比试验。结果证明其机械性能、淬硬性、硬化层金相组织、硬度、碳势层深度分布等性能略高于罗曼现用相应材料的性能。
利用国产材料，按我公司标准齿形（原引进的LUSI15）加工，采用现行热处理工艺渗碳淬火并磨齿制造的试验齿轮，与711所、上海交大合作，在国产CL-100型齿轮试验机上进行接触疲劳强度试验。参试齿轮精度6HK（JB179-83），试验验证工作在GB3480-83规定的标准条件下进行，按升降法，测定材料的疲劳极限，通过试验，推荐设计选用值为1450-1550N/ ，国际标准化组织ISO268文推荐渗淬硬齿轮材料接触疲劳强度极限框图范围在1300-1650kg/ ，我公司试验齿轮材料在ISO268推荐框图的中上限。
试验时，齿轮单位齿宽、单位模数上的圆周力为171。62N/ ，齿轮接触强度K系数为156kg/cm ，经5×107次循环，所有被试齿轮均未发生断齿和点蚀现象。
公司与哈尔滨船舶工程学院合作对渗碳齿轮材料及工艺进行优选试验研究，对国内常用的六种材料进行碳含量沿层深分布、硬度沿层深的分布及有效硬化层深、渗层和心部组织、常规力学性能、断裂韧性、静弯性能、弯曲疲劳性能、接触疲劳性质、耐磨性、工艺性、晶粒长大规律及组织遗传、高温回火温度对调质组织和性能的影响等十八项专题研究，编制了公司对不同材质的不同的热处理工艺规程和规范确保热处理质量。
（四）、采用气体渗碳
在表面硬化方法中，氮化由于硬化层薄而限制了齿轮的承载能力。高频淬火又很难得到理想的硬化层分布，对大模数齿轮淬火时，齿轮淬硬深度太浅或没有淬火造成应力分布不均匀而降低了齿轮弯曲强度。
气体渗碳淬火，可以得到所需要的硬化层，热处理后具有较理想的残余应力。用最新技术可准确地控制碳势而获得最佳硬度值，从而提高齿轮的接触强度和弯曲强度，是制造大型重载齿轮的一种好的表面处理方法。为此，我厂从西德迪高沙公司引进了GSRU190×250型渗碳炉。从日本中外炉株社引进了￠3000的渗碳炉。


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该炉用氧探头或红外线CO2气体分析仪两种测定炉气碳势，通过微处理机和模拟计算机两套独立的自动控制系统对热处理过程进行适时控制，碳势控制偏差±0.05%。与该炉配套使用硝盐淬火，可稳定淬火介质温度，减少工件变形，提高工件淬透性。采用公法线千分尺型硬度检验仪检验齿顶到齿根的硬度，其硬度差很小。
经渗碳淬火后的齿轮MSF-2M型X射线应力分析仪上用侧倾法，X-20法测定齿面，齿根表面的残余奥氏体含量。齿根残余压应力在490-588 N/ 范围内，国家标准中推荐的齿根弯曲持续极限为400-440 N/ ，大大提高了弯曲疲劳强度，残余奥氏体含量在5.8-20%范围内。
（五）、高精度齿轮
齿轮精度的选择原则是工作线速度、要求的承载能力和公司设备的可能。对硬齿面齿轮，经磨削后的齿轮精度一般选6级精度。线速度特别高时选4-5级，对振动、噪音有特别要求时，目前最高可达3级精度。
硬齿面齿轮模数增大后，或调质齿轮直径增大后，如不提高齿轮精度，则模数，直径增大带来的强度的提高将被动负荷的增大所抵消。这点以前的国内调质齿轮传动装置在水泥、冶金行业中的使用发生失效的经验和教训可以证明提高齿轮加工精度的必要。
为了保证齿轮的加工精度和国际先进标准的贯彻执行，本公司先后MAAG系列磨齿机、ZST0.31m~2.5m磨齿机，Hoefler4000mm和NOVA1000CNC高精度磨齿机可加工直径4000，模数32mm，最高齿轮精度达到DIN3级的齿轮。高精度的设备靠高精度的检测仪调校，为此，公司配备了MAAGSP-60，德国可林贝尔格大型齿轮检查仪，Hoefler公司的TPF40/1000，EVTM/MAC2T齿轮检查仪，Leits公司GMM303010型门式三坐标测量机，可检测齿轮直径4000mm，精度DIN3级精度，图七为测量曲线。
齿轮直径增大后，热处理后由于工件容积效应，齿面从齿顶到齿根各部位硬度不均，最大硬度差达20HB。为对齿轮制造质量严格控制，从德国引进齿面硬度检查仪，对大模数的大型齿轮用硝盐淬火，提高工件的淬透性。
齿顶、齿向修整
轮齿是一个弹性体，工作受力后不可避免地要发生弯曲变形。虽然啮合结束后恢复原状，但啮合时的变形会发生基节误差那样的影响，使下一对齿的齿顶和齿根发生干涉，能产生很大的冲击而引起啮合噪音。
表面渗碳淬火齿轮的许用K系数约为调质齿轮的4-5倍。轮齿变形的影响，比调质齿轮大得多。为了避免啮合冲击，改善齿面润滑状态，降低啮合噪音，需对齿轮的齿顶和齿向进行修整。起修整量是根据齿轮负荷计算齿轮变形量，齿轮轴的弯曲，扭转变形量后确定的。对高承载能力的高硬度齿面的渗碳淬火齿轮，齿顶、齿向修整技术是保证产品性能不可缺少的必要条件。
我公司已建立了自己的齿顶、齿向修形计算标准和计算程序，并成功的用NiIES、MAAG、Hoefier及国产磨齿机对我厂生产的各种齿轮，其中包括按西欧、日本和美国设计的图纸生产的齿轮进行了修正。
（六）、变位系数的选择
当采用带触角滚刀切齿时，变位系数的选择十分重要，标准中心距和变位系数过大，通常都不适用于带触角滚刀深切齿，因为它将导致齿根部分严重的渐开线偏切。另外，为有利于提高齿轮副的承载能力，发挥物尽其能的作用，不采用变位齿轮，实际上是一种无形的浪费。
公司生产的所有齿轮都是变位齿轮，首先根据几何条件计算出大、小齿轮变位系数之和，并由计算机按公司设定的分配原则进行分配，保证齿轮副的最佳性能。
（七）、齿轮箱的安装找正
齿轮箱能否安全可靠地工作，除了正确地选材，先进合理的设计、高精的制造、组装、全面的性能检测保证外，正确地安装找正是保证齿轮箱长寿命，安全可靠工作的重要环节，公司的齿轮箱在交货时，我们将向用户提供一份安装找正规范。该规范内容包括在齿轮箱使用说明书中，对较大型号的特种齿轮传动装置，工厂将单独提供找正规范。
齿轮箱的找正规范是集LUS多年经验，并根据VD2725标准制定。起目的是为正常情况下原动机、齿轮箱、工作机械在所有运转状态下（而不是在安装时）互相联结的轴应准确地同心，平稳地工作。因此找正时，必须根据下列三种曲线修正轴心位移。
1、 齿轮箱轴心（输入、输出轴）位移的全负荷温度特性曲线。
2、 原动机轴心位移的全负荷温度特性曲线。
3、 工作机械轴心位移的全负荷温度特性曲线。计算绘制齿轮箱轴心位移的全负荷温度特性曲线时，将考虑到下列因素的影响。齿轮箱机座的热膨胀；齿轮箱壳体的热膨胀；齿轮箱轴的热膨胀；运转时齿轮箱机座的弹性变形；运转时齿轮箱壳体的弹性变形；运转时轴承间隙、齿轮啮合力和油膜引起的轴心位置的变动。法兰的端面跳动、径向跳动。原动机、工作机械的影响。 这里所讲的“找正”是一个过程，并不等于“对中”，“对中”是一个状态。找正规范中我们规定了严格找正方法，按规范找正，可保证齿轮箱长寿命、安全可靠地工作。自80年签订许可证协议以来，我公司已设计制造多种型号的永进-船用齿轮箱。在国防、航运中应用日益广泛。在多年实际使用中，永进齿轮制造技术经受了严格的检验，也给我们提供了丰富的经验。我们深信，随着我国海军建设、渔业、航运事业和建材机械及电力、冶金的发展，永进齿轮箱将在更多的部门应用，为祖国的民族工业作出更大的贡献。


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