某高速船用齒輪箱油泵連接套失效機理研究

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)左機工作油泵連接套斷裂，右機連接套磨損正常，遠小于左機的磨損。更換左機的連接套后，造成工作油泵快速損壞，引起齒輪箱的潤滑系統(tǒng)頻繁報警。左機齒輪箱連接套的拆檢，發(fā)現(xiàn)機帶泵的聯(lián)軸套端面鍵斷裂及磨損（如圖1 所示），帶動機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，并進一步導(dǎo)致了油泵的損壞。右舷齒輪箱機帶泵進行拆檢，機帶泵正常，機帶泵聯(lián)軸套端面鍵及反向軸端面鍵卡槽僅有輕微磨損，屬于正?，F(xiàn)象，如圖 2所示。

圖1 左機聯(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行，亟需對油泵連接套的失效機理進行研究，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]對刮板輸送機中部槽磨損、耐磨性進行了研究。趙洪、董炳武等[8-13]對限壓式變量葉片泵、潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊等機械的摩擦特性、自磨損機理進行了研究。斯松華、范梓良等[14-20]對鋼的磨損特性進行了研究。文中從齒輪箱系統(tǒng)出發(fā)，對工作油泵連接套結(jié)構(gòu)進行分析，從齒輪箱動態(tài)軸軸系擾動運行、連接套磨損、以及端面鍵間隙等方面對其失效機理進行深入研究，為工作油泵連接套結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計提供理論基礎(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)及其傳動原理如圖3 和圖4 所示。由于左右主機的旋轉(zhuǎn)方向一致，均為順時針，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)計時，采用相同結(jié)構(gòu)齒輪箱。通過內(nèi)部離合器的控制來實現(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 傳動原理Fig.4 Diagram of transmission theory

齒輪箱左右機功率傳遞路線不一樣，左右機主傳動的功率流如下所述。

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

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

左右機的機帶泵功率傳遞路線為：主機→輸入軸→離合器主齒輪→離合器從動齒輪→反向軸→機帶泵。

1.2 泵連接設(shè)計

齒輪箱機帶泵采用聯(lián)軸套與反向軸通過端面鍵連接的形式，如圖5 所示。為了防止長期運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)計時將聯(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，機帶泵轉(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算結(jié)果：配合面最大擠壓接觸應(yīng)力為10.5 MPa，遠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，遠小于聯(lián)軸套屈服強度要求（≥540 MPa）；反向軸連接處最大應(yīng)力為38 MPa，遠小于反向軸材料屈服強度（≥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)計要求。

2 連接套損壞原因分析

2.1 左右機油泵軸系影響分析

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，連接機帶泵的反向軸受到齒輪嚙合力，在高速旋轉(zhuǎn)下運行穩(wěn)定。

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

2.2 在動態(tài)條件下反向軸與機帶泵對中分析

工作時，反向軸通過軸套帶動機帶泵工作，軸套一端通過平鍵與機帶泵輸入軸連接，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態(tài)條件反向軸與機帶泵的對中要求，使機帶泵平穩(wěn)運行。長期運行后，聯(lián)軸套上端面鍵與反向軸的卡槽配合間隙逐步增大，最大可達到4 mm。這樣導(dǎo)致動態(tài)高速度運轉(zhuǎn)條件下，反向軸與機帶泵嚴重不對中。

2.3 原因分析

通過上述分析可知，左舷齒輪箱機帶泵和聯(lián)軸套磨損壓潰的直接原因是機帶泵與反向軸在動態(tài)高速運轉(zhuǎn)時，聯(lián)軸套上的端面鍵與反向軸卡槽的3 mm 配合間隙引起機帶泵與反向軸不對中，導(dǎo)致機帶泵中的齒輪與泵體碰撞，同時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)軸套在高速運行中微觀上蠕動摩擦，在長達1.5 萬小時運行后，逐步形成的。

3 失效機理分析

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轉(zhuǎn)，但在動態(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轉(zhuǎn)中心不在同一軸心線上，設(shè)計時通過端面鍵間隙進行補償[1-2]。間隙太小，達不到動態(tài)補償?shù)哪康模婚g隙太大，則會引起油泵與反向軸之間的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性差。特別在船用齒輪箱中，受到船舶搖擺影響，潤滑油波動很大，引起齒輪油泵運轉(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，在端面鍵處的最大偏心為0.79 mm?？紤]到動態(tài)運轉(zhuǎn)以及齒輪泵的特點，通過試驗，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)致偏心運轉(zhuǎn)的風險機率增大。

當機帶泵與反向軸連接的端面鍵間隙變大時，高速運轉(zhuǎn)條件下，反向軸的擾動增大了機帶泵油泵軸的擾動，會造成反向軸與機帶泵不對中的程度增大，加大了機帶泵的負荷。當間隙大到一定程度后，在泵遇到吸空或其他負荷變化時，會導(dǎo)致機帶泵高速旋轉(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，機帶泵卡滯，由于高速沖擊影響，引起負荷異常增大，導(dǎo)致端面鍵的卡爪局部壓潰，甚至斷裂，同時引起機帶泵損傷。

根據(jù)《理論力學(xué)》，剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動方程：

本齒輪箱反向軸ω1的轉(zhuǎn)速為1800 r/min，原則上運轉(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。長時間運轉(zhuǎn)后，若間隙擴大到齒輪泵的間隙，則會發(fā)生瞬間扭矩大于540 MPa，導(dǎo)致端面鍵斷裂。

3.2 端面鍵蠕動磨損影響

端面鍵與鍵槽通過面接觸帶動油泵工作。機帶泵運轉(zhuǎn)時，端面鍵與鍵槽微觀上蠕動，反復(fù)進行摩擦。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，每小時蠕動運行10.8 萬次。摩擦必然會產(chǎn)生微量磨損，同時會產(chǎn)生一定的熱量[3-4]。為了降低磨損速度，在設(shè)計時將端面鍵氮化，形成一定的硬度差，減緩磨損速度。通過潤滑端面鍵可以帶走熱量，進一步延緩磨損程度。

3.3 油泵軸系擾動影響

左舷齒輪箱中，由于反向軸沒有參與主傳動，無齒輪嚙合力存在，在1800 r/min 轉(zhuǎn)速下高速運轉(zhuǎn)，帶著8.4 kW 齒輪泵運行，反向軸擾動大。大擾動會導(dǎo)致端面鍵與鍵槽的蠕量程度與頻次相應(yīng)增加，磨損進一步加快。通過左右舷齒輪箱的磨損情況對比（圖6）可知，經(jīng)過1.6 萬小時運行后，左舷齒輪箱端面鍵磨損1 mm，反向軸槽磨損深度達3 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴大到 4 mm。右舷齒輪箱端面鍵磨損0.5 mm，反向軸槽磨損深度達1 mm。端面鍵間隙由0.05 mm 擴大到1.5 mm。

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

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

3.4 端面鍵潤滑影響

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

本次齒輪箱設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，油泵的運行轉(zhuǎn)速為1800 r/min，連續(xù)運行。首次裝配時加脂潤滑，后續(xù)運行時只能依靠齒輪箱運轉(zhuǎn)的飛濺潤滑油進行潤滑，實際效果沒有達到端面鍵的磨損需要。蠕動后溫度相對高，無法充分帶走熱量。長期運行后，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行特點以及軸系對油泵連接套的影響，為了進一步提高連接套的可靠性，延長壽命，將其結(jié)構(gòu)調(diào)整為：機帶泵采用聯(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)特點為：將端面鍵的單面摩擦變?yōu)槎嗝婺p，進一步降低蠕動的磨損量。同時可以降低磨損后對中不良的影響，有效防止長期運行過程中端面鍵磨損間隙增大帶來的風險，一定程度上可以降低軸系的擾動對油泵的影響，增加了油泵連接套的維修性。通過實船驗證，油泵花鍵連接方式磨損速度遠小于端面鍵的磨損速度。

4.2 優(yōu)化潤滑方式

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

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，會造成連接端面鍵快速磨損甚至斷裂。文中針對船用齒輪箱結(jié)構(gòu)特點，研究了端面鍵間隙和微觀蠕動對端面鍵磨損的影響，對其失效機理進行了分析。

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，將引起油泵軸系對中在動態(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態(tài)運轉(zhuǎn)時蠕動磨損有關(guān)，而蠕動磨損速度與端面鍵硬度、潤滑方式直接相關(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。

4）在后續(xù)需要對油泵連接方式在船用齒輪箱蠕動條件下可靠性指標進行深入分析，對其壽命進行試驗驗證，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)。