高速船用齒輪箱油泵連接套的失效機理分析

周炳國ZHOU Bing-guo；夏明偉XⅠA Ming-wei

（杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州 311203）

0 引言

某高速船用齒輪箱經(jīng)過10 年的使用后，其左機工作油泵連接套實現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象，但是，右機連接套磨損程度不明顯，當左機連接套更換后，發(fā)現(xiàn)工作油泵在短時間內(nèi)出現(xiàn)嚴重損壞現(xiàn)象，導致整個齒輪箱潤滑系統(tǒng)發(fā)出報警聲。此時，通過拆檢左機齒輪箱連接套，發(fā)現(xiàn)該機帶泵所對應的端面鍵出現(xiàn)斷裂或者磨損現(xiàn)象，同時，帶動機帶泵所對應的端面鍵卡槽出現(xiàn)嚴重磨損，其磨痕達到了1mm，整個磨損區(qū)域比較光滑和平整，這無疑增加了油泵的磨損程度，通過拆檢右舷齒輪箱機帶泵，發(fā)現(xiàn)整個機帶泵處于正常狀態(tài)，機帶泵所對應的端面鍵出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，屬于正常磨損，并無大礙。為了確保船用齒輪箱能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行，現(xiàn)對整個油泵連接套的失效機理進行全面的分析和研究，使其運行可靠性得以大幅度提高，只有這樣，才能獲得較高的社會效益和經(jīng)濟效益。但是，高速船用齒輪箱經(jīng)過長時間的運行后，油泵連接套很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，一旦油泵連接套更換操作不規(guī)范，齒輪箱潤滑系統(tǒng)會頻繁發(fā)出報警聲，所以，技術人員要重視對油泵連接套失效機理的分析。

1 齒輪箱結構和原理介紹

1.1 齒輪箱結構

齒輪箱始終與異心布置保持垂直關系，上端為輸入軸，下端為輸出軸。左主機與右主機的旋轉方向始終為順時針旋轉，為了實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)，降低維修難度，齒輪箱在實際設計中，要確保齒輪箱結構的相同性。此外，還要利用離合器，對左右舷齒輪箱運動方向進行科學控制。對于齒輪箱而言，其左機與右機的功率傳遞流程存在很大不同，左右機正車時主功率傳遞流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 左機正車時主功率傳遞流程

圖2 右機正車時主功率傳遞流程

1.2 泵連接設計

齒輪箱機帶泵在實際設計中，主要采用端面鍵連接方式，將聯(lián)軸套與反向軸進行有效連接，從而得到合適的聯(lián)軸套連接結構。為了避免端面鍵長時間運行后出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象，需要采用平鍵連接方式，連接連軸套與油泵一端，采用端面鍵連接方式，連接另一端。另外，還要采用氮化處理的方式，對連軸套好端面鍵進行全面處理，使其耐磨性得以大幅度提高。對于機帶泵而言，其轉速、額定功率分別為1800r/min、8.3kW，聯(lián)軸套與端面鍵之間的最大擠壓接觸應力達到了11MPa，其中，聯(lián)軸套和反向軸連接處的最大應力分別為55MPa、38MPa，遠遠低于屈服強度標準值，此外，聯(lián)軸套和反向軸的安全系數(shù)分別為9.52、18.5，這表明連接部位所對應的安全系數(shù)較高，完全符合實際設計標準和要求。

2 連接套損壞原因分析

機帶泵和聯(lián)軸套在實際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)磨損壓潰現(xiàn)象，其原因是兩種零件始終處于比較高的運轉速度下。此外，這兩種零件之間的配合間隙較大，無法在同一中心位置上，造成齒輪箱與泵體頻繁碰撞，在這種碰撞力的影響下，端面鍵很容易出現(xiàn)局部壓潰問題。同時，這兩種零件之間的配合間隙主要是由端面鍵頻繁蠕動摩擦產(chǎn)生的?？傊?，導致油泵連接套出現(xiàn)失效的因素主要包含以下兩種，分別是左右機油泵軸系、反向軸與機帶泵對中，接下來，對這兩大因素進行全面分析。

2.1 左右機油泵軸系影響分析

左右舷齒輪箱所對應的功能不同，其功率傳遞流程也存在一定的差異。當右舷齒輪箱正車處于高速運行狀態(tài)時，反向軸很容易受到齒輪所施加的嚙合力，確保右舷齒輪箱穩(wěn)定、安全地運行。當左舷齒輪箱正車處于高速運行狀態(tài)時，反向軸并沒有受到齒輪所施加的嚙合力，因此，該正車所對應的擾動程度比較高，導致端面鍵與卡槽之間的摩擦程度不斷增加，導致端面鍵與反向軸的間隙變得越來越大。

2.2 在動態(tài)條件下反向軸與機帶泵對中分析

反向軸在實際工作中，主要依靠機帶泵進行工作，通過采用平鍵的方式，可以確保軸套一端與機帶泵輸入端之間建立起良好的連接關系，然后，使用螺釘，對其進行加固處理。此外，通過利用端面鍵，可以確保軸套另一端與反向軸之間建立起良好的連接關系，同時，端面鍵與卡槽的間隙通常設置為0.05mm。在此基礎上，通過科學地控制和調(diào)整端面鍵的配合間隙，可以有效地滿足反向軸的對中設置要求，使得機帶泵能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行。但是，機帶泵經(jīng)過長時間的運行后，端面鍵與卡槽之間的間隙會呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，當間隙達到4mm 時，反向軸與機帶泵會出現(xiàn)明顯的不對中問題。

3 失效機理分析

對于高速船用齒輪箱而言，其油泵連接套失效的誘導因素主要包含以下幾點，分別是端面鍵間隙、端面鍵蠕動磨損、油泵軸系擾動、端面鍵潤滑。接下來，對這些因素進行全面分析。

3.1 端面鍵間隙影響

反向軸與油泵在實際運轉期間，理論上，始終處于同一中心線上，但是，實際上，由于受到軸承間隙和箱體精確度等因素的影響，導致反向軸與油泵無法在同一軸心線上進行運轉，所以，技術人員要科學設置端面鍵間隙[1]，避免因間隙過大、過小而影響最終的補償效果。當間隙過小時，無法取得理想的動態(tài)補償效果，當間隙過大時，將會降低反向軸與油泵之間的平穩(wěn)性。對于齒輪箱而言，一旦船舶擺動幅度較大，將會增加齒輪油泵運轉的波動性和不平穩(wěn)性，使其在實際運轉期間，頻繁碰撞到端面鍵上，嚴重影響了油泵的運行性能。對于齒輪箱反向軸而言，其軸承徑向間隙最小值為0.27mm，最大值為0.47mm，在充分結合齒輪箱反向軸結構特點的基礎上[2]，將端面鍵的最大偏心距離值設置為0.80mm。另外，在結合齒輪箱結構特點的基礎上，采用試驗分析法，將端面鍵間隙設置為0.05mm~1.5mm 之間，同時，還要保證端面鍵方向的一致性，使得端面鍵偏心運轉的風險降到最低。當端面鍵間隙不斷增加時，齒輪箱反向軸一旦處于高速運轉狀態(tài)下[3]，會增加油泵軸的擾動程度，使得機帶泵不得不面臨較大的負荷。當間隙超過一定值后，機帶泵會處于高速旋轉狀態(tài)下，導致油泵齒輪與鋁制泵體頻繁碰撞，造成泵體出現(xiàn)嚴重破損，這無疑增加了端面鍵的斷裂風險。

3.2 端面鍵蠕動磨損影響

機帶泵在實際運行期間，端面鍵與鍵槽經(jīng)常出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象，導致兩者之間產(chǎn)生一定的摩擦力。理論上，齒輪箱反向軸平均旋轉一次，端面鍵會摩擦一次。對于油泵而言，其工作轉速、頻率和蠕動運行速率分別為1800r/min、60Hz、10.8 萬/h，一旦出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，勢必會增加端面鍵的磨損程度，此時，端面鍵會釋放一定的熱量[4]。為了將端面鍵蠕動磨損速度降到最低，需要對端面鍵進行氮化處理，從而產(chǎn)生相應的硬度差，使其磨損速度不斷下降。另外，還要對端面鍵進行潤滑處理，從而吸走一定的熱量，使其磨損程度降到最低。油泵參數(shù)設置如表1 所示。

表1 油泵參數(shù)設置

3.3 油泵軸系擾動影響

對于左舷齒輪箱而言，其反向軸在實際運行中，并沒有參與到主傳動行列中，因此，并沒有產(chǎn)生一定的齒輪嚙合力，當反向軸的運轉速度達到1800r/min 時，其擾動程度較大，從而增加了端面鍵與鍵槽之間的頻次，使其磨損變得愈加嚴重[5]。齒輪箱1.6 萬小時磨損情況如表2 所示，從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，左右舷齒輪箱的磨損程度存在一定的差異。

表2 齒輪箱1.6 萬小時磨損情況

影響油泵軸系擾動程度的因素除了包含齒輪箱運轉受力因素外，還包含齒輪箱的運行工況以及所處環(huán)境兩大因素。當齒輪箱運行處于高工況情況下，其振動能量會出現(xiàn)大幅度增加，導致軸系擾動現(xiàn)象變得愈加明顯，從而加快連接鍵的蠕動頻率，造成其磨損速度不斷上升。當船舶出現(xiàn)大幅度橫搖時，齒輪箱內(nèi)部潤滑油會出現(xiàn)明顯波動[6]，造成機帶泵無法平穩(wěn)運行，同時，還增加了油泵軸系的擾動程度，使其磨損速率不斷增加。

3.4 端面鍵潤滑影響

當動態(tài)連接鍵處于高速運行狀態(tài)時，通常需要采用潤滑的方式，降低其磨損程度。潤滑方式主要包含以下三種：①脂潤滑方式。當動態(tài)連接鍵處于高速運行狀態(tài)時，該潤滑方式表現(xiàn)出潤滑時間短，潤滑效果差特點，因此，該潤滑方式主要適用于低速運行狀態(tài)的動態(tài)連接鍵。②油浴潤滑方式。該潤滑方式主要適用于中速度、間斷性運行的動態(tài)連接鍵[7]。③強制潤滑方式。該潤滑方式主要適用于高速度、連續(xù)運行的動態(tài)連接鍵。本文所設計的齒輪箱具有結構緊促、運行性能穩(wěn)定等特點，該齒輪箱在實際運行中，需要將油泵的運轉速度設置為1800r/min，在進行首次裝配期間，需要選用脂潤滑方式，當齒輪箱運行即將結束時，使用飛濺潤滑油，對齒輪箱進行潤滑，這種潤滑效果相對較差[8]，難以滿足端面鍵磨損需求。另外，蠕動結束后，其溫度不斷上升，其熱量難以在最短時間內(nèi)內(nèi)充分帶走，這無疑增加了端面鍵磨損程度。潤滑方式分類示意圖如圖3所示。

圖3 潤滑方式分類示意圖

4 預防措施

4.1 優(yōu)化連接結構

為了進一步提高齒輪箱油泵連接套的穩(wěn)定性和可靠性，技術人員要加強對連接結構的優(yōu)化。首先，要將油泵連接結構改造為漸開線連接方式，這種連接方式主要形成于聯(lián)軸套與反向軸之間。聯(lián)軸套與反向軸的漸開線連接型式主要是指通過采用漸開線花鍵連接方式，將連接套與油泵進行有效連接[9]，然后，采用平鍵配合連接法，將連接套與反向軸之間進行有效連接。對連接結構優(yōu)化后，所形成的花鍵連接結構具有以下顯著特點：①對端面鍵單面摩擦方式進行改變，使其變?yōu)槎嗝婺p方式，從而有效地減輕蠕動磨損量。②有效地避免因出現(xiàn)軸系擾動而降低油泵的運行性能，使得油泵連接套具有較高的維護性?？傊捎脤嵈炞C方式的應用背景下，與端面鍵磨損程度相比，油泵花鍵連接方式所對應的磨損程度相對較小。

4.2 優(yōu)化潤滑方式

當油泵處于高速運行狀態(tài)時，飛賤潤滑方式的運用，難以達到端面鍵潤滑相關標準，因此，需要對飛濺潤滑方式進行優(yōu)化，使其被優(yōu)化為強制潤滑方式。此外，還要從反向軸出發(fā)，不斷擴充油路，同時，還要將潤滑油的壓力設置為0.2MPa，便于后期潤滑漸開處理。另外，對于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過長時間的使用后，很容易出現(xiàn)失效問題，這是由于齒輪箱的軸系擾動等因素造成的，因此，通過借助漸開線花鍵連接方式，以降低軸系擾動出現(xiàn)的概率。

5 結束語

綜上所述，對于齒輪箱而言，其油泵連接形式在某些特殊使用場景中，很容易造成連接端面鍵出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象，本文根據(jù)高速船用齒輪箱結構特點，全面地分析了影響端面鍵磨損程度的因素，并對油泵連接套失效機理進行深入地研究，得出以下幾個結論：①對于齒輪箱油泵連接套而言，其失效現(xiàn)象的出現(xiàn)與端面鍵的間隙之間存在密切的聯(lián)系，當端面鍵間隙不斷增加時，將會導致油泵連接套出現(xiàn)一定的動態(tài)變化。②對于齒輪箱油泵連接套而言，其失效現(xiàn)象的出現(xiàn)與端面鍵的磨損程度之間存在密切的聯(lián)系，而端面鍵的磨損程度與端面鍵所選用的潤滑方式之間存在直接的聯(lián)系。③對于船用齒輪箱而言，其內(nèi)部油泵連接套經(jīng)過長時間的使用后，很容易出現(xiàn)失效問題，導致這一問題出現(xiàn)的根本原因是受到齒輪箱的軸系擾動等，因此，通過借助漸開線花鍵連接方式，以降低軸系擾動出現(xiàn)的概率。④后續(xù)，需要對船用齒輪箱可靠性指標進行全面分析和研究，并科學地驗證齒輪箱的使用壽命，為保證裝備運行性能的穩(wěn)定性創(chuàng)造良好的條件，同時，為延長裝備的使用壽命打下堅實的基礎。