硬齿面齿轮

【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

（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。
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。

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。

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。