大功率高速传动齿轮箱关键技术分析

齿轮箱采用齿轮增速或减速并传递扭矩和功率。高速齿轮箱经过长期的技术研发，已取得了长足的发展，在发电、冶金、化工、石油等领域得到了广泛的应用。为了适应国家重大装备和重点工程的需求，齿轮箱正朝着大功率、大尺寸、高传动比、高速等方向发展。基于此，文章介绍了大功率、大尺寸、高增速比高速齿轮箱的主要技术难点，重点从齿轮线速度限制、齿轮强度校核、轴承、转子动力学、封严结构及齿轮修形等方面进行了分析。

100MW 等级齿轮箱的主要技术要求
 

某项目对齿轮箱的需求如表 1 所示。由于该功率等级、高增速比的齿轮箱应用较少，需要对技术可行性进行分析。

表 1 100MW 等级齿轮箱主要需求参数

大功率高速齿轮箱关键技术
 

对于大功率高速传动齿轮箱，一般要求其传动平稳、稳定，动态性能可靠。基于该项目 100MW 等级齿轮箱需求，为确保技术可行，文章对大功率高增速比齿轮箱主要关键技术进行分析，具体如下。

齿轮节圆线速度：针对该项目 100MW 等级齿轮箱，高速输出齿尖线速度：

v=N×2πR （1） 

式中：N 为高速输出端速度；R 为高速齿轮半径。预计齿轮箱高速齿轮线速度在150m/s以下。

当前国内外先进齿轮箱齿轮线速度可达到180m/s以上。例如，国内主要齿轮箱供应商可达到的齿轮节圆线速度最高约200m/s，而以RENK为代表的国外主要齿轮箱供应商有齿轮节圆线速度达到300m/s的相关应用案例。

齿轮强度校核：齿轮强度包括接触强度、弯曲强度和胶合强度。近年来，随着材料和工艺技术的发展，齿轮箱业内已逐步采用硬齿面高速齿轮取代原先的软齿面和中硬齿面高速齿轮。由于采用了渗碳淬火工艺，高速齿轮齿面硬度高，硬化层沿齿廓存在理想的参与压应力分布，使高速齿轮齿根弯曲应力和齿面接触强度显著提高，从而使齿轮的承载能力也得到了大幅度的提高。齿轮齿面校核常发生在高速重载场合，当齿轮表面受较高载荷和较高的齿间滑动速度作用时，齿面接触区产生的摩擦热会引起局部的瞬间温度升高，润滑油黏度变稀，油膜厚度降低，导致润滑油膜破裂，两齿面金属直接接触，摩擦加剧且局部发生熔化焊合，熔化焊合后随着相对滑移而撕裂，导致齿面沿滑移方向产生了特殊的沟痕。胶合将致使齿轮渐开线形状严重破坏，使传动质量急剧下降，摩擦功率损失不断增大，并使齿面温度又进一步升高。齿面胶合引起的振动使齿轮遭受较大的动载荷，从而降低了弯曲强度和接触强度。 

齿轮强度校核的一般步骤：根据给定的工作条件，选取合适的齿轮材料和热处理方案，确定齿轮的接触疲劳许用应力和弯曲疲劳许用应力；根据设计准则进行设计计算，确定齿轮模数或小齿轮分度圆直径；选择齿轮的主要参数并计算主要几何尺寸；校核齿轮齿面接触疲劳强度或齿根弯曲疲劳强度。

采用并车双轴输入可降低输入轴传扭能力需求，从而降低齿轮承受的载荷。因此，采用并车双轴输入是实现技术可行性的重要途径。

轴瓦线速度和轴承比压：轴承的设计选型是齿轮箱设计的重点工作，轴承轴瓦线速度和轴承比压是影响大功率高增速比齿轮箱设计的关键因素。为降低设计难度，综合考虑各项限制条件，轴承轴瓦线速度应控制在120m/s以下，轴承比压控制在3MPa以下。基于经验数据，上述轴瓦线速度和轴承比压可实现，但需针对轴承的综合要求进行技术验证。

转子动力学分析：转子动力学分析为齿轮箱传动系的设计提供动力学依据，一般大功率高速齿轮箱针对传动系转子动力学分析的要求如下：（1）系统工作频率及其他特征频率应远离各阶固有频率；（2）二阶固有频率应是一阶固有频率的2倍以上，以后各阶相邻固有频率之比≥1.3，且分布相对合理；（3）振型图的节点不允许位于齿轮上；（4）扭矩放大系数不大于 2.5。

封严设计：高速齿轮箱轴承座和输入输出轴封之间留有足够的轴向距离，当齿轮高速运转时，从轴瓦留出的大部分润滑油落到轴承座和轴封之间的空间，流回箱体中。

采用多道迷宫篦齿封严可有效实现滑油封严，该技术在齿轮箱设计中较为常见。在迷宫篦齿封严结构中，通过设置回油孔回油至箱体内，保证轴端无泄漏。同时，迷宫篦齿封严是非接触式密封，端盖内孔带有锯齿形环槽，既可以防止油和油气向箱体外部泄露，又可防止外来物侵入箱体。

箱体变形控制：箱体用来支撑和固定轴系零件的基础部件，箱体具有足够的刚度是内部齿轮和轴承稳定运转的前提。大尺寸齿轮箱箱体一般采用铸造或焊接工艺，以焊接较为常见。在选择箱体制造工艺时需要充分考虑箱体刚性，进行有限元分析，根据应力应变分布确定支撑肋板的位置、厚度及相应焊缝的位置。 

预计齿轮箱箱体长度约7m，高度约3m，宽度约2m。因箱体尺寸巨大，在设计中应充分考虑供加工、装配、运输、存储、安装及维修时找正的基准面。

齿轮修形：高速齿轮由于制造和安装误差、齿轮的弹性变形、扭转变送和热膨胀等因素，使得齿轮在啮合过程中不可避免地产生了冲击、振动和偏载。变形会造成齿轮一端偏载，严重时将影响齿轮的正常运转。因高速齿轮温度分布具有温度高且沿齿宽分布不均匀的特点，从而引起热膨胀量不均匀致使螺旋形偏差，因此即使在装配时齿面接触均匀，但在运转时载荷沿齿宽的分布仍会不均匀。

如果仅从提高齿轮制造和安装精度方面考虑改善齿轮的运动品质，必然会显著增加齿轮的制造成本。要使高速齿轮箱运转平稳，减少由齿轮所受载荷导致的变形和制造误差引起的啮合冲击，并改善齿面的润滑状况及获得较为均匀的载荷分布，则需对高速齿轮进行修形。

高速齿轮齿形修形一般在小齿轮上进行，而配对的大齿轮不进行修形。齿形修形量大小主要取决于齿轮的负载及制造精度。同时，在并车双轴输入时，良好的齿轮修形将使得齿轮箱取得较好的降噪和减振效果。 

齿轮精度的选取：一般而言，齿轮的线速度越高，齿轮需要的精度也越高， 齿轮箱运转过程中的噪声就越小。API613 按齿轮转速规定了相应的噪声标准。此外，齿轮的制造成本与齿轮的精度密切相关，因此选择一个合适的制造精度尤其重要。参考国内外相关标准，考虑到对齿轮箱使用中存在快速升降转速等情况，为保证齿轮箱在此恶劣的交变工况下稳定可靠运转，齿轮精度选取 4 级精度可基本满足需求。