高速齿轮的设计制造实践与国际先进标准规范应用

戴 路

(江苏省城市规划设计研究院，江苏 南京 211178)

高速齿轮的设计制造实践与国际先进标准规范应用

戴 路

(江苏省城市规划设计研究院，江苏 南京 211178)

简要介绍了美国费城齿轮公司的设计软件和标准，以及国外高速齿轮传动技术与标准规范对国内高速齿轮传动发展的影响；从材料选择、齿形设计、强度设计、制造等角度，介绍了设计制造高速齿轮方面的实践与美标等先进标准规范的应用。

高速齿轮；材料；齿形；强度；精度；齿轮制造

在冶金、石化及发电等领域中，高速齿轮箱的应用越来越广泛，因此齿轮工业迫切需要提高自主设计与制造的能力。按照AGMA(美国齿轮制造者协会)的规定，凡圆周线速度大于25m/s或转速超过3 600r/min的齿轮设备，均属高速齿轮传动设备[1]。在20世纪80年代，由国内某大型国企和某研究所引进美国费城齿轮公司(Philadelphia Gear Corporation，简称PGC) 的设计软件、标准及图纸，解决了当时国内一些石化行业高速齿轮装置的急切需求，并在实际设计、制造和现场调试维护过程中积累了大量的经验，目前国内已经能自主开发更高转速和线速度的齿轮装置。随着世界整体工业装备技术的不断进步，更先进的材料、加工工艺、设备和设计计算方法也逐渐出现，在PGC技术基础上已有更先进的标准规范产生。目前国内高速齿轮的设计制造标准规范基本承袭了美国石油学会的API613等标准。笔者从事齿轮设计工作20年，现从5个方面谈谈自己关于高速齿轮设计与制造的认识和体会。

1 材料的选择

在高速齿轮的设计中，几乎无一例外地采用硬齿面齿轮，以达到齿轮装置小型化的目的。制造硬齿面齿轮的材料一般是低碳合金钢，通常工艺为滚齿—表面渗碳—磨齿，其中渗碳层深度根据齿轮模数确定，模数越大渗碳层越深，一般取0.15～0.25倍的模数。渗碳时要控制好碳层梯度，淬火后使齿轮表面有一个由内向外逐步变硬的硬化层，大幅度提高齿面接触强度，能承受高强度的接触应力，同时齿轮内部仍然是较低的硬度，有足够的韧性，能承受较大的冲击。一般齿面的硬度要达到HRC(58～62)，而内部的硬度只有HRC33左右。

我国原先可用于硬齿面的低碳合金钢有20CrMnMo、20CrMnTi、17CrNi4、20CrNi2Mo等，前两种材料价格较低，但热处理较难控制，在磨削时易产生裂纹，而17CrNi4价格又较昂贵，因此在最早设计高速齿轮时大多采用20CrNi2Mo。随着冶金技术的发展，现在出现了17CrNiMo6和18CrNiMo7- 6，这两种材料均源自DIN标准，比20CrNi2Mo性能更加优良，其许用接触应力σHP和许用齿根应力σFP分别达到1 500N/mm2和800 N/mm2,其热处理性能也显著提高，价格只是略微升高，因此目前这两种材料使用率较高。

2 在齿形方面的选择

此外，由于高速齿轮在工作时存在受力变形以及因各零件发热使支承齿轮的箱体发生变形等情况，齿轮修形在高速齿轮的设计与制造中成为必不可少的一个环节。齿轮一个齿在入啮合和出啮合的整个过程中，因为重合度的关系，即参与同时啮合的齿数不同，所以整个受力的过程是不平均的，简单说就是齿宽方向从一端开始齿面受力逐步增大，到中间时达到最大值，然后再逐步减小，到另一端结束，受力分布呈对称形态。在啮合过程中，弹性变形会引起主从动齿的节距变化，使啮合初始点也即齿轮端点发生干涉现象，容易导致齿面快速点蚀甚至崩裂。为避免这种情况发生，需进行齿轮修形。齿轮修形包括齿廓修形和齿向修形，可采用有限元法技术计算齿轮在工作中的变形量，并根据这个变形量来选择修形的具体数值。当计算获得的变形量超过一定范围时(如PGC规定不大于0.03mm)，齿轮要重新选择参数设计，而不是过分地依靠修形来避免干涉现象的发生。到目前为止，还没有修形方面的国家标准，因此国内大部分高速齿轮制造公司都各自制定了本公司在高速齿轮设计时的齿廓、齿向修形的规范，依照不同的齿轮转速和模数，采用简单计算与查表相结合的方法，可以快速、合理地定出齿轮修形的位置和大小，而不必都采用有限元法计算，可以节省设计时间。

3 齿轮精度的选择

一般而言，齿轮的线速度越高，齿轮需要的精度也越高。精度越高，齿轮装置的噪声越小。API613按齿轮转速规定了相应的噪声标准，齿轮制造方要满足这个规定才能符合出厂要求。齿轮的制造成本与齿轮的精度密切关联，因此选择一个合适的制造精度至关重要。在高速齿轮中，齿轮精度一般选择5级精度(GB/T10095)，特殊齿轮可达到4级精度(GB/T10095)。这个制造精度，一般较新的或保养完好的成型磨齿机都可以达到。在目前采用比较多的齿轮计算软件KISSSOFT程序中，程序会根据输入的数据给出推荐的精度等级，可供设计人员参考。

4 齿轮强度的设计

在高速硬齿面齿轮设计中，一般考虑齿面接触强度、齿根弯曲强度和齿面胶合强度3个方面。首先要确定齿轮装置的作用，并按照原动机的形式选择合适的使用系数，这个使用系数乘以实际传递功率才是设计齿轮的计算传递功率[2]。比如用蒸汽轮机经高速箱带动离心式风机，传递功率为5 000kW，那么使用系数就要选择为1.6，计算齿轮的功率就是8 000 kW。按照PGC的规范和AGMA标准，对3个基本强度提出了各自的要求：接触强度计算安全系数SH>1.5，抗弯强度计算安全系数SF>1.9，胶合强度——闪温指标计算值小于338°F[1]，在PGC的Gear程序中，根据用户输入的参数，程序会自动计算选择三强度平衡优化点，供设计人员参考选用，程序还会给出齿轮副的效率等用户关心的数据。此外，重合度也是一个重要参数，为保证齿轮运转平稳，应使齿轮副总重合度≥3.5。不过，PGC的齿轮计算偏于保守，有时会造成齿轮尺寸过大，最新的齿轮设计计算程序KISSSOFT等中已经包含了现在常用的18CrNiMo7-6这样的新型材料，刀具、公差的选择项也比较多，其计算结果更符合现在的制造水平。

5 齿轮的制造

在高速齿轮制造过程中必须严格控制质量，以避免其在使用中出现恶性故障。在材料方面，每一批锻件都必须严格进行化学成分和机械性能的检验，并记录在档。在齿坯粗车后还应做超声波探伤检验，按PGC规范，在齿部有害当量不得大于3，在心部不得大于5。热处理结束后，应做硬度试验和金相组织检验，要求齿面硬度HRC(58～62)，马氏体、残余奥氏体和心部铁素体不大于4级，网状碳化物不大于3级。

现在成型磨的技术非常成熟，成型磨齿机在国内已经相当普及，目前国内主要装备的是德国尼尔斯、普法特和霍夫勒的产品。成型磨齿机可以在磨削齿面的同时，完成对齿轮的修形，工作效率和齿轮精度比展成法磨齿机大大提高。

齿面磨削后，有的还需进行齿根喷丸。最后一道检验是磁粉探伤，以检查在磨削过程中是否在齿面形成磨削裂纹。

齿轮轴、齿轮在与所有相关零件套装联接后组成转子。因转子在工作中作高速运转，因此还应进行动平衡试验，在不重要处用直径不大于Ф7的钻头去重，一般要求达到G1.6级，转速高的甚至要求达到G1.0级，以免在使用中产生过大的离心力，从而导致振动等不良影响。

6 结束语

经上述简介的各步骤，一对合格的高速齿轮副即制造完成。高速齿轮传动的设计制造实践更为复杂，例如齿轮箱轴瓦的计算和选择，以及临界转速的计算等，这些设计将决定高速齿轮是否能够稳定运行，齿轮箱的温度、噪声、振动值能否符合标准等。高速齿轮箱设计的复杂性和高可靠性，使该项技术一直是齿轮传动设备设计中的顶尖技术部分。期待我国尽早出现可以媲美世界先进水平的产品标准与设计制造规范。

[1] American National Standard，ANSI/AGMA 6011-I03 Specification for High Speed Helical Gear Units[S]．

[2] American Petroleum Institute，API STANDARD 613 Special Purpose Gear Units for Petroleum，Chemical，and Gas Industry Services[S]．

ThePracticeabouttheDesignandManufacturingofHigh-speedGearandtheApplicationofInternationalStandard

DAI Lu

(Jiangsu Provincial City Planning Research Institute, Jiangsu Nanjing, 211178, China)

It introduces the design software and standard adopted by Philadelphia Gear Company (initiated as PGC) as well as the impact of overseas high-speed transmission technology and standards on domestic products. Also it further presents the practice of design and manufacturing of high-speed gears and the application of American standard such as selection of material, tooth profile design, strength design and manufacturing.

High Speed Gears; Material; Gear Shape; Strength; Accuracy; Gear Manufacture

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.017

2014-01-10

戴路(1970—)，男，江苏南京人，江苏省城市规划设计研究院工程师，主要从事齿轮设计方面的工作。

TH132.4

A

2095-509X(2014)03-0065-03