高速船用齿轮箱油泵连接套的失效机理分析

周炳国ZHOU Bing-guo；夏明伟XⅠA Ming-wei

（杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，杭州 311203）

0 引言

某高速船用齿轮箱经过10 年的使用后，其左机工作油泵连接套实现明显的断裂现象，但是，右机连接套磨损程度不明显，当左机连接套更换后，发现工作油泵在短时间内出现严重损坏现象，导致整个齿轮箱润滑系统发出报警声。此时，通过拆检左机齿轮箱连接套，发现该机带泵所对应的端面键出现断裂或者磨损现象，同时，带动机带泵所对应的端面键卡槽出现严重磨损，其磨痕达到了1mm，整个磨损区域比较光滑和平整，这无疑增加了油泵的磨损程度，通过拆检右舷齿轮箱机带泵，发现整个机带泵处于正常状态，机带泵所对应的端面键出现轻微磨损现象，属于正常磨损，并无大碍。为了确保船用齿轮箱能够正常、稳定、安全地运行，现对整个油泵连接套的失效机理进行全面的分析和研究，使其运行可靠性得以大幅度提高，只有这样，才能获得较高的社会效益和经济效益。但是，高速船用齿轮箱经过长时间的运行后，油泵连接套很容易出现断裂现象，一旦油泵连接套更换操作不规范，齿轮箱润滑系统会频繁发出报警声，所以，技术人员要重视对油泵连接套失效机理的分析。

1 齿轮箱结构和原理介绍

1.1 齿轮箱结构

齿轮箱始终与异心布置保持垂直关系，上端为输入轴，下端为输出轴。左主机与右主机的旋转方向始终为顺时针旋转，为了实现产品的模块化生产，降低维修难度，齿轮箱在实际设计中，要确保齿轮箱结构的相同性。此外，还要利用离合器，对左右舷齿轮箱运动方向进行科学控制。对于齿轮箱而言，其左机与右机的功率传递流程存在很大不同，左右机正车时主功率传递流程分别如图1、图2所示。

图1 左机正车时主功率传递流程

图2 右机正车时主功率传递流程

1.2 泵连接设计

齿轮箱机带泵在实际设计中，主要采用端面键连接方式，将联轴套与反向轴进行有效连接，从而得到合适的联轴套连接结构。为了避免端面键长时间运行后出现明显的磨损现象，需要采用平键连接方式，连接连轴套与油泵一端，采用端面键连接方式，连接另一端。另外，还要采用氮化处理的方式，对连轴套好端面键进行全面处理，使其耐磨性得以大幅度提高。对于机带泵而言，其转速、额定功率分别为1800r/min、8.3kW，联轴套与端面键之间的最大挤压接触应力达到了11MPa，其中，联轴套和反向轴连接处的最大应力分别为55MPa、38MPa，远远低于屈服强度标准值，此外，联轴套和反向轴的安全系数分别为9.52、18.5，这表明连接部位所对应的安全系数较高，完全符合实际设计标准和要求。

2 连接套损坏原因分析

机带泵和联轴套在实际使用中，经常出现磨损压溃现象，其原因是两种零件始终处于比较高的运转速度下。此外，这两种零件之间的配合间隙较大，无法在同一中心位置上，造成齿轮箱与泵体频繁碰撞，在这种碰撞力的影响下，端面键很容易出现局部压溃问题。同时，这两种零件之间的配合间隙主要是由端面键频繁蠕动摩擦产生的。总之，导致油泵连接套出现失效的因素主要包含以下两种，分别是左右机油泵轴系、反向轴与机带泵对中，接下来，对这两大因素进行全面分析。

2.1 左右机油泵轴系影响分析

左右舷齿轮箱所对应的功能不同，其功率传递流程也存在一定的差异。当右舷齿轮箱正车处于高速运行状态时，反向轴很容易受到齿轮所施加的啮合力，确保右舷齿轮箱稳定、安全地运行。当左舷齿轮箱正车处于高速运行状态时，反向轴并没有受到齿轮所施加的啮合力，因此，该正车所对应的扰动程度比较高，导致端面键与卡槽之间的摩擦程度不断增加，导致端面键与反向轴的间隙变得越来越大。

2.2 在动态条件下反向轴与机带泵对中分析

反向轴在实际工作中，主要依靠机带泵进行工作，通过采用平键的方式，可以确保轴套一端与机带泵输入端之间建立起良好的连接关系，然后，使用螺钉，对其进行加固处理。此外，通过利用端面键，可以确保轴套另一端与反向轴之间建立起良好的连接关系，同时，端面键与卡槽的间隙通常设置为0.05mm。在此基础上，通过科学地控制和调整端面键的配合间隙，可以有效地满足反向轴的对中设置要求，使得机带泵能够正常、稳定、安全地运行。但是，机带泵经过长时间的运行后，端面键与卡槽之间的间隙会呈现出不断增加的趋势，当间隙达到4mm 时，反向轴与机带泵会出现明显的不对中问题。

3 失效机理分析

对于高速船用齿轮箱而言，其油泵连接套失效的诱导因素主要包含以下几点，分别是端面键间隙、端面键蠕动磨损、油泵轴系扰动、端面键润滑。接下来，对这些因素进行全面分析。

3.1 端面键间隙影响

反向轴与油泵在实际运转期间，理论上，始终处于同一中心线上，但是，实际上，由于受到轴承间隙和箱体精确度等因素的影响，导致反向轴与油泵无法在同一轴心线上进行运转，所以，技术人员要科学设置端面键间隙[1]，避免因间隙过大、过小而影响最终的补偿效果。当间隙过小时，无法取得理想的动态补偿效果，当间隙过大时，将会降低反向轴与油泵之间的平稳性。对于齿轮箱而言，一旦船舶摆动幅度较大，将会增加齿轮油泵运转的波动性和不平稳性，使其在实际运转期间，频繁碰撞到端面键上，严重影响了油泵的运行性能。对于齿轮箱反向轴而言，其轴承径向间隙最小值为0.27mm，最大值为0.47mm，在充分结合齿轮箱反向轴结构特点的基础上[2]，将端面键的最大偏心距离值设置为0.80mm。另外，在结合齿轮箱结构特点的基础上，采用试验分析法，将端面键间隙设置为0.05mm~1.5mm 之间，同时，还要保证端面键方向的一致性，使得端面键偏心运转的风险降到最低。当端面键间隙不断增加时，齿轮箱反向轴一旦处于高速运转状态下[3]，会增加油泵轴的扰动程度，使得机带泵不得不面临较大的负荷。当间隙超过一定值后，机带泵会处于高速旋转状态下，导致油泵齿轮与铝制泵体频繁碰撞，造成泵体出现严重破损，这无疑增加了端面键的断裂风险。

3.2 端面键蠕动磨损影响

机带泵在实际运行期间，端面键与键槽经常出现蠕动现象，导致两者之间产生一定的摩擦力。理论上，齿轮箱反向轴平均旋转一次，端面键会摩擦一次。对于油泵而言，其工作转速、频率和蠕动运行速率分别为1800r/min、60Hz、10.8 万/h，一旦出现摩擦现象，势必会增加端面键的磨损程度，此时，端面键会释放一定的热量[4]。为了将端面键蠕动磨损速度降到最低，需要对端面键进行氮化处理，从而产生相应的硬度差，使其磨损速度不断下降。另外，还要对端面键进行润滑处理，从而吸走一定的热量，使其磨损程度降到最低。油泵参数设置如表1 所示。

表1 油泵参数设置

3.3 油泵轴系扰动影响

对于左舷齿轮箱而言，其反向轴在实际运行中，并没有参与到主传动行列中，因此，并没有产生一定的齿轮啮合力，当反向轴的运转速度达到1800r/min 时，其扰动程度较大，从而增加了端面键与键槽之间的频次，使其磨损变得愈加严重[5]。齿轮箱1.6 万小时磨损情况如表2 所示，从表2 中的数据可以看出，左右舷齿轮箱的磨损程度存在一定的差异。

表2 齿轮箱1.6 万小时磨损情况

影响油泵轴系扰动程度的因素除了包含齿轮箱运转受力因素外，还包含齿轮箱的运行工况以及所处环境两大因素。当齿轮箱运行处于高工况情况下，其振动能量会出现大幅度增加，导致轴系扰动现象变得愈加明显，从而加快连接键的蠕动频率，造成其磨损速度不断上升。当船舶出现大幅度横摇时，齿轮箱内部润滑油会出现明显波动[6]，造成机带泵无法平稳运行，同时，还增加了油泵轴系的扰动程度，使其磨损速率不断增加。

3.4 端面键润滑影响

当动态连接键处于高速运行状态时，通常需要采用润滑的方式，降低其磨损程度。润滑方式主要包含以下三种：①脂润滑方式。当动态连接键处于高速运行状态时，该润滑方式表现出润滑时间短，润滑效果差特点，因此，该润滑方式主要适用于低速运行状态的动态连接键。②油浴润滑方式。该润滑方式主要适用于中速度、间断性运行的动态连接键[7]。③强制润滑方式。该润滑方式主要适用于高速度、连续运行的动态连接键。本文所设计的齿轮箱具有结构紧促、运行性能稳定等特点，该齿轮箱在实际运行中，需要将油泵的运转速度设置为1800r/min，在进行首次装配期间，需要选用脂润滑方式，当齿轮箱运行即将结束时，使用飞溅润滑油，对齿轮箱进行润滑，这种润滑效果相对较差[8]，难以满足端面键磨损需求。另外，蠕动结束后，其温度不断上升，其热量难以在最短时间内内充分带走，这无疑增加了端面键磨损程度。润滑方式分类示意图如图3所示。

图3 润滑方式分类示意图

4 预防措施

4.1 优化连接结构

为了进一步提高齿轮箱油泵连接套的稳定性和可靠性，技术人员要加强对连接结构的优化。首先，要将油泵连接结构改造为渐开线连接方式，这种连接方式主要形成于联轴套与反向轴之间。联轴套与反向轴的渐开线连接型式主要是指通过采用渐开线花键连接方式，将连接套与油泵进行有效连接[9]，然后，采用平键配合连接法，将连接套与反向轴之间进行有效连接。对连接结构优化后，所形成的花键连接结构具有以下显著特点：①对端面键单面摩擦方式进行改变，使其变为多面磨损方式，从而有效地减轻蠕动磨损量。②有效地避免因出现轴系扰动而降低油泵的运行性能，使得油泵连接套具有较高的维护性。总之，采用实船验证方式的应用背景下，与端面键磨损程度相比，油泵花键连接方式所对应的磨损程度相对较小。

4.2 优化润滑方式

当油泵处于高速运行状态时，飞贱润滑方式的运用，难以达到端面键润滑相关标准，因此，需要对飞溅润滑方式进行优化，使其被优化为强制润滑方式。此外，还要从反向轴出发，不断扩充油路，同时，还要将润滑油的压力设置为0.2MPa，便于后期润滑渐开处理。另外，对于船用齿轮箱而言，其内部油泵连接套经过长时间的使用后，很容易出现失效问题，这是由于齿轮箱的轴系扰动等因素造成的，因此，通过借助渐开线花键连接方式，以降低轴系扰动出现的概率。

5 结束语

综上所述，对于齿轮箱而言，其油泵连接形式在某些特殊使用场景中，很容易造成连接端面键出现严重磨损现象，本文根据高速船用齿轮箱结构特点，全面地分析了影响端面键磨损程度的因素，并对油泵连接套失效机理进行深入地研究，得出以下几个结论：①对于齿轮箱油泵连接套而言，其失效现象的出现与端面键的间隙之间存在密切的联系，当端面键间隙不断增加时，将会导致油泵连接套出现一定的动态变化。②对于齿轮箱油泵连接套而言，其失效现象的出现与端面键的磨损程度之间存在密切的联系，而端面键的磨损程度与端面键所选用的润滑方式之间存在直接的联系。③对于船用齿轮箱而言，其内部油泵连接套经过长时间的使用后，很容易出现失效问题，导致这一问题出现的根本原因是受到齿轮箱的轴系扰动等，因此，通过借助渐开线花键连接方式，以降低轴系扰动出现的概率。④后续，需要对船用齿轮箱可靠性指标进行全面分析和研究，并科学地验证齿轮箱的使用寿命，为保证装备运行性能的稳定性创造良好的条件，同时，为延长装备的使用寿命打下坚实的基础。