大功率传动齿轮箱关键技术分析

大功率传动齿轮箱 关键技术分析

金成斌 张铭益

中国船舶集团有限公司第七〇三研究所 黑龙江 哈尔滨 150070

摘要：随着社会的发展，大功率传动齿轮箱采用齿轮增速或减速并传递扭矩和功率。高速大功率传动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，大功率传动齿轮箱正朝着大功率、大尺寸、高传动比、高速等方向发展。

关键词：大功率；高速传动大功率传动齿轮箱；技术分析

引言

目前，国外高速、重载大功率传动齿轮箱技术已发展到很高的水平，设计制造技术相对成熟，以RENK、FLENDER、BHS等为代表的高速大功率传动齿轮箱供应商生产的高速大功率传动齿轮箱功率已达140MW左右，最高转速为10万r/min，最高齿尖线速度为300m/s。随着速度的提高，对齿轮制造精度的要求也在不断提高。我国以南京高精传动设备制造集团有限公司、重庆大功率传动齿轮箱有限责任公司等单位为代表，也在高速大功率传动齿轮箱设计、制造方面取得了长足的进步。高速大功率传动齿轮箱是工业领域的关键设备，其可靠性尤为重要，同时还应关注大功率传动齿轮箱寿命，使大功率传动齿轮箱更具经济性。

1意义

大功率传动齿轮箱是高速列车动力转向架驱动系统的关键部件，主要包含齿轮、箱体、轴承、联轴节、悬挂等构件。因长期处于高速重载的运行工况下，齿轮啮合的过程中总会伴随高频冲击，相应故障发生的概率也会增大。由于存在啮合刚度导致的啮入啮出冲击、制造误差导致的齿形误差、车轮磨耗和轨道不平顺导致的外部激励，大功率传动齿轮箱在运行过程中常常出现磨损、点蚀、断齿等问题。同时，大功率传动齿轮箱箱体的振动特性与齿轮系统运行状态息息相关。在高速列车服役过程中，大功率传动齿轮箱箱体除了承受来自齿轮传动系统的内部激励，还受到因轨道不平顺引发的轮轨激励。因此大功率传动齿轮箱体的振动响应十分复杂，在特定情况下会出现超谐共振、亚谐共振等多种参数的共振形式，严重时会引发系统的共振失效。

2大功率传动齿轮箱关键技术分析

2.1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，大功率传动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。

2.2数据采集软件

数据采集部分的软件配置以下位机为主，系统上电复位后MCU初始化部分参数设置，其中包括串口、中断和计数器等方式，除此之外的分频及计数器已经在硬件部分表述清楚。系统上电后下位机先要进行MCU初始化，包括启动时钟、系统自检等功能，然后设置串口通讯的波特率和接收发送寄存器，同时打开中断寄存器并开始计数，计数器判断脉冲边沿并触发后初始化和复位FIFO，然后开始检测齿轮转速。

2.3车载故障诊断

设备轨道交通方便快捷，属于环境友好型交通方式，它渐渐被社会接纳认可获得好评，并且于全球各地得到普遍应用。但是随着高速列车逐步发展，机械系统曰趋复杂，运营里程円渐累积，车辆的安全状态监测和故障诊断被各类研究机构、研究人员乃至全社会地极大重视。円本率先于运行在新干线铁路的高速列车车辆上安装了安全监测设备，用以实时动态监测列车运行状态，确保列车安全、高速、稳定。

2.4传动系统的等效简化模型

为了分析在整车振动环境下齿轮传动系统的振动特性，需要在整车模型中考虑齿轮的传动效应。主要方法有两种：一种是将齿轮内部动态激励提取出来，Ｗ力激励的形式施加到ＳＭＰＡＣＫ建立的整车动力学模型中，这种方法能Ｗ最直观的方式表达齿轮内部动态激励对诸轮传动系统Ｗ及车辆其他部件的影响，不需要在ＳＭＰＡＣＫ里建立齿轮传动模型，计算速度快，不足的是话轮内部动态激励的表达形式各异，不能全部体现齿轮咕合的特征，施加到整车动力学中的方法也多种多样；第二种是采用ＳＭＰＡＣＫ软件自带力元进行传动系统建模，根据不同的研究目的和简化程度，主要提供了H种力元。

2.5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。要使高速大功率传动齿轮箱运转平稳，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大功率传动齿轮箱取得较好的降噪和减振效果。

2.6输入采样信号

为验证传动误差的可靠性和精度，设计传动误差的试验验证平台。伺服电机为低扭矩转速电机，减速箱为传动装置，为保证传动系统精度采用精密同轴连接器验证大功率传动齿轮箱传动系统。脉冲为4V的正负电压信号，在高低电平部分有干扰信号，主要是数据采集部分与伺服电机的地线连在一起，噪声并不影响输入脉冲信号。

结语

过对大功率高速大功率传动齿轮箱设计、制造、装配中主要关键技术进行分析，选择合理的设计参数和加工精度，保证了大功率传动齿轮箱稳定可靠运行，降低了大功率传动齿轮箱振动和噪声，保障了大功率传动齿轮箱使用寿命，从而分析确定了该项目100MW等级大功率传动齿轮箱的技术可行性。

参考文献

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