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    中國齒輪技術發展30年歷史回顧

    時間 :2019-12-05 作者 : 來源: 瀏覽 : 分類 :行業動態
    盡管中國的齒輪傳動歷史可追溯到3000年前,但只有在中華人民共和國成立后,中國的齒輪傳動技術才有了長足的進步。中國齒輪行業的發展里程大致可分為4個階段

    中國齒輪技術發展30年

    ——劉忠明


      歷史回顧


    齒輪的雛形最早出現在公元前200年前中國的水車中,應為木制件;從公元前200年到公元1800年,隨著人類生產力的發展和冶煉技術的開發,出現了用銅和鑄鐵制造的齒輪,使得其承載能力和壽命大大提高。在公元前200年至公元23年的《西京雜記》中所記載的指南車,其齒輪傳動構思之妙、水平之高、涉及領域之廣,堪稱古代文明之最,著名齒輪專家Dudley曾譽之為“古代齒輪技術的里程碑”[1]。自19世紀歐洲工業革命后一直到今天的200年中,蒸汽機、內燃機、電動機的新動力代替了原始的水力傳動,鋼制齒輪也逐漸替代了鑄鐵齒輪。美國、前蘇聯、德國、日本等經濟發達國家把齒輪傳動技術推向了一個新的高峰,齒輪技術發展之快、成果之多,遠遠超過歷史的任何時期。
    盡管中國的齒輪傳動歷史可追溯到3000年前,但只有在中華人民共和國成立后,中國的齒輪傳動技術才有了長足的進步。中國齒輪行業的發展里程大致可分為4個階段:
    1)初創期(1950-1965):建國初期,我國齒輪工業幾乎是空白。第一個五年計劃(1953-1957)期間開始發展齒輪制造業,1956年成立了機械科學研究院,下設齒輪傳動研究室,這是中國最早的齒輪技術研究開發機構。1963年中國機械工程學會齒輪傳動學會成立,并在太原市召開第一屆全國齒輪學術會議。20世紀60年代中約有齒輪制造廠(車間)100多家。
    2)緩慢發展期(1966-1980):我國的齒輪工業基礎初步形成,齒輪生產廠家約有200個,涉足齒輪技術的研究所有7個,如鄭州機械研究所有限公司(機械科學研究院搬遷至河南),西安重型機械研究所,成都工具研究所等。同時,從事齒輪傳動技術研究的高等院校大約有10所。期間受文化大革命的影響,齒輪產業和技術的發展遭受很大影響。
    3)快速發展時期(1981-1995):隨著國家開始大量進口大型成套工業裝備,通過國家重點投人和數量可觀的技術或產品引進,齒輪技術又在樣機試制和備件國產化中得到發展,同時還進行了一系列基礎數據、制造工藝及裝備研究,縮小了在文革中拉大的與國際先進水平的差距,齒輪傳動技術研究在中國有了較大的發展,形成了第二個高潮。同時國際交流也較頻繁,如1988年,齒輪傳動國際學術會議在中國鄭州召開,來自世界18個國家的368名代表出席會議,其中海外齒輪專家與學者有105名。另外,鄭州機械研究所完成了聯合國援助項目——中國齒輪技術開發中心建設(1986-1990年)。該項目共投資90萬美元,還派遣21名技術骨干到美國等工業發達國家進修[2]。這一時期中國的齒輪傳動技術已趨于成熟,主要齒輪制造企業有600余家,產值30多億美元。
    4)平穩發展時期(1996至今):其間的技術特點是:漸開線齒輪硬齒面制造技術成熟,全面取代中硬齒面,其他齒形齒輪的應用空間逐步縮??;數控加工裝備發展迅速;齒輪行業的發展由技術驅動型轉為產品或設備驅動型;從事齒輪技術研究的高校大幅度減少,主要集中在錐齒輪方面;新齒形、新工藝、新技術研究處于相對低潮期;中國齒輪市場規模自2009年超過1000億人民幣,5年后的2013年超過2000億人民幣,2018年達到2600億人民幣。目前,我國齒輪市場規模位居世界第一,也是中國通用零部件行業市場規模最大的行業。圖1為2009年-2018年10年來中國齒輪市場規模發展情況。

    圖1 近10年來中國齒輪市場規模發展趨勢


    二、齒輪技術發展梗概



    30年來,中國齒輪技術隨著市場規模的迅速快速擴大取得了迅速發展。齒輪產品基本滿足了風力發電、軌道交通、工程機械、石油化工等行業的裝備需求;高速齒輪、行星齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿、圓弧齒輪等各類齒輪傳動技術日趨成熟。


    2.1  設計技術

    美國、日本和歐洲發達國家是齒輪技術強國,仍不斷進行基礎研究,持續提升設計水平。30年來我國齒輪產品的設計水平不斷提高,與發達國家的差距逐漸縮小,常規設計分析技術已基本成熟,但在多學科耦合設計專業軟件開發、動力學建模分析、減振降噪設計、多余度合流與分流設計、傳動系統效率和熱平衡計算、機電液復合傳動集成設計等方面還有明顯差距。30年來我國齒輪工作者涉足齒輪傳動技術研究的各個方面,特別是在新齒形與新應用、齒輪動力學分析及修形、錐齒輪型面嚙合分析與控制、非圓齒輪齒廓分析、專業軟件開發等方面做了大量工作。

    1)新齒形、新應用

    1765年瑞士數學家歐拉建議齒輪采用漸開線齒廓以來,漸開線成為目前齒輪傳動“一枝獨秀”的齒廓。盡管理論上凡符合嚙合定律的任何曲線都可作為齒輪嚙合的齒廓,但用于工業生產的齒廓曲線只有擺線、圓弧線、漸開線及其組合4種。漸開線齒廓具有直刃刀加工、中心距可分、可變位等其他齒廓難以望其項背的優點。
    1923年美國人懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪,1955年前蘇聯的諾維科夫通過深入研究使其得以實際應用。1958年圓弧齒輪引入我國后,鄭州機械研究所、太原理工大學、哈爾濱工業大學等對圓弧齒輪做了大量理論和試驗研究工作,在基礎理論、制造工藝、標準化等方面取得了重要突破,形成了我國獨有的理論與技術體系。雙圓弧齒輪的磨齒是世界性難題,為攻克這一技術難題,1995年開始鄭州機械研究所和太原理工大學等單位對硬齒面雙圓弧齒輪的刮削加工工藝進行了研究,掌握了滲碳淬火雙圓弧齒輪刮削加工的成套制造技術,使硬齒面雙圓弧齒輪的承載能力與相同規格的硬齒面漸開線齒輪相當,結束了硬齒面雙圓弧齒輪難以精加工的歷史,是硬齒面雙圓弧齒輪技術上的重大創新,使我國圓弧齒輪的制造水平居國際領先水平。30年來,圓弧齒輪產品在石油化工等領域獲得了成功應用。但由于其自身的局限性,特別是硬齒面漸開線圓柱齒輪制造、檢測技術成熟以來,圓弧齒輪只能在局部領域替代漸開線齒輪,遠未達到人們原來的期望。
    1990年合肥工業大學等開始微線段齒輪研究,2000年研制出減速器,并與漸開線齒輪進行了對比試驗。該齒輪齒廓由上萬段微線段組成,打破了傳統齒廓曲線必須二階光滑連續的局限,設計時對性能可調控的余地較大,因此設計出的齒輪傳動裝置比傳統漸開線齒輪裝置有很大提升,如強度可提高50%左右,效率可提高幾個百分點等[3]。
    點線嚙合齒輪為原武漢水運工程學院1986年提出,其小齒輪為一個變位的漸開線短齒,大齒輪其上部為漸開線凸齒廓,下部為過渡曲線的凹齒廓,嚙合時既有接觸線為直線的線嚙合,同時又存在凹凸齒廓接觸的點嚙合,產品在起重運輸機械和煤礦機械中有推廣應用。
    在特殊齒輪傳動技術研究方面,鄭州機械研究所完成了科技部“輸送用高參數齒輪泵設計制造關鍵技術研究”、“特殊齒形齒輪泵的研制”、“新型內嚙合齒輪泵研究”、“P型特殊齒形高粘度齒輪泵”等等項目,開發了NCB內齒輪泵、TGC(P型泵)和SPX外嚙合齒輪泵兩大類、三種系列、22個規格的高參數齒輪泵產品;開發了可用于內、外嚙合兩種嚙合形式以及牛頓、非牛頓兩種工作介質的齒輪泵CAD/CAE集成軟件系統,建成了高粘度齒輪泵試驗臺,形成了全套具有自主知識產權的內、外嚙合高參數齒輪泵的設計制造技術,“高參數特種齒輪泵關鍵技術及系列產品研發”獲2008年機械工業科技進步二等獎;鄭州機械研究所還完成了科技部“精密單螺桿制冷壓縮機關鍵制造技術研究”、“600MW發電機組鍋爐回轉式空氣預熱器傳動裝置研發”等項目,完成了精密單螺桿制冷壓縮機中的單螺桿轉子(圖2)、600MW發電機組鍋爐回轉式空氣預熱器傳動裝置和支承軸承、三葉羅茨風機擺線轉子、大型機械用銷齒傳動等各類特殊齒輪傳動的理論研究和產品開發等工作。 


    非圓齒輪最早出現于19世紀末荷蘭制造的立車刀架快回機構中,但受制于其設計、制造的復雜性,在相當長的一段時間內沒有得到應用推廣。20世紀60年代以前,非圓齒輪研究主要集中在理論研究方面,解決了嚙合理論和設計方面的許多基本問題,確定了非圓齒輪齒廓嚙合所要滿足的幾何條件。但受當時計算機技術和數控技術等限制,這段時期針對非圓齒輪的設計主要依賴手工計算,費時費力。加工手段主要依靠靠模法、分度近似切齒法、斷續展成法和鑄造法制齒,生產效率和加工精度都較低,使得非圓齒輪很難得到應用推廣。20世紀60-80年代非圓齒輪的發展一直處于低潮。進入20世紀80年代,伴隨著計算機和數控加工技術的快速發展,非圓齒輪也進入快速發展期。針對非圓齒輪,我國學者在設計、加工、應用等各個方面都進行了深入的研究。如出版了“非圓齒輪”、“非圓齒輪及非勻速比傳動”等專著,鄭州機械研究所針對非圓齒輪CAD/CAM系統進行了研究和開發,實現了非圓齒輪從設計到加工的自動化。在這一時期,隨著計算機技術的發展,非圓齒輪的開發已廣泛采用計算機輔助設計系統。數控滾齒機、數控插齒機、線切割等數控設備的出現也使非圓齒輪的加工易于實現,并可獲得很好的加工精度。目前,非圓齒輪仍是齒輪技術研究的熱點之一,據不完全統計,僅2016年在國內期刊雜志上發表的相關論文就有79篇,分別從設計、制造、測繪、仿真、嚙合特性、承載能力等多個方面進行了較為全面的研究,仍是齒輪傳動的熱點之一。目前,非圓齒輪在國內的很多機械產品中得到了普遍應用(圖3、圖4)。但與傳統圓柱齒輪市場相比規模較小、較為分散,對我國非圓齒輪市場的開拓以及專業生產廠家的形成,均產生了一定的影響。


     

    2)輪齒修形技術

    漸開線齒輪動力學和修形技術的研究是最近30年研究成果最多、進展最快的技術之一。齒輪輪齒的修形包括齒形修形、螺旋線修形、對角修形及三維拓撲修形等。通過修形可以達到:改善齒面載荷分布,提高承載能力;②減小傳遞誤差,降低齒輪傳動噪音;③降低摩擦損失,提高傳遞效率等。特別是通過修形可以明顯改善載荷在齒寬方向的分布,提高齒輪的承載能力。在GB/T 3480標準所有載荷修正系數中,齒向載荷分布系數Kβ是影響因素最多、計算最復雜的。軸系結構尺寸設計不合理、制造裝配誤差較大時,有可能出現不合理的、較大數值的Kβ。國外有文獻曾對某2MW風電增速箱做過研究,結果表明未修形時Kβ=1.67(載荷分布如圖5(a)所示);采用螺旋線修形時Kβ=1.23(載荷分布見圖5(b)所示);在進一步考慮行星架扭轉變形的影響時Kβ=1.16(載荷分布見圖5(c)所示),齒向載荷分布系數比不修形時降低了30%,中心距可降低約12%;但如果修形不當,出現過量修形時Kβ=1.98(載荷分布見圖5(d)所示),不但齒向載荷分布得不到改善,反而降低了承載能力。齒輪輪齒的修形不能僅考慮齒輪本身的變形和誤差,應對整個傳動鏈的誤差、變形等進行計算分析,這涉及到復雜的設計和制造技術,而且最終還需經試驗或實際運行驗證。齒輪修形技術在歐美國家已經得到普遍應用,但目前國內對此缺乏深入系統的研究,難以提供適合各種工況的精確指導,這也是我國齒輪傳動產品比較落后的主要原因之一[4]。

    3)錐齒輪設計分析技術

    30年來錐齒輪設計制造技術取得巨大進展。由于錐齒輪在幾何上非常復雜,其設計分析方法與制造方法密切相關,加工中的切齒調整方案直接影響著齒輪副的嚙合質量。目前,我國高等院校中與齒輪傳動相關的研究主要集中在錐齒輪方面。我國錐齒輪設計標準大多采用零變位設計。河南科技大學利用分錐與節錐相對變位的原理,提出了“節錐不變、分錐變位”的非零傳動錐齒輪技術,可以大幅度提高錐齒輪的承載能力,技術產品已在重型機械、機床、艦船、煤礦、油田等行業推廣。直升機等航空傳動系統也多采用錐齒輪傳動,其工作特點是高速、重載且工況復雜,要求質量輕、可靠性高,對錐齒輪嚙合精度和干運轉能力有十分苛刻的要求,我國航空錐齒輪傳動壽命和可靠性與國外先進水平相比差距很大[11]。

    4)設計分析軟件

    30年來,我國齒輪軟件經歷了從無到有、從功能單一到系統集成的快速發展。隨著計算機技術和編程技術的發展,單一功能的齒輪計算分析軟件已變得十分簡單。目前,國產軟件中,影響較大的有鄭州機械研究所開發的齒輪傳動CAD集成系統(ZGCAD)、重慶理工大學開發的錐齒輪設計制造分析軟件系統等。ZGCAD軟件從1987年開始開發至今,已幾乎包含所有齒輪傳動類型的幾何尺寸計算、強度校核等功能。目前,該軟件系統已在冶金、石化、煤礦、電站、汽車、大型工程裝備等行業的約600家齒輪設計制造單位使用,軟件還銷往臺灣地區。功能主要包括:①漸開線圓柱齒輪傳動優化設計系統;②高速齒輪傳動優化設計系統;③錐齒輪傳動優化設計系統;④雙圓弧齒輪傳動優化設計系統;⑤蝸輪蝸桿傳動優化設計系統;⑥NGW型行星齒輪傳動優化設計系統;⑦齒輪幾何尺寸及精度計算;⑧齒輪強度計算軟件;⑨齒輪及軸系有關計算軟件;⑩齒輪軸系零部件參數化繪圖系統;?非圓齒輪CAD系統等。
    與國外先進的專業軟件Romax、MASTA、KissSoft等相比,國產軟件基本上屬于計算類軟件,主要是相關標準的程序化,功能相對單一,系統集成性較差,在復雜齒輪傳動系統的3D精確建模與系統分析等功能方面,還難以與國外先進的同行軟件相媲美??上驳氖?,2018年國家重點研發計劃“制造基礎技術與關鍵部件”專項設立了“齒輪傳動數字化設計分析與數據平臺”項目,將由鄭州機械研究所牽頭、聯合重慶大學、大連理工大學、中南大學、重慶理工大學及南高齒、杭前進、二重、太重等骨干企業共同開展齒輪數字化設計及數據平臺的開發與應用工作,期望三年后我國的齒輪專業軟件有一個大的提升。
    2.2  齒輪制造技術
    30年來,我國齒輪制造技術及裝備取得了突飛猛進的發展,硬齒面成型磨削、齒根噴丸強化、齒面超精加工、近凈成型、干切加工等技術得到快速發展和成熟,體現出四“Jing”的特點:精確。加工幾何尺寸更加準確,幾何精度大幅度提高,磨齒經濟精度可達4~6級;②精明。齒輪加工機床功能復合化、數控化、智能化程度日益提高,具有自動找正、自動換刀、自動在線測量甚至自動上下料等功能,使得加工效率大幅度提高,操作進一步簡便,操作工人的勞動強度大大降低;③靜。齒輪加工時產生的噪聲大幅度減小,產品質量的提高使設備運行時的噪聲進一步降低;④凈。一是加工精度的提高,使得零件毛坯或半成品加工量減??;二是機床工作時更注重綠色環保,生產車間更加干凈,環境更加良好。
    1)成型磨削技術
    漸開線硬齒面齒輪成型磨削技術及裝備的發展是近30年取得的最偉大成就之一,使得硬齒面齒輪全面替代軟齒面或中硬齒面,也使得輪齒的修形變得簡單可行;使漸開線圓柱齒輪的普通精度等級從8~10級提高到4~6級。超精密齒輪的工業小批量生產水平可以很容易地達到3級精度。日前,大連理工大學王立鼎院士團隊成功研制出1級精度基準標準齒輪,齒輪精度達到國際領先,填補了國內外1級精度齒輪制造工藝與測量方法的空白。
    目前,滲碳淬火磨齒齒輪存在的主要問題是磨削量過大導致的磨削燒傷和磨削臺階等問題。滲碳淬火齒輪因熱處理畸變較大需要磨削精加工,其磨削量主要取決于齒輪的熱處理畸變量。根據我國目前的情況,按齒輪模數大小及齒輪的結構和尺寸不同,磨削量一般在0.2~0.6mm范圍內,有的可達0.8mm甚至1mm以上。過大的磨削量會降低表層最佳的硬度及其梯度分布、金相組織,從而喪失了表面起良好作用的殘余壓應力。國內目前很多企業對這一問題缺乏足夠的重視。
    2)齒輪加工的干切技術
    長期以來,齒輪切削加工中需要使用切削液,這不僅會造成作業環境的污染,而且會影響操作者的健康,更會增加相關成本。隨著環保要求的越來越嚴,齒輪的干切技術得到了快速發展。干切可分為直接干切、風冷干切、冷風干切等。直接干切是在不采取冷卻措施的條件下直接進行加工,要求機床的耐熱性和剛性要好。對于滾齒機而言,由于普通機床的傳動鏈較長、整個切削系統剛性較差,難以滿足干切要求。數控機床通過縮短傳動鏈,增加系統剛性,才可能實現干切要求。同時,要保持連續切削,刀具也必須能夠承受持續高溫,因此目前采用直接干切方式進行滾齒加工尚不普遍;風冷干切是用壓縮空氣代替切削油等冷卻液的切削加工方式。目前風冷干切在滾齒和花鍵加工中有應用;冷風干切是向切削點噴射低溫的壓縮空氣以獲得良好的冷卻效果。有研究表明:高速干式滾齒機加工齒輪全過程的碳排放總量比普通濕式切削滾齒機加工齒輪全過程的碳排放減少55.7%,大大降低了齒輪加工的物料、能源消耗及加工成本費[6]。
    3)齒輪近凈成形技術
    近凈成形技術主要用于大規模生產的車輛齒輪,經精密鍛造技術生產的直齒輪、錐齒輪等零件經較少的切削加工或直接用于產品。少、無切削的近凈成形和凈成形是一種快速發展的先進制造技術,是在傳統模鍛基礎上逐步發展起來的??朔饲邢骷庸げ牧侠寐实?、生產效率低以及切斷了金屬纖維流線而造成的疲勞強度降低等問題,具有節材降耗、生產效率高、生產成本低、零部件強度高等優點,符合高效、精密、綠色清潔的先進制造技術的發展趨勢。近幾年,我國直齒錐齒輪的精密鍛造技術得到了快速發展,由最初的熱鍛,到冷精鍛,鍛造出來的齒輪質量有了很大的提高,相關的技術已經在國內不少企業獲得了產業化批量生產[7]。
    4)齒根噴丸強化技術
    噴丸強化技術是隨著風電齒輪的發展,近年來得到普遍應用的一種輪齒齒面強化技術。噴丸強化是通過機械手段在齒輪表面產生壓縮變形和殘余壓應力,從而提高輪齒表層疲勞強度的一種齒面改性方法。噴丸后齒面強化層內產生塑性變形,表層殘余奧氏體向馬氏體轉變,使原始馬氏體的位錯密度增加、結構細化,噴丸使金屬表面顯微硬度和數十微米的表層內的殘余壓應力增大,從而達到大幅度提高齒輪彎曲疲勞強度的目的。噴丸強化的作用主要有:①增加殘余壓應力;②細化組織結構;③提高表面硬度;④改變表面粗糙度等。前3種作用都可提高齒輪的疲勞壽命,而噴丸強化后表面粗糙度的增加則可能降低齒輪的接觸疲勞壽命。因此,一般認為噴丸強化有利于彎曲疲勞強度的提高。實際應用中,可通過控制丸粒硬度、直徑、強度、覆蓋率等工藝參數來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵主要是對殘余應力分布和表面粗糙度的控制,避免出現“欠噴”和“過噴”等不當的噴丸強化。根據噴丸工藝的不同,噴丸強化可分為強力噴丸、微粒噴丸和復合噴丸等3種。強力噴丸是用高硬度鑄造鋼丸(直徑0.4~0.6mm)在高壓、高速下轟擊齒輪表面,使齒輪表層的殘余壓應力顯著提高,從而抑制疲勞裂紋的產生和擴展。同時,噴丸強度越大,殘余奧氏體轉變為馬氏體的深度越深,數量越多,齒面硬度提高也越明顯;強力噴丸雖可大幅度提高齒根表層的殘余壓應力,提高齒輪的彎曲疲勞強度,但也會使齒面粗糙度增加。微粒噴丸(直徑小于0.1mm)既可在一定程度上提高齒輪表層的殘余壓應力,又能有效降低強力噴丸對齒面粗糙度的不利影響,滿足噴丸對齒面粗糙度的要求;復合噴丸是指采用兩次或多次噴丸,一般是先用高硬度較大丸粒在高壓、高速條件下強力噴丸,然后再用直徑較小的高硬丸粒進行微粒噴丸,以實現在齒輪表面形成殘余壓應力、改善表面粗糙度、提高表面硬度的目的。復合噴丸可以使齒齒根表層有較大的殘余壓應力又不使齒面粗糙度明顯降低。研究表明復合噴丸比微粒噴丸和強力噴丸的強化效果更為明顯,最大殘余壓應力可達到1300MPa,使齒輪的彎曲疲勞極限大幅度提高[8]。
    2.3  齒輪材料及熱處理技術
    我國齒輪材料及熱處理技術是隨著機械工業對齒輪質量和承載能力要求的不斷提高而發展的。30年來我國的齒輪材料及熱處理技術取得了突飛猛進的發展和驕人的成績。20世紀70年代,我國齒輪的生產以軟齒面調質工藝為主,承載能力低。自20世紀80年代開始,我國開展了大規模的硬齒面制造技術研究工作,如材料選取方面進行了齒輪鋼材國產化系列化研究,齒輪硬齒面熱處理工藝及其裝備研究,齒輪彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度及抗膠合能力等方面的試驗研究等工作,奠定了我國硬齒面齒輪全面代替中硬齒面齒輪的基礎,大大提高了我國齒輪制造的技術水平[9]。
    盡管如此,隨著現代工業的發展,齒輪設計參數不斷提高,對齒輪使用性能、壽命和可靠性也提出了更高的要求,對熱處理技術水平的發展提出了更高的要求。目前,齒輪材料及熱處理質量的高低在一定程度上成為制約齒輪服役壽命和可靠性的關鍵。當前,滲碳齒輪仍然存在很多與熱處理密切相關的問題:預備熱處理與齒輪加工性能和熱處理畸變、硬化層深度與齒輪疲勞剝落、有效硬化層深度與滲碳深度及工藝控制、齒輪滲碳后緩冷工藝與開裂、齒輪熱處理工藝應力與疲勞性能和加工性能、齒輪心部硬度及心部韌性與齒輪強度和工藝性能、高濃度催滲滲碳應用等[10]。
    近年來,國內感應淬火工藝也得到了快速發展,在風電齒圈、三峽升船機齒條中都獲得了成功應用。三峽升船機為國內首次采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直升船機,過船規模3000噸級,最大提升總質量達1.55萬噸,承船廂垂直升降最大高度113m,是世界上技術最復雜、規模最大的升船機。2009年三峽升船機齒條進入招標階段時,國內尚沒有解決避免大型鑄造齒條感應淬火齒面開裂這一世界性難題,對開式硬齒面齒輪齒條傳動的失效模式也缺乏經驗,三峽升船機齒條立足國內生產面臨嚴峻考驗。為解決這一問題,鄭州機械研究所、二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司、上海交通大學等單位經過3年多的聯合攻關,成功攻克了特大模數齒條的鑄件冶煉鑄造、輪齒感應淬火、齒面高效高精度加工等技術難題,為三峽升船機工程成功生產出質量合格的102根齒條,為三峽升船機工程建設的順利完成和通航奠定了重要基礎。課題取得的主要創新點有:①齒條材料熱處理特性研究及材料優化。在對材料CCT曲線及冷卻特性研究的基礎上,優選G35CrNiMo6-6+QT1代替原德國設計的G42CrMo4+QT2;同時根據表淬性能要求對影響齒條感應淬火的關鍵因素提出質量控制要求;進行了齒條齒面硬度和硬化層深度的設計評估,確定了齒條齒面硬度和硬化層深度及齒根硬化層深度。②大模數齒條感應淬火計算機模擬技術。在對齒條感應淬火的溫度測試和殘余應力測試技術研究的基礎上,發展了基于數值模擬的殘余應力調控技術,優化了齒條合金鋼相變熱力模型,實現了對淬火熱力過程的精確分析,提出了“溫差累積應變”的概念,計算分析了不同工藝下的應變值,為齒條材料淬火開裂傾向的評定提供了力學條件,支撐了齒條感應淬火不開裂工藝的制定。③大模數齒條感應淬火殘余應力控制及工藝技術。在齒條材料特性研究和感應淬火數值模擬的基礎上,通過大量的齒塊淬火試驗、齒條整齒件淬火試驗以及對大量表淬性能檢測數據、應力測試數據分析比較,最終找到了防止齒根淬火開裂和控制殘余應力的工藝方法,使齒條齒面和齒根的應力狀態均為壓應力。經對批量生產的齒條進行應力測試,表明齒條的應力分布狀態是穩定的,形成的克服大模數齒條齒根淬火開裂和控制齒條殘余應力的感應淬火工藝技術是可靠的。④大模數齒條表面淬火變形控制技術。研制了專用的防變形工裝代替傳統的背靠背把合方式,大大減小了大型齒條表淬過程的變形,提高了表淬生產效率;采用齒條定位基準臺階和頂推頂具,有效提高了齒條的安裝效率和齒條定位的可靠性。⑤大模數硬齒面齒條齒形高效高精度加工方法。采取銑削加工代替傳統的磨削加工,使加工效率顯著提高;通過對面銑刀的優化,提高了面銑刀的使用壽命和加工效率;采用多齒法的進刀方式控制面銑刀的運動軌跡,提高了齒面的加工精度和光潔度。研究成果已成功應用于三峽和向家壩升船機齒條的生產,在國際上首次解決了超大模數鑄造齒條感應淬火加工的質量控制問題。使二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司成為世界上首家具備特大模數感應淬火齒條生產能力的企業,取得了巨大的社會效益和良好的經濟效益。相關成果獲2018年機械工業科學技術一等獎。
    2.4  齒輪檢測與試驗技術
    齒輪測量技術及其儀器的研發已有近百年的歷史。齒輪測量技術的發展歷程是以齒輪精度理論的發展為前提的。迄今,齒輪精度理論經歷了齒輪誤差幾何學理論、齒輪誤差運動學理論和齒輪誤差動力學理論的發展過程。1970年是齒輪測量技術的轉折點,齒輪整體誤差測量技術和齒輪測量機(中心)的出現解決了齒輪測量的難題,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。20世紀90年代以來,齒輪測量技術在世界范圍內得到了迅速發展,發展趨勢主要表現在:①齒輪整體誤差測量與齒輪坐標測量合二為一;②齒輪測量中心與三坐標測量機合二為一;③功能測試與分析測試合二為一;④齒輪加工與測量合二為一,齒輪在機測量技術在齒輪磨床上得到普通采用[11]。目前,5米以內的漸開線齒輪測量問題已基本解決,但直徑大于3米的特大型齒輪的測量仍存在諸多困難。北京工業大學近年來在特大型齒輪的激光跟蹤在位測量方法研究等方面作了大量的工作,取得了一批科研成果。
    近年來,隨著風電、軌道交通、汽車等行業的快速發展,齒輪產品的試驗裝備發展和相關試驗研究均取得了喜人的進展。主要表現在:
    1)鄭州機械研究所、重慶大學等研究機構和企業分別購置了齒輪接觸疲勞試驗機和彎曲疲勞試驗機,重新開始了齒輪材料極限應力測試等基礎試驗研究工作。我國齒輪行業內對齒輪材料極限應力的測試只在20世紀80年代進行過,已中斷近30年。20世紀90年代后,盡管有個別企業進行過個別材料的極限應力測試工作,但缺乏系統性、專業性。目前,鄭州機械研究所已初步完成了18CrNiMo7-6齒輪材料ME級熱處理質量等級的接觸疲勞極限應力和彎曲疲勞極限應力的測試工作。目前正在開展不同材料(20CrMoMn、20CrNi2MoA等)、不同制造工藝(噴丸強化、齒面超精加工等)、不同熱處理質量(ME、MQ、ML)等級下的齒輪材料的接觸疲勞極限應力、彎曲疲勞極限應力進行試驗測試工作,以期最終能形成可供全行業使用的基礎數據,用于指導不同類型、不同生產模式、不同應用領域的齒輪產品的設計和制造。
    2)風電齒輪箱生產企業大都建有3MW以上大型風電齒輪箱試驗臺,并開展了試驗研究和產品試驗工作,積累了一些有價值的試驗數據,為新產品的開發奠定了重要的基礎。
    3)鄭州機械研究所承擔的國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”課題“三峽升船機鑄造齒條大型試驗裝備開發及質量評定”(課題編號:2012ZX04010091),研制出大型齒輪齒條試驗臺,填補了國內外空白,為三峽升船機的運行起到了“保駕護航”的重要作用。課題在以下方面取得了創新或突破:大模數齒輪齒條試驗裝置開發技術。聯合設備供應商設計開發出小轉動慣量電機、120Tm大型轉矩傳感器、末級中心距900mm頻繁增減速和換向的齒輪箱、抗沖擊大型直線導軌等,解決了快速頻繁換向、大載荷施加等技術難題。采用整體組合式軸承座,解決了軸承座變形過大問題。通過優化導軌長度、滑塊類型和數量、提高安裝精度等措施,大大提高了導軌壽命,保證了試驗裝置的順利運行。設計開發了大型不間斷電源系統、防撞裝置、限位裝置、自動對中裝置等多重安全測控系統和裝置,保證了試驗裝置的安全、可靠運行。開發了寬距多條超長導軌結構及工裝和超長基準導軌高精度安裝定位機構等,解決了4條各9.6m長導軌安裝精度難以保證的難題。采用自動對中及其控制系統,解決了移動平臺長期、反復換向過程中,累計位置誤差超差問題等;大模數齒輪齒條疲勞壽命試驗測試技術。得到了升船機船廂上升和下降的各24種工況下每種工況時的載荷大小和方向,制定了試驗裝置大載荷施加和頻繁換向運動的控制策略。研究了齒條齒根應力的分布規律,對齒條齒根應力進行了實時監測,得到了齒輪齒條嚙合過程中,齒條齒根應力的變化規律。通過優化試驗載荷和速度控制策略,解決了110噸移動試驗臺快速、頻繁換向帶來的沖擊等問題,完成了三峽升船機齒條42.2萬次應力循環次數的疲勞壽命試驗工作。通過對大型扭矩傳感器的標定、優化控制策略等實現了對試驗數據的精確測控。開發了專用的試驗數據分析軟件,實現了對海量試驗數據的快速分析、圖形再現等。

    3  未來展望


    可以預見,未來齒輪技術的發展主要集中在制造技術和制造裝備方面,齒輪技術在未來一個較長時間內仍將處于平穩發展階段。高功率密度、高轉速、高可靠性、低質量、低噪聲的齒輪傳動是人們追求的永恒目標。盡管斷齒的影響更為嚴重,但反映齒輪設計水平高低的卻是接觸疲勞強度。根據齒輪疲勞強度設計理論,要實現齒輪低質量和高可靠性的要求必須提高齒輪的接觸疲勞極限應力,而現有熱處理方式中,滲碳淬火齒輪的承載能力最高,最高極限應力達到1650MPa,如何進一步提高齒輪的極限應力是未來全世界追求的目標。表1為接觸疲勞極限應力與中心距的關系,可以看出,如果接觸疲勞極限應力從滲碳淬火齒輪最高的1650MPa提高15%達到1900MPa,齒輪中心距將減小10%左右,輕量化效果明顯。因此,復合熱處理技術、第二項齒面強化技術、齒面改形改性技術等將是未來齒輪技術研究和發展的重點。

    表1 接觸疲勞極限應力與中心距的關系


    極限應力/MPa

    1350

    1450

    1550

    1650

    1900

    中心距系數

    1.00

    0.95

    0.91

    0.87

    0.80


    目前,齒輪產品將向著高精度、高功率密度、高可靠性、高效率、長壽命、低噪聲等方向發展,齒輪設計制造將向著數字化、智能化、模塊化、綠色化的方向發展。到2030年我國齒輪行業的主要發展總體目標是[12]
    (1)建立國家級的齒輪基礎技術和前沿技術研究、重要新產品研發、重大科技成果工程化、技術推廣應用的創新和技術服務平臺,推進我國齒輪傳動技術的發展。
    (2)通過建立先進完善的齒輪標準化體系,2030年齒輪標準化進入世界前兩強。
    (3)通過提高齒輪類零件近凈成形比率等方式,年均提高齒輪材料利用率2%以上,到2030年總體提高50%左右。
    (4)齒輪產品功率密度年均提高5%左右,到2030年功率密度提高1倍。
    (5)穩步減小齒輪傳動的功率損耗,到2030年功率損耗減小50%。
    (6)汽車齒輪使用壽命到2020年提高2~3倍,到2030年達到壽命期內不失效。
    圍繞上述目標,我國齒輪工作者仍將任重道遠,大家仍需共同努力,未來的30年,我國齒輪工業必有更輝煌的明天!


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