新型号机车使用牵引自动齿轮的预设

　　1问题的提出2007年资阳机车有限公司为巴西铁路提供了两台1840kW窄轨货运内燃机车，机车型号为SDD8.该型机车选用310系列滑动抱轴承牵引电机，电机中心距为39317mm，转速为3100r/min，用户强烈要求牵引齿轮齿数比为93/18，主动齿轮采用1∶1912的锥度压装在电机轴上。为满足机车牵引及用户要求，终确定了齿轮副的模数和压力角，齿轮副为角变位直齿轮。该齿轮副的主动齿轮与我公司提供给苏丹铁路的重型机车(型号为SDD1)的牵引主动齿轮不但齿型参数相似，而且齿轮结构(、2)和机车运用环境都相似。因此，借鉴SDD1型机车牵引齿轮的设计经验和整改措施，对SDD8型机车牵引齿轮的设计是有效的。

　　我公司在2006年前后向苏丹铁路提供了两批SDD1型机车，其在运用的1年时间内陆续出现了多个主动齿轮齿根断裂问题，短的一个齿轮运用周期不到1个月。对此，我公司成立了攻关组，攻关组从设计到工艺进行了专题分析和相关实验，对断裂的齿轮进行了材料缺陷、金相组织、热处理状态、裂纹的萌生和扩展的分析，得出了该齿轮属于高应力低周疲劳破坏的结论。同时，我公司还同郑州机械研究所的专家进行了齿轮选材及热处理方面的技术交流，从更深层次对材料和热处理进行探讨。通过有限元分析发现，薄壁齿轮的装配应力达到齿轮在啮合过程中产生的齿根应力的两倍，在严格的工艺措施保证下适当降低装配过盈量可以有效降低齿根部位的拉应力，通过齿根部位的表面强化产生很大的残余应力可以有效地平衡装配产生的拉应力。通过对以上各个环节的探讨和研究，我公司对SDD1型机车主动齿轮进行了整改，整改后的主动齿轮装车至今未再出现断裂问题。

　　本文通过对SDD1型机车牵引主动齿轮断齿的研究，理清了解决问题的思路，并对SDD8型机车牵引主动齿轮进行了优化设计，期望通过这些措施的实施，使安全系数小的薄壁牵引齿轮的使用寿命有较大幅度的改善。通过采用不断完善的工艺，有理由相信主动齿轮达到1个大修周期的使用寿命是可能的。

　　2两种机车牵引主动齿轮的比较SDD1、SDD8型机车牵引主动齿轮的结构齿轮都属于薄壁齿轮(轮缘齿高比小于1)，参考国标GB/T3480―1997的计算方法，当齿轮的轮缘厚度相对地小于轮齿全齿高时，轮齿的齿根弯曲应力将明显增大。另外，巴西和苏丹的铁路状况非常差，机车在运用时受到的冲击非常大，相应地齿轮受到的冲击也非常大。经计算得知，齿轮的安全裕度较低，容易断齿。因此，齿轮必须进行优化设计。

　　3SDD1型机车牵引主动齿轮断齿的分析3.1理化检验3.1.1宏观分析齿轮已断裂成3部分，有两个相邻的齿已从齿轮上掉下来。齿轮内孔有严重的干摩擦痕迹。其中一个断齿是整个齿从齿轮上掉下来(以下简称第1断齿)，它的一侧断口上有明显的疲劳贝纹线，从疲劳贝纹线的形态可以看出，疲劳起源于齿根表面，疲劳源为线疲劳源;另一侧断口有轻微的疲劳贝纹线，疲劳源已被撞坏，齿面也有明显的撞击痕迹。另一个断齿局部齿掉下来(以下简称第2断齿)，该齿整个齿顶已被磨尖，一侧断口也有疲劳贝纹线，疲劳源也起源于齿根;另一侧断口为脆性断口。齿轮断面上附有一层黑色的覆盖物，从覆盖物的形貌看，是润滑油受较高温度作用变黑后附着在断面上所致。

　　3.1.2成分检测主动齿轮材料为20CrMnMoA.在齿轮心部取样做化学成分检测。主动齿轮化学成分符合标准要求。

　　3.1.3金相检测在齿轮上靠近第2断齿断口附近取两个齿进行金相检测。在抛光状态下检测，非金属夹杂物为塑性110级，脆性110级。符合优质钢标准要求。齿轮渗碳层从宏观看比较均匀。齿顶磨尖的一个齿(第2断齿残留在齿轮上的部分)渗碳层几乎全磨掉。在齿根中部有一条垂直向内孔延伸的裂纹，经在显微镜下观察可确认，该裂纹为应力裂纹。内孔附近有一层颜色明显比基体浅的组织，通过硬度测试证明，该区域硬度低于基体硬度，为二次回火区。渗碳层组织为细针状回火马氏体少量颗粒状碳化物。基体组织为低碳回火马氏体少量铁素体。渗碳层及基体组织正常。

　　3.1.4硬度和淬硬层深度检测由于第1断齿先于第2断齿从齿轮上掉下来，受到的热影响比第2断齿小，它的硬度和淬硬层深度能代表齿轮本身的热处理水平，因此对第1断齿进行检测，检测结果见。由中可知，淬硬层深度为1192mm，符合1170～2150mm的技术要求，距表面012mm处硬度707HV1换算成60HRC，符合齿轮表面硬度(58～62)HRC的要求，轮齿硬度不均匀与齿轮热影响区的深度不一致有关。通过硬度和淬硬层深度的检测表明，齿轮的热处理工艺正常，齿轮表面硬度的下降是由于齿轮内孔与电机轴干摩擦的热影响所致。

　　3.1.5扫描电镜分析在疲劳源区取样做扫描电镜分析。疲劳源区无非金属夹杂物和其他冶金缺陷，疲劳条带间距较宽，疲劳源为线状，源区的放射状棱线多且高度相差大，具有高应力低周疲劳的典型特征。

　　3.2齿轮在受力状态下的有限元分析主动齿轮在设计中是通过1∶1912的锥度过盈配合，压装在机车牵引电机的轴上，工作时假定只有1个齿处于工作状态，根据齿轮工作情况建立齿轮的单齿模型。模型的建立采用有限元分析软件ANSYS，用面体四面体单元生成有限元单元模型，建立轴与齿轮间的接触，施加齿轮受到的切向力，得到计算模型，如所示。计算模型中采用的材料为20CrMnMoA。

　　弹性模量/N?mm-22.06×105密度/kg?m-37850抗拉强度/MPa1175装配过盈量/mm0.221泊松比0.3轮周切向力/N56500屈服强度/MPa885齿根圆直径/mm115.64经过计算，得到齿轮的有限元计算结果，从计算结果可以得出以下结论：(1)齿轮的齿根部分等效应力大值为1100MPa，已经超过材料的屈服极限。

　　(2)齿轮齿根的应力由两部分构成，即过盈装配在齿根处产生的膨胀应力和齿轮承受的载荷在齿根处产生的弯曲应力，其中前者是主要的影响。

　　(3)齿轮不论是静强度还是疲劳强度都不满足设计要求。

　　有效的解决办法是：(1)增加齿轮齿根圆直径，即增加齿圈厚度。

　　由于齿数比和电机中心距已经由用户确定，所以明显地增加齿根圆直径是不可能的。

　　(2)换材料，用机械综合性能更好的材料取代20CrMnMoA.

　　(3)适当减小齿轮与轴的装配过盈量，可降低齿根处的大等效应力值。

　　(4)提高齿轮的热处理质量，强化齿面。

　　4SDD8型机车牵引主动齿轮的优化设计4.1齿轮材料的选取机车牵引齿轮(特别是主动齿轮)因其工作的特殊性，需要有很高的强度、硬度、抗冲击韧性以及尺寸精度。从材料角度看，影响齿轮弯曲疲劳强度的重要因素有材料本身的屈服强度、非金属夹杂物、表面脱碳、金相组织和残余应力等;同时，还要考虑材料的淬透性、淬硬性、过热敏感性、回火稳定性、变形开裂性和尺寸稳定性等;另外，材料的冶金因素也是不容忽视的重要问题，如成分、纯净度、高倍组织、低倍组织、含氧量、残余奥氏体和碳化物级别等。

　　我公司在牵引主动齿轮的选材上曾陆续采用过15CrNi6、20CrMnMoA、20Cr2Ni4和17CrNiMo6几种材料，对安全裕度较大的齿轮，这几种材料都能满足使用要求。SDD8型机车牵引主动齿轮为薄壁齿轮，安全裕度比较小，如何选材尤为重要。材料17CrNiMo6为精炼真空脱氧钢，经国内10多年的摸索有较完善的工艺保证手段，且该材料达到德国DIN50602标准的要求。其特点，一是大大降低了材料的内部缺陷，提高了工件抗疲劳性能;二是脱氧完全，大含氧量小于20ppm，有关试验资料证明，同样的B类试件抗冲击韧性比普通冶炼的钢材高出57.另外，合金元素Ni可大大提高齿轮的韧性，Mo可提高齿轮热处理时的淬透性，能有效降低齿轮的回火脆性。

　　而且德国ZF公司专家也指出，对于安全系数小的齿轮特别推荐采用17CrNiMo6材料，我国引进德国西门子公司的DJ4型机车牵引齿轮也选用该材料。

　　综合各方面因素，终确定SDD8型机车主动齿轮选用17CrNiMo6材料，该材料可以满足GB/T8359―2000《齿轮材料及热处理质量的一般规定》中的ME级材料的要求。

　　4.2齿轮参数的确定考虑到柴油机和机车的特性，动载系数取1125，此时柴油机运转均匀平稳，机车受轻微冲击;考虑到齿轮制造精度、运转速度、跑合效果和润滑油特性对齿轮副的影响，经计算动载系数为11025.

　　主动齿轮采用大的正变位，可以提高其齿顶重合度，从而提高其齿面接触强度和弯曲强度;但同时由于齿轮模数较小、齿数较少，为了保证齿顶厚度，又限制了齿轮的大变位。SDD8型机车牵引主动齿轮的变位系数确定为0141mm，齿顶的设计厚度为3148mm.通过变位系数的选取和齿顶的修缘，可以改变齿轮副的实际啮合线位置，对啮出段和啮入段的长度和位置进行调整，使齿轮副齿面的滑动系数向有利于齿轮抗胶合和耐磨损方面转化。

　　相对于SDD1型机车牵引主动齿轮，SDD8型机车主动齿轮的压力角要小一些，齿轮副传动平稳，冲击要小一些;同时增加了齿顶的厚度，提高了齿轮的磨损期限，但也适当消弱了齿根的弯曲强度。

　　4.3齿轮的修形为提高SDD8型机车牵引齿轮的传动质量和可靠性，进行齿轮设计时必须充分考虑提高其抗胶合强度和耐磨性，降低初始啮合时的动载荷，减小偏载，降低噪声等。因此，在设计时实施啮合修形方案。

　　实施啮合修形以抵消齿轮加工误差、安装误差以及轮齿变形造成的不利因素，达到改善齿轮承载能力和降低噪声的目的，减轻啮合开始时的冲击和滑动速度，有利于润滑油膜的形成，从而提高齿轮轮齿的抗胶合能力和耐磨性。我们通过有限元分析计算轮齿变形，综合得出了主、从动齿轮的齿廓修形量。

　　轮齿的齿向修形使齿轮在工作状态下沿齿向均匀接触，是减小载荷集中(偏载)的一个有效途径。按齿轮手册等有关资料推荐，在本次中低速工况下，对单边支承的、承受载荷较大的主动齿轮建议采用螺旋线两边不对称鼓形修形，修形计算原则是轮齿中部以持续工况载荷为主，轮齿两端以起动工况载荷为主。

　　SDD8型机车牵引齿轮的啮合修形包括主动齿轮的齿廓修形和齿向修形、从动齿轮的齿廓修形。

　　具体修形参见主动齿轮、从动齿轮图纸。

　　4.4齿轮的热处理及表面强化齿轮材料在完成选定以后，齿轮的热处理和表面强化工艺是至关重要的。齿轮所受应力主要有3种，即摩擦力、接触应力和弯曲应力，对于薄壁齿轮还要考虑过盈压装应力的影响。为了使齿面具有良好的耐磨性，新齿轮仍采用渗碳淬火，齿面硬度要达到(58～62)HRC，芯部硬度对于弯曲应力敏感，根据国内外的经验将芯部硬度定为(38～45)HRC.齿轮的热处理质量采用一套严格的热处理控制体系来保证。

　　SDD1型机车牵引主动齿轮断齿的主要问题为，基础装配应力、低周脉冲齿根弯曲应力、次表层热处理残余拉应力等叠加后，超过材料的屈服强度所造成的高应力低周疲劳破坏，只要降低其中任何一项都可以改善它的疲劳强度。SDD8型机车主动齿轮为薄壁齿轮，在装配后齿根表面有很大的装配拉应力产生，采用齿面强力喷丸产生的残余压应力可有效地平衡该拉应力。有资料表明，当残余压应力层深约为裂纹深度的5倍时即可消除裂纹的影响。假定不喷丸的疲劳寿命比为1的话，一般喷丸可达到3128，强化喷丸可达到4132.

　　4.5齿轮压装过盈量的确定4.5.1圆锥面过盈量的计算4.5.2压装过盈量的确定根据计算值，过盈量确定为01135～01150mm.

　　采用此值后，经有限元分析计算，齿轮的装配应力比SDD1型机车齿轮的计算值降低了32.同时，齿轮泵的排量计算：q=kdmnB(1)式中：q为泵的排量，mL/r;k为修正系数;d为齿轮节圆直径，mm;mn为齿轮模数，mm;B为轮齿宽度，mm.

　　我们采用的齿轮泵额定排量为462mL/r，额定转速可达2000r/min.在设计初期，电机的额定转速为1450r/min，我们将齿轮泵的使用转速匹配为1769r/min.由于电机选型更改，其额定转速提高到1480r/min.齿轮泵的使用转速提高到1806r/min，理论流量为710L/min.

　　4.2进一步合理完善性能我们设计的非标齿轮泵在结构上避免了摆线泵的诸多不利因素，经过现场工业考核两个多月后，无论在起机还是停机阶段，齿轮泵均无不正常温升现象，且未发生任何故障，说明改进设计是成功的。但也暴露一些新问题，工人反映：齿轮泵虽然工作非常可靠，但噪声达到110多分贝，噪声污染严重，要求改进性能。

　　由于原设计齿轮泵转速匹配较高，流量达到750L/min左右，而调速型偶合器仅需要500L/min左右，近30的液流需要旁通排泄掉。所以降低齿轮泵转速以降低噪声和流量，使传动箱性能更加优异是非常合理的。通过设计计算，将YOT750D型偶合器齿轮泵的转速降低到1506r/min时，流量经检测符合要求，达到550L/min左右，噪声降至100dB以下，在现场试验考核中用户基本满意。

　　5结语经过这次设计与改进，我们得到一个共识：齿轮泵是一种比较适宜油田钻机运用的泵类，其可靠性高、抗污染能力强、噪声中等、效率中等、使用故障率较低。但经过降低齿轮泵转速其噪声仍然不能满足网电钻机对动力机组的噪声要求，需要进一步改进相关部件以降低噪声。目前还可以将直齿齿轮泵改为人字齿或斜齿齿轮泵，噪声可降低10dB左右，如要将噪声降低到用户要求的80dB左右，供油泵需要采用离心泵或其他低噪声泵或吸声防护装置，这将需要进一步试验来验证并改进。