大型进口齿轮箱的自主维修及国产化探索.doc

大型进口齿轮箱的自主维修及国产化探索李惠敏1，关权1，陈少峰2（1. 华北制药集团倍达有限公司 河北省石家庄市 052165；2. 杭州伟豪离合器有限公司 浙江省杭州市 311215）摘要：本文基于设备使用及维修管理的角度，对大型进口齿轮箱自主维修及国产化中的重点难点、解决措施及心得体会进行总结和阐述，取得了良好的社会效益和经济效益。关键词：大型进口齿轮箱；螺旋伞齿轮啮合；圆柱斜齿轮啮合；国产化；维修管理发酵大罐是青霉素生产工艺中的核心设备，由于微生物发酵的生产周期较长，所以搅拌系统的连续可靠运行显得至关重要，目前国内的青霉素生产厂+商均选用进口专业齿轮箱提供搅拌动力。作为亚洲最大半合抗生产基地之一，我公司拥有十余台青霉素发酵大罐，配置了美国某知名品牌的专业齿轮箱，目前运行约七万台时，陆续进入耗损故障期。综合考虑维修成本、质量、工期及国产化等因素，我公司决定对发生故障的齿轮箱进行自主维修，并确认杭州某公司作为维修协作单位。本文基于设备使用及维修管理的角度，对自主维修及国产化中的重点难点、解决措施及心得体会进行总结和阐述，希望能抛砖引玉，共同探讨提高。一 设备情况简介我公司进口齿轮箱主要技术参数和内部结构分别如表一和图一所示。表一 主要技术参数电机输入功率（kW）320输入/输出转速（RPM）1450/114流体反作用扭矩（N.m）75000流体反作用弯矩（N.m）119000外形尺寸（长*宽*高，mm）1550*1080*1150重量（kg）4500传动方式三级减速，圆柱斜齿轮/螺旋伞齿轮/圆柱斜齿轮润滑方式外置油泵和冷却器，强制循环，喷油润滑齿轮箱内部结构如图一所示。图一内部结构示意图1圆柱斜齿轮 2圆柱斜齿轮 3螺旋伞齿轮 4螺旋伞齿轮 5圆柱斜齿轮轴6圆柱斜齿轮 7输入轴 8中间横轴 9输出轴二 维修中的重点难点及解决措施螺旋伞齿轮啮合1 齿轮箱第二级减速为Gleason齿制硬齿面等顶隙收缩螺旋伞齿轮，齿面未经过磨齿工艺，仅进行了磨料对研，精度不高；同时该齿轮付的齿数分别为21和42，具有公因数特点，因此在组装时必须要配对更换，并将齿轮付出厂时所做的特定齿标记相互对准，防止啮合错位引起的噪音及振动等传动故障。2 螺伞齿轮付的啮合位置及啮合间隙应同时进行精确调控。经验显示，如不能同时满足要求，要优先保证啮合位置的准确性。该齿制螺伞的啮合位置通过涂色法进行确认，接触斑点应在齿面中间位置（齿高方向55%75%，齿长方向50%70%），偏向小端。如有必要，应向齿轮付制造厂商索取研齿时啮合位置图片，确认调控标准。3 精确调整啮合间隙，应从整个啮合圆周上平均取四点，确保四点偏差在0.01mm之内，复测时数据有重现性。我方在初次装配4#螺伞后，测量啮合间隙，得出四点偏差为0.04mm，试车时发现螺伞齿轮付啮合噪音超标。拆检4#螺伞，发现其径向定位面单边间隙为0.035mm，分析该螺伞在初次装配时就发生了径向平移，由此造成了啮合间隙四点误差超标。我方排除了操作性差、精确度低的塞尺定位法和热胀冷缩法，采用如下方法确保4#螺伞的径向精确定位，详见图二：31 确认与定位孔(A)同轴的面，即螺伞小端内凹处，作为装配径向基准面；32 通过螺栓将螺伞预紧在5#齿轮轴上；33 用双顶尖车床、杠杆百分表检查装配径向基准面的圆跳动，控制标准为小于0.01mm，如超差，可轻敲螺伞外圆进行微调；3 4 将螺栓紧固至规定扭矩，复测圆跳动达标；3 5试车噪音达标。 图二 4#螺伞装配示意图圆柱斜齿轮啮合1 虽然与锥齿轮付相比，圆柱齿轮付加工精度较高，具有互换性，不必配对更换，但基于运行可靠性和寿命预期的考虑，美方维修专家仍认为圆柱齿轮应同时更新，不建议一新一旧参与啮合。我方充分研究了圆柱齿轮付的制造工艺，认为应根据具体情况，决定是否要同时更新：如齿数比不大（i 914 MPa6#齿轮齿面许用接触应力HP2 =845MPa 914 MPa计算结果表明6#齿轮实际接触应力为914MPa，大于许用接触应力845MPa，6#齿轮提前发生点蚀（与现场情况相符），没有达到预期寿命。同时5#齿轮预期寿命远比6#齿轮长，加工质量过剩。因此在国产化的同时也进行了优化：结合国内通用材料及热处理能力，5#/6#齿轮付均选用20CrMnTi，齿面经渗碳淬火，硬度HRC5662，齿面接触疲劳极限Hlim1达到1550MPa。原齿轮副为高变位传动，现因齿轮副材质相同，为提高齿轮付的抗胶合能力与耐磨损性能，变位系数的分配原则为两齿轮齿根的最大滑移系数相等。优化后的6#齿轮齿面能够承受重载、高速及较大的冲击载荷（即使用系数KA可达1.75），保守计算得出，6#齿轮预期寿命由不足72000小时延长至99500小时，安全系数由0.85提高至1.26。3 由于发酵大罐内流体产生的独特的反作用力，齿轮箱输出轴将承受巨大的弯矩，因此必须要保证输出轴齿轮及轴承在轴肩上定位可靠，其间隙应小于0.02mm。用油浴加热法安装轴承时，由于冷缩、放气及油膜蠕动等原因，轴承在热装到位后，如果不持续施加外力至室温，将不可避免地在定位面出现0.020.04mm的间隙。因此热装轴承时的二次定位非常关键，既要保证装配无间隙，又要不破坏轴承，还要简便易行。基于此，我方加工了一个有平行度要求的工装，详见图三：图三 轴承工装示意图三 试车心得体会1 试车关键指标的确立：振动、温度、噪音都可作为试车指标，但监测数据显示，噪音是定义维修质量的关键指标，详见表三：表三 空载试车监测数据对比位置时间7#轴左轴承5#轴上轴承5#轴下轴承9#轴上轴承9#轴下轴承油温齿轮箱五面平均噪音(1米处)振烈振烈振烈振烈振烈轴向径向轴向径向轴向径向轴向径向轴向径向维修前1.31.91.40.81.40.81.20.81.2-37.586.76维修后0.71.41.00.91.40.80.50.90.8-3883.86说明：温度单位，振烈单位mm/s，电流单位A，噪音单位d B(A)。2 载荷对试车噪音的影响：影响齿轮箱噪音最明显的因素之一是载荷。文献表明大约2/3齿轮装置的噪音值随载荷的增加而增大，有1/5没有变化，其余齿轮装置的噪音值随载荷的增加而减小。该齿轮箱加载后噪音值减小。分析原因应是空载时没有来自流体的反作用扭矩，齿轮啮合时出现“打齿”现象，导致噪音值较大。因此明确一个概念：在短时间（小于1小时）空载试车，确定无冲击及摩擦杂音后，应分34步长加载试车，不可长时间空载试车，造成齿面不必要损伤。3 逐级排除噪音源的必要性：当试车时出现噪音值超标，现场最好有频谱测量手段，通过监测频率值，定位噪音源。如不具备条件，可逐级拆出齿轮付，来准确定位噪音源。例如先拆出9#轴和5#齿轮轴，试车排除1#/2#齿轮付故障；再安装5#齿轮轴，试车排除3#/4#齿轮付故障；最后安装9#轴，试车排除5#/6#齿轮付故障。四 维修管理1 过程控制的重要性：进口齿轮箱制造商一般不会提供非常明确的装配、检测方法及试车验收标准，同时因进口齿轮箱的特殊性，也不一定适用于国标要求。所以在维修过程中，必须制定分解详细的作业指导书，通过一系列中间控制，例如可靠定位、螺栓扭矩、轴承的轴向游动量、螺伞啮合间隙、涂色法观察齿轮啮合位置等等，来达到预期维修质量和使用寿命。2 使用方、维修方与设计制造方的紧密结合：为达到优良的运行可靠性和寿命预期，设备的设计制造方必须要围绕发酵大罐齿轮箱特有的使用工况，有针对性地进行设计制造。维修方也只有充分了解使用工况，深刻领会设计意图，才能复原设备的初始状态，达到满意的维修效果。在这里维修方是施工主体，设计制造方是技术后盾，设备使用方不仅是维修作业的发起者、推动者和决策者，