大型进口齿轮箱自主维修及国产化实践

李惠敏 关 权 陈少峰

一、简介

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的齿轮箱提供搅拌动力。作为亚洲最大半合抗生产基地之一，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，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。进口齿轮箱主要技术参数和内部结构分别见表1和图1。

二、维修中的重点难点及解决措施

1.螺旋伞齿轮啮合

（1）齿轮箱第二级减速齿轮为Gleason制式、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。齿轮副齿数分别为21和42，具有公因数特点，因此在组装时必须配对更换，并将齿轮副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声及振动等故障。

（2）螺伞齿轮副的啮合位置及啮合间隙应同时进行精确调控，根据经验，如不能同时满足要求，要优先保证啮合位置的准确性。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，应向齿轮副制造厂商索取研齿时啮合位置图片，确认调控标准。

表1 主要技术参数

（3）精确调整啮合间隙，应从整个啮合圆周上平均取4点，确保4点偏差在0.01mm之内，复测时数据应有重现性。在初次装配4号螺旋伞齿轮后，测量啮合间隙，得出4点偏差为0.04mm，试车时发现螺旋伞齿轮副啮合噪声超标。拆检4号螺旋伞齿轮，发现其径向定位面单边间隙为0.035mm。经分析，该螺旋伞齿轮副在初次装配时就发生了平移，因此造成了啮合间隙4点误差超标。

排除操作性差、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号螺旋伞齿轮的径向精确定位，可参照图2。①确认与定位孔A同轴的面，即用螺旋伞齿轮小端内凹处作为装配径向基准面。②用螺栓将螺旋伞齿轮预紧在5号齿轮轴上。③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＜0.01mm，如超差，可轻敲螺旋伞齿轮外圆进行微调。④将螺栓紧固至规定扭矩，复测圆跳动应达标。⑤试车并检测噪声应达标。

2.圆柱斜齿轮啮合

（1）虽然与锥齿轮副相比，圆柱齿轮副加工精度较高，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。经充分研究圆柱齿轮副的制造工艺认为，对于圆柱齿轮副应根据具体情况确定是否同时更新，如齿数比不大（齿数比＜2.5），两齿轮预期寿命相似，应考虑同时更新。如因特殊原因造成其中一个齿轮提前非正常损坏，可在确认另一齿轮的齿形、齿向和齿距等测量数据没有超标的前提下，可以只更换其中一个损坏的齿轮。这一做法的正确性，经后来的实际试车得以验证。

（2）实际工作中发现，十余台进口齿轮箱普遍出现6号大齿轮提前点蚀的现象，对此根据GB/T 3480-1997进行详细计算和分析，制定了优化的国产化方案，相关数据参见表2。

齿面接触应力914MPa（5号和6号齿轮齿面接触应力近似相等），其中因齿轮箱动力为启动转矩较大、运行较平稳的电动机，工作特性为密度不均匀的液态物料搅拌，电动机与齿轮箱之间挠性联结，使用系数选取1.25。

设定齿轮箱预期寿命为72000h，因5号和6号齿轮齿面硬度不同，接触疲劳极限不同，安全系数选取也不同，计算得到5号齿轮齿面许用接触应力为1061MPa＞914MPa；6号齿轮齿面许用接触应力为845MPa＜914MPa。

计算结果表明，6号齿轮实际接触应力914MPa，大于许用接触应力845MPa，6号齿轮提前发生点蚀（与现场情况相符），同时5号齿轮预期寿命远比6号齿轮长，寿命过剩，因此在国产化时也进行了优化。结合国内通用材料及热处理能力，5号和6号齿轮均选用20CrMnTi，齿面渗碳淬火，硬度56～62HRC，齿面接触疲劳极限达到1550MPa。原齿轮副为高变位传动，现因齿轮副材料相同，为提高齿轮副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号齿轮齿面能够承受重载、高速及较大冲击载荷（即使用系数可达1.75），保守计算得出，6号齿轮预期寿命由不足72000h延长至99500h，安全系数由0.85提高至1.26。

表2 进口5号/6号齿轮副主要技术参数一览表

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＜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0.02～0.04mm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，又不要破坏轴承，还要简便易行。基于此，加工了一个有平行度要求的工装（图3）。

三、试车心得

1.确立试车关键指标

振动、温度、噪声都可作为试车指标，但监测数据显示，噪声是定义维修质量的关键指标，见表3。

2.载荷对试车噪声的影响

影响齿轮箱噪声最明显的因素之一是载荷。文献表明大约2/3齿轮装置的噪声值随载荷的增加而增大，有1/5没有变化，其余齿轮装置的噪声值随载荷的增加而减小。该齿轮箱加载后噪声值减小，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，导致噪声值较大。因此明确一个概念：在短时间（＜1h）空载试车，确定无冲击及摩擦杂音后，应分3～4步进行长加载试车，不可长时间空载试车，以免造成齿面的不必要损伤。

3.逐级排除噪声源的必要性

对试车时出现的噪声，现场最好有频谱测量手段，通过监测频率值定位噪声源。如不具备条件，可逐级拆出齿轮副分别试验，以便准确定位噪声源。例如先拆出9号轴和5号齿轮轴，试车排除1号和2号齿轮故障，再安装5号齿轮轴，试车排除3号和4号齿轮故障，最后安装9号轴，试车排除5号和6号齿轮故障。

表3 空载试车监测数据对比

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、螺旋伞齿轮啮合间隙和涂色法观察齿轮啮合位置等，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。在三方合作中维修方是施工主体，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，同时也成为沟通维修方和设计制造方的桥梁。三方在充分沟通和信息共享的基础上，才能成功实现完美的自主维修作业。