YOT01液力偶合器齿轮传动装置是以国外同类产品为模型进行设计制造的，它可与200MW全容量、300 MW半容量电站锅炉给水泵配套。其结构原理如图1所示。该装置主要由一对液力偶合涡轮副和两级增速人字齿轮副组成，涡轮副用于两级增速齿轮副间的液力偶合，实现扭矩传递及无级调速，除一级增速齿轮因受加工设备条件的限制，对螺旋角及总齿数稍微作些改变外，其余各参数均与原型相同。与齿轮有关的主要参数如下：传递的额定功率P_n＝4 200 kW；输入转速n₁＝1 487 r／min，输出转速n₂＝6 000 r／min；一级增速齿轮的齿轮模数m_n＝5．5，齿数比μ＝131／43，螺旋角β＝29°32′29″；二级增速齿轮的齿轮模数m_n＝3．5，齿数比μ＝95／69，螺旋角β＝26°14′59″；齿轮材料为20 CrMnMo，结构为人字齿结构；最终加工状态为渗碳淬火后磨齿，并进行齿顶修缘及齿向修形；与轴采用过盈连接，设计精度为5－4－4。　　
　　对YOT01偶合器增速齿轮进行强度校核，其结果如表1，弯曲和接触疲劳强度安全系数均大于1．5，可以认为YOT01偶合器增速齿轮的各主要参数选择是没有问题的，如以上设计思想能付诸实施，齿轮失效概率应小于万分之一。但是由
于加工、装配精度未达到设计要求，修形参数选取不合适，热处理工艺等存在缺陷，自投运以来出现多次齿轮非正常失效事故，在非正常失效的齿轮
当中，大部分为断齿，有一些为点蚀。

1　齿轮非正常失效原因分析
　　齿轮非正常失效原因比较复杂，又不尽相同，主要表现如下。
1．1　加工、装配精度未达到设计要求
　　为了提高齿轮运转平稳性，YOT01偶合器增速齿轮传动装置采用人字齿结构；为了减小齿轮轴弯曲、扭转变形而引起的附加应力，将人字齿设计成左右齿圈分别加工，然后套装于同一轴上组成人字齿轮，减小人字齿左右旋间必需的退刀槽宽度，尽量缩短齿轮的轴向尺寸，如图2所示。由于人字齿轮左右旋齿圈加工、装配参照的基准不同，加工、装配工艺存在问题，使齿轮精度和齿轮几何形体存在严重的问题，主要有如下两方面。
1．1．1　齿根形状（几何形体）不符合设计要求　

  　对外协进厂的齿轮抽检和失效分析检测（在引进测齿设备上检测）中发现：渗碳齿轮齿根磨削终点有0．2～1 mm高、大小不等的磨削台阶，这种台阶处会产生严重的应力集中，大大降低了齿轮弯曲强度，对硬齿面齿轮尤其敏感。

1．1．2　组装后齿轮副精度达不到设计要求
　　对外协进厂的齿轮精度，抽检复测中发现最终装在工作轴上的齿轮精度一般只有6～8级，远远达不到原设计要求的齿轮精度Ⅰ（运动精度）—Ⅱ（工作平稳性）—Ⅲ（齿接触精度），公差组为5－4－4级，在3个公差组中，对齿轮承载能力的影响按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ公差组顺序依次递增，而实际情况超差正好依次严重，齿接触精度有时甚至只有9级，而且在齿圈圆周上一致性极差，致使我厂在总组装调整时无法实现理想的要求。若按7级和9级精度计算，则齿轮强度计算值如表2和表3。这样的精度等级，不具备作为高速重载齿轮的最起码条件。齿轮组装后精度严重超差，势必使齿轮的强度和承载能力受到极大削弱，在运行中，当某个齿轮的某一部位处于各种不利因素叠加作用的位置时，如果实际应力超过允许的强度极限，将首先破坏，然后很快导致整个齿轮副失效。因此几何形体和精度等级超差是齿轮副非正常失效的主要原因之一。

1．2　修形参数选取不合适
　　齿轮轮齿由于不可避免的制造和安装误差、轮齿的弯曲变形、扭转变形、热变形等因素，使齿轮在啮合过程中会产生冲击、振动和偏载，为了提高齿轮强度和使用可靠性，YOT01偶合器齿轮设计要求进行齿顶修缘及齿向修形。
1．2．1　齿顶修缘
　　当一对齿轮啮合传动时，正在受力的轮齿作为“短悬臂梁”产生弹性变形，致使基节畸变。下一对齿进入啮合时将发生撞击和振动，使从动轮齿顶瞬时承受很大的冲击载荷，在齿根截面产生很大的附加弯曲应力，且产生振动和噪音；并破坏相应部位的润滑油膜，导致胶合。通常办法是对齿形进行修形，对齿顶或齿根修缘，使轮齿的啮合从修缘区平滑地过渡到理论的渐开线齿形式。YOT01偶合器增速齿轮的修缘设计部位是主动齿轮的齿顶，而从动齿轮没有修缘，这种修缘不能补偿因轮齿弯曲变形造成的从动轮进入啮合时的基节增大及主动轮基节缩小而产生的齿轮撞击，只能缓和齿轮负荷曲线的负荷跳跃。因此，从动齿轮、主动齿轮应同时进行齿顶修缘。另外，根据齿轮设计资料计算，YOT01齿轮副的修正量（最大15μm）及修正高度（1．2 mm）均偏小。
1．2．2　齿向修形
　　齿轮运转时，在载荷力作用下，其转子将发生弯曲变形和扭转变形，因此轮齿沿轴向将随同整个转子发生弯曲变形和扭转变形，使齿轮的齿向畸变，如图3所示（b为弯曲变形、c为扭转变形、d实线部分为弯曲及扭转变形合成后的综合变形），其后果有两方面：（1）在齿长方向两端，进入或退出啮合的瞬间发生冲击；（2）齿向畸变使载荷在齿长方向的分布严重不均。为补偿在预定载荷下因齿向弹性变形（即轴向变形）所产生的偏载，使载荷均布，应分别对左右旋两齿轮进行齿向修正，使无论进入或退出啮合均有一个平滑的加（卸）载过程。YOT01偶合器齿轮传动装置的大齿轮修形设计最大修正量为15μm，修正长度为1．2 mm。由于YOT01偶合器齿轮的轴向尺寸较小，故其实际变形量也较小，根据齿轮设计资料计算，其设计齿向修正量15μm偏大，而修正长度1．2 mm偏小。
　　由上述可见，YOT01偶合器齿轮的修形设计基本上不能起到补偿变形、纠正偏载的作用，加上修形工艺不恰当，在实施修形时，把齿形修成阶梯状，增加齿轮应力，实际上降低了齿轮强度。
1．3　其它原因

1．3．1　材料与热处理
　　YOT01偶合器的齿轮材料是20 CrMnMo渗碳淬火的调质钢，此材料强度性能δ_b＝834 N／mm²，δ_s＝490 N／mm²。其热处理工艺要求较严格，渗碳后应随炉冷却至550℃再出炉空冷，若渗碳后冷却过程处理不当，则在表面易形成网状碳化物，有微裂纹存在，在运行中容易发生点蚀，而成为齿轮非正常失效的隐患。

1．3．2　安装问题
　　安装泵组时主电动机定子与转子磁场不对中，电动机起动后，产生很大的轴向推力，对齿轮形成附加载荷，引起齿轮载荷分担不均，是齿轮非正常失效的隐患之一。
1．3．3　基础问题
　　有的电厂地基浇灌不当，泵组运行一段时间后，基础下沉，泵组轴系中心高度找正值发生变化，改变了齿轮啮合状态，产生偏载，造成齿轮非正常失效。
1．3．4　油系统不清洁
　　偶合器在运行中，由于对油的维护不当，油品发生乳化或异物进入，使油质过脏，在离心力作用下油泥等杂质附着于旋转筒体外壁，在泵组停运时，这些杂质将沉积于筒体的一侧，泵组再次起动时，这些沉积物就形成一种不平衡的偏心力，会引起偶合器振动，造成齿轮附加载荷和偏载，另外，太脏的油也可能堵塞齿轮润滑的喷油孔，造成断油，进而发生胶合，这也是齿轮非正常失效的隐患。

2　改进措施
2．1　严格控制人字齿轮轴系精度和轮齿的几何形体精度　　
　　（1）在设计上要求单个斜齿轮加工精度在保证5－4－4不变的情况下，增加了齿轮以工作紧力压装到工作轴上的最终精度不低于5PR（GB10095—88），及齿根磨削台阶不得超过0．2mm的明确要求。
　　（2）在工艺上，为减小齿轮磨削台阶，使用有足够凸头量的磨前滚刀进行轮齿的初加工，严格控制齿轮的热处理变形，预留适当磨削余量以及合理分配轮齿两侧磨削量；为保证齿轮压装到工作轴上的最终精度，严格控制齿轮及轴有关基面的形位误差，磨齿时两个配对的单斜齿轮尽量在工作轴上并在工作紧力状态下进行磨前加工，对磨削后需拆下再二次压装的那个单斜齿轮严格保证压装精度和两次压装的一致性；在工具轴上磨削后拆下再装到工作轴上的齿轮，对最容易引起变化的齿向精度，磨削时尽可能高于原设计要求，给压装变形留出较大余量；严格控制修形工艺，保证达到设计要求。
2．2　选取合理的修形参数
　　针对原修形设计存在的不足，按齿轮设计资料的公式重新计算，并对主动和从动齿轮都作修形。计算结果为一级齿轮齿顶最大修正量是27±4μm，修正高度为2．2 mm（展成图上的高度为4．96 mm），一级齿轮齿向修正量为7．2±2．5μm，具体修形如图4所示；二级齿轮齿顶最大修正量是27±4μm，修正高度为1．4 mm（展成图上的高度为3．43 mm），二级齿轮齿向修正量为6．1±2．5μm，具体修形如图4、5所示。
2．3　其它措施
　　强化齿轮热处理工艺过程控制，保证热处理符合要求；加强油质监督，保证油质符合要求，确保偶合器齿轮的正常运转。

3　改进后的效果
　　按设计和工艺改进后生产投运的齿轮，经过近几年来跟踪调查，未发现一台偶合器齿轮发生非正常失效事故，从齿轮投运数量、运行时间及效果证明，YOT01型偶合器传动齿轮非正常失效问题已经解决，大幅度延长了齿轮使用寿命，此外也改善了偶合器的运行状况，据现场测试，噪音由原来的96 dB以上下降到93 dB以下。齿轮非正常失效问题的解决产生了巨大的经济效益和社会效益，这点可从齿轮自身价值和减少发电厂非计划停机次数所取得的效益得到有力的证明；另外，通过解决齿轮非正常失效问题，提高了我厂和协作单位设计类似齿轮的能力和制作工艺水平，并吸取了宝贵经验和教训，为我厂下一轮产品开发打下基础，产生了良好的效果。

4　结论
　　（1）由锥度过盈配合拼装组成的人字齿轮结构，在工艺上很难保证达到5－4－4的设计精度要求，但只要采用适当的加工方法及装配工艺，注意考核和控制最终装到工作轴的齿轮精度，仍可制造出满足设计要求的高强度、高可靠性的齿轮。
　　（2）从改善齿轮加工、装配工艺性出发，将人字齿轮改为单斜齿轮，可从根本上避免人字齿轮装配时的精度下降问题，但要注意螺旋角选取不宜超过15°，设计好推力瓦解决轴向推力问题。

    （3）将人字齿轮拼装结构改为整体式结构，采用宽空刀结构，可实现在工作轴上及配合紧力下一次装卡并磨削两个单斜齿轮的磨齿方法，以保证达到设计要求的精度。

    （4）高精度是对偶合器齿轮提出的基本要求，故齿轮修形是必要的；采用合适的轮齿修形设计，能改善齿轮的啮合条件，提高齿轮工作的平稳性。
　　（5）选用性能较好且有成熟冷热加工工艺的齿轮材料，对保证齿轮的安全使用有着重要作用。

［1］叶克明主编．齿轮手册．北京：机械工业出版社，1994．［2］萨本佶．高速齿轮传动设计．北京：机械工业出版社，1986．