中國(guó)齒輪技術(shù)發(fā)展30年
——劉忠明
歷史回顧
齒輪的雛形最早出現(xiàn)在公元前200年前中國(guó)的水車(chē)中，應(yīng)為木制件；從公元前200年到公元1800年，隨著人類(lèi)生產(chǎn)力的發(fā)展和冶煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)，出現(xiàn)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(chē)，其齒輪傳動(dòng)構(gòu)思之妙、水平之高、涉及領(lǐng)域之廣，堪稱(chēng)古代文明之最，著名齒輪專(zhuān)家Dudley曾譽(yù)之為“古代齒輪技術(shù)的里程碑”[1]。自19世紀(jì)歐洲工業(yè)革命后一直到今天的200年中，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)的新動(dòng)力代替了原始的水力傳動(dòng)，鋼制齒輪也逐漸替代了鑄鐵齒輪。美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家把齒輪傳動(dòng)技術(shù)推向了一個(gè)新的高峰，齒輪技術(shù)發(fā)展之快、成果之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歷史的任何時(shí)期。盡管中國(guó)的齒輪傳動(dòng)歷史可追溯到3000年前，但只有在中華人民共和國(guó)成立后，中國(guó)的齒輪傳動(dòng)技術(shù)才有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。中國(guó)齒輪行業(yè)的發(fā)展里程大致可分為4個(gè)階段：1）初創(chuàng)期（1950-1965）：建國(guó)初期，我國(guó)齒輪工業(yè)幾乎是空白。第一個(gè)五年計(jì)劃（1953-1957）期間開(kāi)始發(fā)展齒輪制造業(yè)，1956年成立了機(jī)械科學(xué)研究院，下設(shè)齒輪傳動(dòng)研究室，這是中國(guó)最早的齒輪技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)。1963年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)齒輪傳動(dòng)學(xué)會(huì)成立，并在太原市召開(kāi)第一屆全國(guó)齒輪學(xué)術(shù)會(huì)議。20世紀(jì)60年代中約有齒輪制造廠（車(chē)間）100多家。2）緩慢發(fā)展期（1966-1980）：我國(guó)的齒輪工業(yè)基礎(chǔ)初步形成，齒輪生產(chǎn)廠家約有200個(gè)，涉足齒輪技術(shù)的研究所有7個(gè)，如鄭州機(jī)械研究所有限公司（機(jī)械科學(xué)研究院搬遷至河南），西安重型機(jī)械研究所，成都工具研究所等。同時(shí)，從事齒輪傳動(dòng)技術(shù)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(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展遭受很大影響。3）快速發(fā)展時(shí)期（1981-1995）：隨著國(guó)家開(kāi)始大量進(jìn)口大型成套工業(yè)裝備，通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)投人和數(shù)量可觀的技術(shù)或產(chǎn)品引進(jìn)，齒輪技術(shù)又在樣機(jī)試制和備件國(guó)產(chǎn)化中得到發(fā)展，同時(shí)還進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、制造工藝及裝備研究，縮小了在文革中拉大的與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究在中國(guó)有了較大的發(fā)展，形成了第二個(gè)高潮。同時(shí)國(guó)際交流也較頻繁，如1988年，齒輪傳動(dòng)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議在中國(guó)鄭州召開(kāi)，來(lái)自世界18個(gè)國(guó)家的368名代表出席會(huì)議，其中海外齒輪專(zhuān)家與學(xué)者有105名。另外，鄭州機(jī)械研究所完成了聯(lián)合國(guó)援助項(xiàng)目——中國(guó)齒輪技術(shù)開(kāi)發(fā)中心建設(shè)（1986-1990年）。該項(xiàng)目共投資90萬(wàn)美元，還派遣21名技術(shù)骨干到美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)修[2]。這一時(shí)期中國(guó)的齒輪傳動(dòng)技術(shù)已趨于成熟，主要齒輪制造企業(yè)有600余家，產(chǎn)值30多億美元。4）平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期（1996至今）：其間的技術(shù)特點(diǎn)是：漸開(kāi)線齒輪硬齒面制造技術(shù)成熟，全面取代中硬齒面，其他齒形齒輪的應(yīng)用空間逐步縮?。粩?shù)控加工裝備發(fā)展迅速；齒輪行業(yè)的發(fā)展由技術(shù)驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)為產(chǎn)品或設(shè)備驅(qū)動(dòng)型；從事齒輪技術(shù)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(shù)研究處于相對(duì)低潮期；中國(guó)齒輪市場(chǎng)規(guī)模自2009年超過(guò)1000億人民幣，5年后的2013年超過(guò)2000億人民幣，2018年達(dá)到2600億人民幣。目前，我國(guó)齒輪市場(chǎng)規(guī)模位居世界第一，也是中國(guó)通用零部件行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模最大的行業(yè)。圖1為2009年-2018年10年來(lái)中國(guó)齒輪市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展情況。圖1 近10年來(lái)中國(guó)齒輪市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)
30年來(lái)，中國(guó)齒輪技術(shù)隨著市場(chǎng)規(guī)模的迅速快速擴(kuò)大取得了迅速發(fā)展。齒輪產(chǎn)品基本滿(mǎn)足了風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、工程機(jī)械、石油化工等行業(yè)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(lèi)齒輪傳動(dòng)技術(shù)日趨成熟。
美國(guó)、日本和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家是齒輪技術(shù)強(qiáng)國(guó)，仍不斷進(jìn)行基礎(chǔ)研究，持續(xù)提升設(shè)計(jì)水平。30年來(lái)我國(guó)齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平不斷提高，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距逐漸縮小，常規(guī)設(shè)計(jì)分析技術(shù)已基本成熟，但在多學(xué)科耦合設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)軟件開(kāi)發(fā)、動(dòng)力學(xué)建模分析、減振降噪設(shè)計(jì)、多余度合流與分流設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)效率和熱平衡計(jì)算、機(jī)電液復(fù)合傳動(dòng)集成設(shè)計(jì)等方面還有明顯差距。30年來(lái)我國(guó)齒輪工作者涉足齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究的各個(gè)方面，特別是在新齒形與新應(yīng)用、齒輪動(dòng)力學(xué)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(zhuān)業(yè)軟件開(kāi)發(fā)等方面做了大量工作。1）新齒形、新應(yīng)用
1765年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建議齒輪采用漸開(kāi)線齒廓以來(lái)，漸開(kāi)線成為目前齒輪傳動(dòng)“一枝獨(dú)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(yè)生產(chǎn)的齒廓曲線只有擺線、圓弧線、漸開(kāi)線及其組合4種。漸開(kāi)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(xiàng)背的優(yōu)點(diǎn)。1923年美國(guó)人懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，1955年前蘇聯(lián)的諾維科夫通過(guò)深入研究使其得以實(shí)際應(yīng)用。1958年圓弧齒輪引入我國(guó)后，鄭州機(jī)械研究所、太原理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對(duì)圓弧齒輪做了大量理論和試驗(yàn)研究工作，在基礎(chǔ)理論、制造工藝、標(biāo)準(zhǔn)化等方面取得了重要突破，形成了我國(guó)獨(dú)有的理論與技術(shù)體系。雙圓弧齒輪的磨齒是世界性難題，為攻克這一技術(shù)難題，1995年開(kāi)始鄭州機(jī)械研究所和太原理工大學(xué)等單位對(duì)硬齒面雙圓弧齒輪的刮削加工工藝進(jìn)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(shù)，使硬齒面雙圓弧齒輪的承載能力與相同規(guī)格的硬齒面漸開(kāi)線齒輪相當(dāng)，結(jié)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(shù)上的重大創(chuàng)新，使我國(guó)圓弧齒輪的制造水平居國(guó)際領(lǐng)先水平。30年來(lái)，圓弧齒輪產(chǎn)品在石油化工等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。但由于其自身的局限性，特別是硬齒面漸開(kāi)線圓柱齒輪制造、檢測(cè)技術(shù)成熟以來(lái)，圓弧齒輪只能在局部領(lǐng)域替代漸開(kāi)線齒輪，遠(yuǎn)未達(dá)到人們?cè)瓉?lái)的期望。1990年合肥工業(yè)大學(xué)等開(kāi)始微線段齒輪研究，2000年研制出減速器，并與漸開(kāi)線齒輪進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。該齒輪齒廓由上萬(wàn)段微線段組成，打破了傳統(tǒng)齒廓曲線必須二階光滑連續(xù)的局限，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)性能可調(diào)控的余地較大，因此設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)裝置比傳統(tǒng)漸開(kāi)線齒輪裝置有很大提升，如強(qiáng)度可提高50%左右，效率可提高幾個(gè)百分點(diǎn)等[3]。點(diǎn)線嚙合齒輪為原武漢水運(yùn)工程學(xué)院1986年提出，其小齒輪為一個(gè)變位的漸開(kāi)線短齒，大齒輪其上部為漸開(kāi)線凸齒廓，下部為過(guò)渡曲線的凹齒廓,嚙合時(shí)既有接觸線為直線的線嚙合，同時(shí)又存在凹凸齒廓接觸的點(diǎn)嚙合，產(chǎn)品在起重運(yùn)輸機(jī)械和煤礦機(jī)械中有推廣應(yīng)用。在特殊齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究方面，鄭州機(jī)械研究所完成了科技部“輸送用高參數(shù)齒輪泵設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)研究”、“特殊齒形齒輪泵的研制”、“新型內(nèi)嚙合齒輪泵研究”、“P型特殊齒形高粘度齒輪泵”等等項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了NCB內(nèi)齒輪泵、TGC（P型泵）和SPX外嚙合齒輪泵兩大類(lèi)、三種系列、22個(gè)規(guī)格的高參數(shù)齒輪泵產(chǎn)品；開(kāi)發(fā)了可用于內(nèi)、外嚙合兩種嚙合形式以及牛頓、非牛頓兩種工作介質(zhì)的齒輪泵CAD/CAE集成軟件系統(tǒng)，建成了高粘度齒輪泵試驗(yàn)臺(tái)，形成了全套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)、外嚙合高參數(shù)齒輪泵的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，“高參數(shù)特種齒輪泵關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品研發(fā)”獲2008年機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；鄭州機(jī)械研究所還完成了科技部“精密單螺桿制冷壓縮機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)研究”、“600MW發(fā)電機(jī)組鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳動(dòng)裝置研發(fā)”等項(xiàng)目，完成了精密單螺桿制冷壓縮機(jī)中的單螺桿轉(zhuǎn)子（圖2）、600MW發(fā)電機(jī)組鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳動(dòng)裝置和支承軸承、三葉羅茨風(fēng)機(jī)擺線轉(zhuǎn)子、大型機(jī)械用銷(xiāo)齒傳動(dòng)等各類(lèi)特殊齒輪傳動(dòng)的理論研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等工作。
非圓齒輪最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末荷蘭制造的立車(chē)刀架快回機(jī)構(gòu)中，但受制于其設(shè)計(jì)、制造的復(fù)雜性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有得到應(yīng)用推廣。20世紀(jì)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(shè)計(jì)方面的許多基本問(wèn)題，確定了非圓齒輪齒廓嚙合所要滿(mǎn)足的幾何條件。但受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等限制，這段時(shí)期針對(duì)非圓齒輪的設(shè)計(jì)主要依賴(lài)手工計(jì)算，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。加工手段主要依靠靠模法、分度近似切齒法、斷續(xù)展成法和鑄造法制齒，生產(chǎn)效率和加工精度都較低，使得非圓齒輪很難得到應(yīng)用推廣。20世紀(jì)60-80年代非圓齒輪的發(fā)展一直處于低潮。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，伴隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，非圓齒輪也進(jìn)入快速發(fā)展期。針對(duì)非圓齒輪，我國(guó)學(xué)者在設(shè)計(jì)、加工、應(yīng)用等各個(gè)方面都進(jìn)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(dòng)”等專(zhuān)著，鄭州機(jī)械研究所針對(duì)非圓齒輪CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了非圓齒輪從設(shè)計(jì)到加工的自動(dòng)化。在這一時(shí)期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，非圓齒輪的開(kāi)發(fā)已廣泛采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。數(shù)控滾齒機(jī)、數(shù)控插齒機(jī)、線切割等數(shù)控設(shè)備的出現(xiàn)也使非圓齒輪的加工易于實(shí)現(xiàn)，并可獲得很好的加工精度。目前，非圓齒輪仍是齒輪技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2016年在國(guó)內(nèi)期刊雜志上發(fā)表的相關(guān)論文就有79篇，分別從設(shè)計(jì)、制造、測(cè)繪、仿真、嚙合特性、承載能力等多個(gè)方面進(jìn)行了較為全面的研究，仍是齒輪傳動(dòng)的熱點(diǎn)之一。目前，非圓齒輪在國(guó)內(nèi)的很多機(jī)械產(chǎn)品中得到了普遍應(yīng)用（圖3、圖4）。但與傳統(tǒng)圓柱齒輪市場(chǎng)相比規(guī)模較小、較為分散，對(duì)我國(guó)非圓齒輪市場(chǎng)的開(kāi)拓以及專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家的形成，均產(chǎn)生了一定的影響。
2）輪齒修形技術(shù)
漸開(kāi)線齒輪動(dòng)力學(xué)和修形技術(shù)的研究是最近30年研究成果最多、進(jìn)展最快的技術(shù)之一。齒輪輪齒的修形包括齒形修形、螺旋線修形、對(duì)角修形及三維拓?fù)湫扌蔚取Ｍㄟ^(guò)修形可以達(dá)到：①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(dòng)噪音；③降低摩擦損失,提高傳遞效率等。特別是通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)所有載荷修正系數(shù)中，齒向載荷分布系數(shù)Kβ是影響因素最多、計(jì)算最復(fù)雜的。軸系結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理、制造裝配誤差較大時(shí)，有可能出現(xiàn)不合理的、較大數(shù)值的Kβ。國(guó)外有文獻(xiàn)曾對(duì)某2MW風(fēng)電增速箱做過(guò)研究，結(jié)果表明未修形時(shí)Kβ=1.67（載荷分布如圖5（a）所示）；采用螺旋線修形時(shí)Kβ=1.23（載荷分布見(jiàn)圖5（b）所示）；在進(jìn)一步考慮行星架扭轉(zhuǎn)變形的影響時(shí)Kβ=1.16（載荷分布見(jiàn)圖5（c）所示），齒向載荷分布系數(shù)比不修形時(shí)降低了30%，中心距可降低約12%；但如果修形不當(dāng)，出現(xiàn)過(guò)量修形時(shí)Kβ=1.98（載荷分布見(jiàn)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(yīng)對(duì)整個(gè)傳動(dòng)鏈的誤差、變形等進(jìn)行計(jì)算分析，這涉及到復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，而且最終還需經(jīng)試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行驗(yàn)證。齒輪修形技術(shù)在歐美國(guó)家已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)此缺乏深入系統(tǒng)的研究，難以提供適合各種工況的精確指導(dǎo)，這也是我國(guó)齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品比較落后的主要原因之一[4]。
3）錐齒輪設(shè)計(jì)分析技術(shù)
30年來(lái)錐齒輪設(shè)計(jì)制造技術(shù)取得巨大進(jìn)展。由于錐齒輪在幾何上非常復(fù)雜，其設(shè)計(jì)分析方法與制造方法密切相關(guān)，加工中的切齒調(diào)整方案直接影響著齒輪副的嚙合質(zhì)量。目前，我國(guó)高等院校中與齒輪傳動(dòng)相關(guān)的研究主要集中在錐齒輪方面。我國(guó)錐齒輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大多采用零變位設(shè)計(jì)。河南科技大學(xué)利用分錐與節(jié)錐相對(duì)變位的原理，提出了“節(jié)錐不變、分錐變位”的非零傳動(dòng)錐齒輪技術(shù)，可以大幅度提高錐齒輪的承載能力，技術(shù)產(chǎn)品已在重型機(jī)械、機(jī)床、艦船、煤礦、油田等行業(yè)推廣。直升機(jī)等航空傳動(dòng)系統(tǒng)也多采用錐齒輪傳動(dòng)，其工作特點(diǎn)是高速、重載且工況復(fù)雜，要求質(zhì)量輕、可靠性高，對(duì)錐齒輪嚙合精度和干運(yùn)轉(zhuǎn)能力有十分苛刻的要求，我國(guó)航空錐齒輪傳動(dòng)壽命和可靠性與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距很大[11]。4）設(shè)計(jì)分析軟件
30年來(lái)，我國(guó)齒輪軟件經(jīng)歷了從無(wú)到有、從功能單一到系統(tǒng)集成的快速發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和編程技術(shù)的發(fā)展，單一功能的齒輪計(jì)算分析軟件已變得十分簡(jiǎn)單。目前，國(guó)產(chǎn)軟件中，影響較大的有鄭州機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的齒輪傳動(dòng)CAD集成系統(tǒng)（ZGCAD）、重慶理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的錐齒輪設(shè)計(jì)制造分析軟件系統(tǒng)等。ZGCAD軟件從1987年開(kāi)始開(kāi)發(fā)至今，已幾乎包含所有齒輪傳動(dòng)類(lèi)型的幾何尺寸計(jì)算、強(qiáng)度校核等功能。目前，該軟件系統(tǒng)已在冶金、石化、煤礦、電站、汽車(chē)、大型工程裝備等行業(yè)的約600家齒輪設(shè)計(jì)制造單位使用，軟件還銷(xiāo)往臺(tái)灣地區(qū)。功能主要包括：①漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；②高速齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；③錐齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；④雙圓弧齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；⑤蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；⑥NGW型行星齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；⑦齒輪幾何尺寸及精度計(jì)算；⑧齒輪強(qiáng)度計(jì)算軟件；⑨齒輪及軸系有關(guān)計(jì)算軟件；⑩齒輪軸系零部件參數(shù)化繪圖系統(tǒng)；?非圓齒輪CAD系統(tǒng)等。與國(guó)外先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)軟件Romax、MASTA、KissSoft等相比，國(guó)產(chǎn)軟件基本上屬于計(jì)算類(lèi)軟件，主要是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的程序化，功能相對(duì)單一，系統(tǒng)集成性較差，在復(fù)雜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的3D精確建模與系統(tǒng)分析等功能方面，還難以與國(guó)外先進(jìn)的同行軟件相媲美?？上驳氖?，2018年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”專(zhuān)項(xiàng)設(shè)立了“齒輪傳動(dòng)數(shù)字化設(shè)計(jì)分析與數(shù)據(jù)平臺(tái)”項(xiàng)目，將由鄭州機(jī)械研究所牽頭、聯(lián)合重慶大學(xué)、大連理工大學(xué)、中南大學(xué)、重慶理工大學(xué)及南高齒、杭前進(jìn)、二重、太重等骨干企業(yè)共同開(kāi)展齒輪數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工作，期望三年后我國(guó)的齒輪專(zhuān)業(yè)軟件有一個(gè)大的提升。30年來(lái)，我國(guó)齒輪制造技術(shù)及裝備取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，硬齒面成型磨削、齒根噴丸強(qiáng)化、齒面超精加工、近凈成型、干切加工等技術(shù)得到快速發(fā)展和成熟，體現(xiàn)出四“Jing”的特點(diǎn)：①精確。加工幾何尺寸更加準(zhǔn)確，幾何精度大幅度提高，磨齒經(jīng)濟(jì)精度可達(dá)4~6級(jí)；②精明。齒輪加工機(jī)床功能復(fù)合化、數(shù)控化、智能化程度日益提高，具有自動(dòng)找正、自動(dòng)換刀、自動(dòng)在線測(cè)量甚至自動(dòng)上下料等功能，使得加工效率大幅度提高，操作進(jìn)一步簡(jiǎn)便，操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低；③靜。齒輪加工時(shí)產(chǎn)生的噪聲大幅度減小，產(chǎn)品質(zhì)量的提高使設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲進(jìn)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?。欢菣C(jī)床工作時(shí)更注重綠色環(huán)保，生產(chǎn)車(chē)間更加干凈，環(huán)境更加良好。漸開(kāi)線硬齒面齒輪成型磨削技術(shù)及裝備的發(fā)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(jiǎn)單可行；使?jié)u開(kāi)線圓柱齒輪的普通精度等級(jí)從8～10級(jí)提高到4～6級(jí)。超精密齒輪的工業(yè)小批量生產(chǎn)水平可以很容易地達(dá)到3級(jí)精度。日前，大連理工大學(xué)王立鼎院士團(tuán)隊(duì)成功研制出1級(jí)精度基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，齒輪精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外1級(jí)精度齒輪制造工藝與測(cè)量方法的空白。目前，滲碳淬火磨齒齒輪存在的主要問(wèn)題是磨削量過(guò)大導(dǎo)致的磨削燒傷和磨削臺(tái)階等問(wèn)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(jù)我國(guó)目前的情況,按齒輪模數(shù)大小及齒輪的結(jié)構(gòu)和尺寸不同,磨削量一般在0.2～0.6mm范圍內(nèi),有的可達(dá)0.8mm甚至1mm以上。過(guò)大的磨削量會(huì)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(yīng)力。國(guó)內(nèi)目前很多企業(yè)對(duì)這一問(wèn)題缺乏足夠的重視。長(zhǎng)期以來(lái)，齒輪切削加工中需要使用切削液，這不僅會(huì)造成作業(yè)環(huán)境的污染，而且會(huì)影響操作者的健康，更會(huì)增加相關(guān)成本。隨著環(huán)保要求的越來(lái)越嚴(yán)，齒輪的干切技術(shù)得到了快速發(fā)展。干切可分為直接干切、風(fēng)冷干切、冷風(fēng)干切等。直接干切是在不采取冷卻措施的條件下直接進(jìn)行加工，要求機(jī)床的耐熱性和剛性要好。對(duì)于滾齒機(jī)而言，由于普通機(jī)床的傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、整個(gè)切削系統(tǒng)剛性較差，難以滿(mǎn)足干切要求。數(shù)控機(jī)床通過(guò)縮短傳動(dòng)鏈，增加系統(tǒng)剛性，才可能實(shí)現(xiàn)干切要求。同時(shí)，要保持連續(xù)切削，刀具也必須能夠承受持續(xù)高溫，因此目前采用直接干切方式進(jìn)行滾齒加工尚不普遍；風(fēng)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(fēng)冷干切在滾齒和花鍵加工中有應(yīng)用；冷風(fēng)干切是向切削點(diǎn)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(jī)加工齒輪全過(guò)程的碳排放總量比普通濕式切削滾齒機(jī)加工齒輪全過(guò)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(fèi)[6]。近凈成形技術(shù)主要用于大規(guī)模生產(chǎn)的車(chē)輛齒輪，經(jīng)精密鍛造技術(shù)生產(chǎn)的直齒輪、錐齒輪等零件經(jīng)較少的切削加工或直接用于產(chǎn)品。少、無(wú)切削的近凈成形和凈成形是一種快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，是在傳統(tǒng)模鍛基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的。克服了切削加工材料利用率低、生產(chǎn)效率低以及切斷了金屬纖維流線而造成的疲勞強(qiáng)度降低等問(wèn)題，具有節(jié)材降耗、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、零部件強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，符合高效、精密、綠色清潔的先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，我國(guó)直齒錐齒輪的精密鍛造技術(shù)得到了快速發(fā)展，由最初的熱鍛，到冷精鍛，鍛造出來(lái)的齒輪質(zhì)量有了很大的提高，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)不少企業(yè)獲得了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)[7]。噴丸強(qiáng)化技術(shù)是隨著風(fēng)電齒輪的發(fā)展，近年來(lái)得到普遍應(yīng)用的一種輪齒齒面強(qiáng)化技術(shù)。噴丸強(qiáng)化是通過(guò)機(jī)械手段在齒輪表面產(chǎn)生壓縮變形和殘余壓應(yīng)力，從而提高輪齒表層疲勞強(qiáng)度的一種齒面改性方法。噴丸后齒面強(qiáng)化層內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，表層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，使原始馬氏體的位錯(cuò)密度增加、結(jié)構(gòu)細(xì)化，噴丸使金屬表面顯微硬度和數(shù)十微米的表層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力增大，從而達(dá)到大幅度提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的目的。噴丸強(qiáng)化的作用主要有：①增加殘余壓應(yīng)力；②細(xì)化組織結(jié)構(gòu)；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(qiáng)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(rèn)為噴丸強(qiáng)化有利于彎曲疲勞強(qiáng)度的提高。實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)控制丸粒硬度、直徑、強(qiáng)度、覆蓋率等工藝參數(shù)來(lái)改善噴丸對(duì)齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強(qiáng)化表面完整性的控制關(guān)鍵主要是對(duì)殘余應(yīng)力分布和表面粗糙度的控制，避免出現(xiàn)“欠噴”和“過(guò)噴”等不當(dāng)?shù)膰娡鑿?qiáng)化。根據(jù)噴丸工藝的不同，噴丸強(qiáng)化可分為強(qiáng)力噴丸、微粒噴丸和復(fù)合噴丸等3種。強(qiáng)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(yīng)力顯著提高，從而抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。同時(shí)，噴丸強(qiáng)度越大，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的深度越深，數(shù)量越多，齒面硬度提高也越明顯；強(qiáng)力噴丸雖可大幅度提高齒根表層的殘余壓應(yīng)力，提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，但也會(huì)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(yīng)力，又能有效降低強(qiáng)力噴丸對(duì)齒面粗糙度的不利影響，滿(mǎn)足噴丸對(duì)齒面粗糙度的要求；復(fù)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(qiáng)力噴丸，然后再用直徑較小的高硬丸粒進(jìn)行微粒噴丸，以實(shí)現(xiàn)在齒輪表面形成殘余壓應(yīng)力、改善表面粗糙度、提高表面硬度的目的。復(fù)合噴丸可以使齒齒根表層有較大的殘余壓應(yīng)力又不使齒面粗糙度明顯降低。研究表明復(fù)合噴丸比微粒噴丸和強(qiáng)力噴丸的強(qiáng)化效果更為明顯，最大殘余壓應(yīng)力可達(dá)到1300MPa，使齒輪的彎曲疲勞極限大幅度提高[8]。我國(guó)齒輪材料及熱處理技術(shù)是隨著機(jī)械工業(yè)對(duì)齒輪質(zhì)量和承載能力要求的不斷提高而發(fā)展的。30年來(lái)我國(guó)的齒輪材料及熱處理技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和驕人的成績(jī)。20世紀(jì)70年代，我國(guó)齒輪的生產(chǎn)以軟齒面調(diào)質(zhì)工藝為主，承載能力低。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)展了大規(guī)模的硬齒面制造技術(shù)研究工作，如材料選取方面進(jìn)行了齒輪鋼材國(guó)產(chǎn)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(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度及抗膠合能力等方面的試驗(yàn)研究等工作，奠定了我國(guó)硬齒面齒輪全面代替中硬齒面齒輪的基礎(chǔ)，大大提高了我國(guó)齒輪制造的技術(shù)水平[9]。盡管如此，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)不斷提高，對(duì)齒輪使用性能、壽命和可靠性也提出了更高的要求，對(duì)熱處理技術(shù)水平的發(fā)展提出了更高的要求。目前，齒輪材料及熱處理質(zhì)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(guān)鍵。當(dāng)前，滲碳齒輪仍然存在很多與熱處理密切相關(guān)的問(wèn)題：預(yù)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(kāi)裂、齒輪熱處理工藝應(yīng)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(qiáng)度和工藝性能、高濃度催滲滲碳應(yīng)用等[10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)感應(yīng)淬火工藝也得到了快速發(fā)展，在風(fēng)電齒圈、三峽升船機(jī)齒條中都獲得了成功應(yīng)用。三峽升船機(jī)為國(guó)內(nèi)首次采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直升船機(jī)，過(guò)船規(guī)模3000噸級(jí)，最大提升總質(zhì)量達(dá)1.55萬(wàn)噸，承船廂垂直升降最大高度113m，是世界上技術(shù)最復(fù)雜、規(guī)模最大的升船機(jī)。2009年三峽升船機(jī)齒條進(jìn)入招標(biāo)階段時(shí)，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有解決避免大型鑄造齒條感應(yīng)淬火齒面開(kāi)裂這一世界性難題，對(duì)開(kāi)式硬齒面齒輪齒條傳動(dòng)的失效模式也缺乏經(jīng)驗(yàn)，三峽升船機(jī)齒條立足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。為解決這一問(wèn)題，鄭州機(jī)械研究所、二重集團(tuán)（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司、上海交通大學(xué)等單位經(jīng)過(guò)3年多的聯(lián)合攻關(guān)，成功攻克了特大模數(shù)齒條的鑄件冶煉鑄造、輪齒感應(yīng)淬火、齒面高效高精度加工等技術(shù)難題，為三峽升船機(jī)工程成功生產(chǎn)出質(zhì)量合格的102根齒條，為三峽升船機(jī)工程建設(shè)的順利完成和通航奠定了重要基礎(chǔ)。課題取得的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：①齒條材料熱處理特性研究及材料優(yōu)化。在對(duì)材料CCT曲線及冷卻特性研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選G35CrNiMo6-6+QT1代替原德國(guó)設(shè)計(jì)的G42CrMo4+QT2；同時(shí)根據(jù)表淬性能要求對(duì)影響齒條感應(yīng)淬火的關(guān)鍵因素提出質(zhì)量控制要求；進(jìn)行了齒條齒面硬度和硬化層深度的設(shè)計(jì)評(píng)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(shù)齒條感應(yīng)淬火計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。在對(duì)齒條感應(yīng)淬火的溫度測(cè)試和殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于數(shù)值模擬的殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，優(yōu)化了齒條合金鋼相變熱力模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)淬火熱力過(guò)程的精確分析，提出了“溫差累積應(yīng)變”的概念，計(jì)算分析了不同工藝下的應(yīng)變值，為齒條材料淬火開(kāi)裂傾向的評(píng)定提供了力學(xué)條件，支撐了齒條感應(yīng)淬火不開(kāi)裂工藝的制定。③大模數(shù)齒條感應(yīng)淬火殘余應(yīng)力控制及工藝技術(shù)。在齒條材料特性研究和感應(yīng)淬火數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的齒塊淬火試驗(yàn)、齒條整齒件淬火試驗(yàn)以及對(duì)大量表淬性能檢測(cè)數(shù)據(jù)、應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析比較，最終找到了防止齒根淬火開(kāi)裂和控制殘余應(yīng)力的工藝方法，使齒條齒面和齒根的應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力。經(jīng)對(duì)批量生產(chǎn)的齒條進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，表明齒條的應(yīng)力分布狀態(tài)是穩(wěn)定的，形成的克服大模數(shù)齒條齒根淬火開(kāi)裂和控制齒條殘余應(yīng)力的感應(yīng)淬火工藝技術(shù)是可靠的。④大模數(shù)齒條表面淬火變形控制技術(shù)。研制了專(zhuān)用的防變形工裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的背靠背把合方式，大大減小了大型齒條表淬過(guò)程的變形，提高了表淬生產(chǎn)效率；采用齒條定位基準(zhǔn)臺(tái)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(shù)硬齒面齒條齒形高效高精度加工方法。采取銑削加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磨削加工，使加工效率顯著提高；通過(guò)對(duì)面銑刀的優(yōu)化，提高了面銑刀的使用壽命和加工效率；采用多齒法的進(jìn)刀方式控制面銑刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了齒面的加工精度和光潔度。研究成果已成功應(yīng)用于三峽和向家壩升船機(jī)齒條的生產(chǎn)，在國(guó)際上首次解決了超大模數(shù)鑄造齒條感應(yīng)淬火加工的質(zhì)量控制問(wèn)題。使二重集團(tuán)（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司成為世界上首家具備特大模數(shù)感應(yīng)淬火齒條生產(chǎn)能力的企業(yè)，取得了巨大的社會(huì)效益和良好的經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)成果獲2018年機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。2.4 齒輪檢測(cè)與試驗(yàn)技術(shù)齒輪測(cè)量技術(shù)及其儀器的研發(fā)已有近百年的歷史。齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程是以齒輪精度理論的發(fā)展為前提的。迄今,齒輪精度理論經(jīng)歷了齒輪誤差幾何學(xué)理論、齒輪誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和齒輪誤差動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展過(guò)程。1970年是齒輪測(cè)量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)和齒輪測(cè)量機(jī)(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測(cè)量的難題,即在一臺(tái)儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。20世紀(jì)90年代以來(lái)，齒輪測(cè)量技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：①齒輪整體誤差測(cè)量與齒輪坐標(biāo)測(cè)量合二為一；②齒輪測(cè)量中心與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)合二為一；③功能測(cè)試與分析測(cè)試合二為一；④齒輪加工與測(cè)量合二為一，齒輪在機(jī)測(cè)量技術(shù)在齒輪磨床上得到普通采用[11]。目前，5米以?xún)?nèi)的漸開(kāi)線齒輪測(cè)量問(wèn)題已基本解決，但直徑大于3米的特大型齒輪的測(cè)量仍存在諸多困難。北京工業(yè)大學(xué)近年來(lái)在特大型齒輪的激光跟蹤在位測(cè)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(lái)，隨著風(fēng)電、軌道交通、汽車(chē)等行業(yè)的快速發(fā)展，齒輪產(chǎn)品的試驗(yàn)裝備發(fā)展和相關(guān)試驗(yàn)研究均取得了喜人的進(jìn)展。主要表現(xiàn)在：1）鄭州機(jī)械研究所、重慶大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)分別購(gòu)置了齒輪接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)和彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，重新開(kāi)始了齒輪材料極限應(yīng)力測(cè)試等基礎(chǔ)試驗(yàn)研究工作。我國(guó)齒輪行業(yè)內(nèi)對(duì)齒輪材料極限應(yīng)力的測(cè)試只在20世紀(jì)80年代進(jìn)行過(guò)，已中斷近30年。20世紀(jì)90年代后，盡管有個(gè)別企業(yè)進(jìn)行過(guò)個(gè)別材料的極限應(yīng)力測(cè)試工作，但缺乏系統(tǒng)性、專(zhuān)業(yè)性。目前，鄭州機(jī)械研究所已初步完成了18CrNiMo7-6齒輪材料ME級(jí)熱處理質(zhì)量等級(jí)的接觸疲勞極限應(yīng)力和彎曲疲勞極限應(yīng)力的測(cè)試工作。目前正在開(kāi)展不同材料（20CrMoMn、20CrNi2MoA等）、不同制造工藝（噴丸強(qiáng)化、齒面超精加工等）、不同熱處理質(zhì)量（ME、MQ、ML）等級(jí)下的齒輪材料的接觸疲勞極限應(yīng)力、彎曲疲勞極限應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試工作，以期最終能形成可供全行業(yè)使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)不同類(lèi)型、不同生產(chǎn)模式、不同應(yīng)用領(lǐng)域的齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。2）風(fēng)電齒輪箱生產(chǎn)企業(yè)大都建有3MW以上大型風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)，并開(kāi)展了試驗(yàn)研究和產(chǎn)品試驗(yàn)工作，積累了一些有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。3）鄭州機(jī)械研究所承擔(dān)的國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”課題“三峽升船機(jī)鑄造齒條大型試驗(yàn)裝備開(kāi)發(fā)及質(zhì)量評(píng)定”（課題編號(hào)：2012ZX04010091），研制出大型齒輪齒條試驗(yàn)臺(tái)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，為三峽升船機(jī)的運(yùn)行起到了“保駕護(hù)航”的重要作用。課題在以下方面取得了創(chuàng)新或突破：①大模數(shù)齒輪齒條試驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)技術(shù)。聯(lián)合設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)、120Tm大型轉(zhuǎn)矩傳感器、末級(jí)中心距900mm頻繁增減速和換向的齒輪箱、抗沖擊大型直線導(dǎo)軌等，解決了快速頻繁換向、大載荷施加等技術(shù)難題。采用整體組合式軸承座，解決了軸承座變形過(guò)大問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)軌長(zhǎng)度、滑塊類(lèi)型和數(shù)量、提高安裝精度等措施，大大提高了導(dǎo)軌壽命，保證了試驗(yàn)裝置的順利運(yùn)行。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了大型不間斷電源系統(tǒng)、防撞裝置、限位裝置、自動(dòng)對(duì)中裝置等多重安全測(cè)控系統(tǒng)和裝置，保證了試驗(yàn)裝置的安全、可靠運(yùn)行。開(kāi)發(fā)了寬距多條超長(zhǎng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及工裝和超長(zhǎng)基準(zhǔn)導(dǎo)軌高精度安裝定位機(jī)構(gòu)等，解決了4條各9.6m長(zhǎng)導(dǎo)軌安裝精度難以保證的難題。采用自動(dòng)對(duì)中及其控制系統(tǒng)，解決了移動(dòng)平臺(tái)長(zhǎng)期、反復(fù)換向過(guò)程中，累計(jì)位置誤差超差問(wèn)題等；②大模數(shù)齒輪齒條疲勞壽命試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。得到了升船機(jī)船廂上升和下降的各24種工況下每種工況時(shí)的載荷大小和方向，制定了試驗(yàn)裝置大載荷施加和頻繁換向運(yùn)動(dòng)的控制策略。研究了齒條齒根應(yīng)力的分布規(guī)律，對(duì)齒條齒根應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了齒輪齒條嚙合過(guò)程中，齒條齒根應(yīng)力的變化規(guī)律。通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)載荷和速度控制策略，解決了110噸移動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)快速、頻繁換向帶來(lái)的沖擊等問(wèn)題，完成了三峽升船機(jī)齒條42.2萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的疲勞壽命試驗(yàn)工作。通過(guò)對(duì)大型扭矩傳感器的標(biāo)定、優(yōu)化控制策略等實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)控。開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速分析、圖形再現(xiàn)等。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)齒輪技術(shù)的發(fā)展主要集中在制造技術(shù)和制造裝備方面，齒輪技術(shù)在未來(lái)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將處于平穩(wěn)發(fā)展階段。高功率密度、高轉(zhuǎn)速、高可靠性、低質(zhì)量、低噪聲的齒輪傳動(dòng)是人們追求的永恒目標(biāo)。盡管斷齒的影響更為嚴(yán)重，但反映齒輪設(shè)計(jì)水平高低的卻是接觸疲勞強(qiáng)度。根據(jù)齒輪疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，要實(shí)現(xiàn)齒輪低質(zhì)量和高可靠性的要求必須提高齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，而現(xiàn)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(yīng)力達(dá)到1650MPa，如何進(jìn)一步提高齒輪的極限應(yīng)力是未來(lái)全世界追求的目標(biāo)。表1為接觸疲勞極限應(yīng)力與中心距的關(guān)系，可以看出，如果接觸疲勞極限應(yīng)力從滲碳淬火齒輪最高的1650MPa提高15%達(dá)到1900MPa，齒輪中心距將減小10%左右，輕量化效果明顯。因此，復(fù)合熱處理技術(shù)、第二項(xiàng)齒面強(qiáng)化技術(shù)、齒面改形改性技術(shù)等將是未來(lái)齒輪技術(shù)研究和發(fā)展的重點(diǎn)。表1 接觸疲勞極限應(yīng)力與中心距的關(guān)系
極限應(yīng)力/MPa | 1350 | 1450 | 1550 | 1650 | 1900 |
中心距系數(shù) | 1.00 | 0.95 | 0.91 | 0.87 | 0.80 |
目前，齒輪產(chǎn)品將向著高精度、高功率密度、高可靠性、高效率、長(zhǎng)壽命、低噪聲等方向發(fā)展，齒輪設(shè)計(jì)制造將向著數(shù)字化、智能化、模塊化、綠色化的方向發(fā)展。到2030年我國(guó)齒輪行業(yè)的主要發(fā)展總體目標(biāo)是[12]：（1）建立國(guó)家級(jí)的齒輪基礎(chǔ)技術(shù)和前沿技術(shù)研究、重要新產(chǎn)品研發(fā)、重大科技成果工程化、技術(shù)推廣應(yīng)用的創(chuàng)新和技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，推進(jìn)我國(guó)齒輪傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。（2）通過(guò)建立先進(jìn)完善的齒輪標(biāo)準(zhǔn)化體系，2030年齒輪標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入世界前兩強(qiáng)。（3）通過(guò)提高齒輪類(lèi)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(chǎn)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(wěn)步減小齒輪傳動(dòng)的功率損耗，到2030年功率損耗減小50%。（6）汽車(chē)齒輪使用壽命到2020年提高2～3倍，到2030年達(dá)到壽命期內(nèi)不失效。圍繞上述目標(biāo)，我國(guó)齒輪工作者仍將任重道遠(yuǎn)，大家仍需共同努力，未來(lái)的30年，我國(guó)齒輪工業(yè)必有更輝煌的明天！
