我国圆弧齿轮发展历程

我国圆弧齿轮发展历程  郑州所 李长春
    圆弧齿轮的研究是我所齿轮研究方面传统课题之一。从 1958年到现在经历了近四十年的历程。由于圆弧齿轮具有接触强度高、使用寿命长等一系列优点，在推动工业齿轮生产，解决生产中的关键起到积极作用，受到一机部各级领导的极大重视，曾经列为一机部重点科研推广项目。自1959年，由一机部主办，我所承办，在洛阳召开第一届全国圆弧齿轮技术会议以来，曾经先后召开过五次全国性的大型会议。它们是于1962年在上海召开的第二届全国圆弧齿轮技术会议，1965年在鞍山市召开的圆弧齿轮减速器系列审查会；1980年在上海召开的双圆弧齿轮鉴定会，1986年在鞍钢召开的全国圆弧齿轮技术会议。同时也确立了我所在行业中的归口地位和技术上的主导地位。我所的学术带头人也就是全国圆弧齿轮研究方面的学术带头人。例如，1995年在山东博山召开的圆弧齿轮学组成立大会上，我所徐永年同志被选为学组组长。
    我们说，圆弧齿轮的研究具有中国特色是因为在学术上具有独创性；在成果上紧密结合生产，为我国齿轮生产创造了巨大经济效益；在工作方法上，紧密结合生产、联系实际、联系群众，为我国齿轮生产服务。这些成果只有社会主义的中国才能提供如此广阔的天地，才能使我国圆弧齿轮的研究走在界的前列。
    我们知道，渐开线齿轮在工业中已经使用了二百多年，随着机械工业向高速、重载方面的发展，渐开线齿轮已经日益不能满足生产上的需要。虽然，近年来，渐开线齿轮日益向硬齿面齿轮发展。但是由于磨齿机的价格的昂贵，特别是一些大型齿轮，例如大荆轧钢机齿轮，矿山机械齿轮，磨齿就更加困难。而渐开线齿轮的接触强度低就成为大型齿轮缩小尺寸，提高齿轮使用寿命的最大障碍。因此，早在1922年威克--波斯托克--布朗来就提出了一种凸凹齿廓相啮合的齿轮，称之为VBB齿轮用于19000马力的航船上。但是，由于凹齿齿顶过薄而发生了断齿损坏，这就断送了这种齿轮在工业上的应用。1926年，美国人维尔德哈泊又提出将凸、凹齿制成圆弧齿形的齿轮，这种齿形类似于我们现在 使用的单圆弧齿轮，但是由于VBB齿轮断齿的影响，也未在工业中应用。1954年，前苏联儒柯夫斯基军事工程学院工程师诺维柯夫在其博士论文中，又提出把齿轮端面齿形做成凸凹圆弧的齿轮，并进行了原理分析和强度试验。试验表明，对于相同材料，相同尺寸的圆弧齿轮，其接触强度比渐开线齿轮高出2-6倍，从而引进丁前苏联广大专家、教授的极大兴趣，纷纷进行研究，并在生产中进行工业使用。于1960年埃森国际齿轮会议上被命名为维尔德哈泊-诺维柯夫齿轮，简写为W-N齿轮。于是在英国、日本、印度等国都开展了一系列研究工作。
    1958年，前苏联的《机械制造通报》上发表了诺维柯夫的助手费加金付博士写的一系列有关圆弧齿轮的文章，以及我国赴苏考察或学习的专家，学者得到的信息，国内很多单位也开始这方面的研究。我所齿轮研究方面的负责人冯敬仁工程师抓住此时机，在天津召开经验交流会，进行了技术交流。于1959年，由冯敬仁负责，由李德麟、查济端、张希康和我(李长春)组成课题研究组开展圆弧齿轮的研究工作。于1959年11月在洛阳召开了第一届全国圆弧齿轮技术会议，在这次会议上，把这种齿轮定名为"圆弧点啮合齿轮"，简称"圆弧齿轮"。同时，交流了一年来的工作经验，参观了洛阳矿山机器厂在苏联专家指导下研制的ZLHR1150圆弧齿轮减速器，协调了1960年的科研课题。
    会后，课题组进行了分工，由李得鳞、查济端负责筹建齿轮试验室，由我负责与沈阳重机厂合作研究重型、矿山用圆弧齿轮，王靖中与沈阳矿山机器厂研究圆弧齿锥齿轮，张希康与上海汽轮机厂、杭州汽轮机厂等研究高速圆弧齿轮。
    我们在沈重设计了大型磨煤机系列减速器，3200* 3100大型球磨机开式齿轮，齿轮最大直径达4466毫米，并协助沈重研制了模数3-22毫米的圆弧齿轮滚刀，为沈重生产圆弧齿轮奠定了基础，王靖中同志除与沈矿合作研制出圆弧弧齿锥齿轮外，特别在沈重研制出延伸外摆线圆弧锥齿轮。张希康与上汽合作研制出506空压机用高速圆弧齿轮。用凋质精滚齿的圆弧齿轮代替滚火磨齿的渐开线齿轮。
    在此工作基础上，于1960年8月一机部组织圆弧齿轮推广队，由我所前所长马力夫同志挂帅，在沈阳、大连、上海、杭州、嘉兴、福州、三明等地进行了宜传推广工作。为了满足圆弧齿轮的推广工作，于1960年11月由我负责，组织国内有关工厂。高等院校和设计研究单位二十多人在太原重型机器厂进行圆弧齿轮减速器系列设计，设计出ZHQ、ZHD、ZHL、ZHS四种圆弧齿轮减速器系列图纸和大型圆弧齿轮减速器设计指导资料。但是，由于国家政策改变，我们也就随着政策改变了计划。总之，前两年的工作总起来说，就是一种宣传鼓动，组织科研力量的阶段，真正效果就是在国内掀起一个研究圆弧齿轮的热潮，从而使一机部把圆弧齿轮列为重点研究推广项目。我们所也就成为圆弧齿轮及圆弧齿轮减速器的行业归口单位和科研方面的负责单位。
    1961年，党中央提出了"调整、巩固、充实、提高"八字方针，我们课题也转向基础研究工作。首先，由一机部领导，由我们实施，在国内组织圆弧齿轮减速器的试制、试验、鉴定工作。在国内组织上海重机厂、上海冶矿厂、上海起重机厂、沈阳重型机器厂、大连起重机厂对我们设计的四种减速系列按大、中、小列入一机部新产品试制计划进行 试制试验和鉴定。它们是ZHD500、ZHD700、ZHS500、 ZHS950、ZHL250、 ZHL650、ZHL1150、ZHQ350、ZHQ400、ZHQ650和ZHQ850共计44台减速器。其中齿轮模数包括3、4、5、6、7、8、9．10、12、14mm，这可以说是我国在齿轮研究工作中最宏伟的一次试验．前后经过三年多时间，取得了数十个试验数据。这样大规模的试验工作，也只有在社会主义的中国才能够做到。通过试验，我们发现两个大问题，第一，原减速器系列中采用的前苏联齿形，只能适用于m。<6mm的齿轮，模数8mm以上的大模 数齿轮，在试验过程中都出现了胶合损坏．同时，洛阳矿山机器厂在苏联专家指导下投产的20台ZHLRll50减速器，在出厂试车中，也都发生了胶合损坏，大大打击了洛矿厂推广圆弧齿轮的积极性，胶合损坏成为全国推广圆弧齿轮的拦路虎。于是，我们在上海冶矿厂和上海起重厂圆弧齿轮减速器中，对Mn=8、10、12mm的齿轮进行了抗胶合试验，从而取得了战胜大模数圆弧齿轮胶合的经验。当然，这只是在试验台上的经验。第二，我们发现原系列设计中，根据苏联推荐的强度计算方法也是不能成立的。圆弧齿轮必须有适应于它本身的计算方法，绝不能像苏联资料中说：“圆弧齿轮的承载能力比相同材料、相同尺寸的渐开线齿轮提高2-2.5倍”。而必须根据实际情况，齿轮使用情况进行计算。于是，我们根据44台减速器的试验数据，以及在国内各地用户的调查，提出了我们自己的圆弧齿轮强度计算方法．根据上述试验，1964年，我们组织了五个工厂的同志在上海机电产品设计院对上述四种减速器系列进行了修改设计。1965年一机部在鞍山市组织了鉴定，批准为D14120-64圆弧圆柱齿轮减速器系列在生产中推广，从而使我国减速器生产走向标准化系列化生产。1973年，根据各厂和设计单位要求，要进一步制定圆弧齿轮减速器的一机部标准，我们又请一机部组织国内工厂，高等学校和设计研究单位，由我所和上海机电产品设计院负责在上海进行设计。经过两年多的工作，于1974年一机部在机械院组织了审查，经一机部批准为 JBl585-75ZQH型圆弧圆柱齿轮减速器，JBl586-75ZDH、ZLH、ZSH型圆弧圆柱齿轮减速器等四个部标准，这些减速器的使用寿命比原渐开线齿轮减速器提高了一倍以上。受到使用单位的欢迎，社会经济效益是很显著的。目前有几十家工厂在生产这种产品。
    在大型减速器方面，由于大模数圆弧齿轮的胶合问题，我们取得了解决的办法，1964年太原钢厂和太原重机厂提出要研制中心距为2748mm的大型圆弧齿轮减速器，由我提供了大模数圆弧齿轮的齿形和设计参数(Mn=20和27mm)，1964年末在太原召开的第一届全国传动学会年会后，组织专家、学者进行了审查，于1965年试制成功后，在太钢薄板厂1200叠板轧机上进行了应用，齿面完好无损。1968年，太重还用该齿轮滚刀制造了650轧机齿轮机座，在首钢使用，使用寿命达到20年。1963年沈重曾在鞍钢初轧机24英寸连轧机上制造了Mo=42mm的圆弧齿轮也出现了胶合损坏。1967年，厉始忠同志把太重的经验移植到沈重，重新试制了圆弧齿轮，在鞍钢也获得了成功。到目前为止，生产上已经使用了数十台大型轧钢机圆弧齿轮，使用寿命成倍的提高。例如，鞍钢24英寸连轧机原是德国进口产品，年产量为50万吨，由于产量增加，渐开线齿轮损坏严重，自从采用圆弧齿轮以后钢的年产量已经提高到280-300万吨，比原设计产量提高了5倍。
    前面曾提到洛阳矿山机器厂在1960年投产的20台ZHLRll50圆弧齿轮减速器发生了胶合损坏，挫伤了该厂领导和技术人员的积极性。1962年一机部派我去该厂调查，我向一机部写了调查报告并提出解决方案，由一机部批转该厂。1966年在太原圆弧齿轮训练班上，我又为洛矿培养了青年技术骨干。他们回厂后，按我们提的方案进行了试验，一次取得了成功，提高了该厂积极性。于是设计了ZLHR1000、1150、1300、1500、1700矿井提升机减速器系列，使大型圆弧齿轮减速器进行批量生产，到目前为止已经生产了数千台，目前仍在继续生产。
    我们知道，过去国内大约有15家工厂生产高速齿轮。但是，其中很多工厂没有磨齿机，很多工厂都不能生产硬齿面渐开线齿轮，满足不了生产需要。1960年我所张希康和上海汽轮机厂合作，生产出第一台高速圆弧齿轮在506空压机上使用以后，找到了用调质精滚齿的圆弧齿轮代替淬火磨齿的渐开线齿轮，这就使没有磨齿机的工厂也能够生产高速 齿轮。于是，杭州汽轮机厂、青岛汽轮机厂、沈阳鼓风机厂等纷纷研制高速圆弧齿轮。1964年我所陶燕光和沈阳鼓风机厂合作组织国内高速齿轮生产研究设计了高速圆弧齿轮箱系列，在生产中推广。根据调查，多年来高速圆弧齿轮的总产量约占全国高速齿轮总产量的80％左右。这样，高速、圆弧齿轮成为我国高速齿轮生产中的支柱产品。即使近年来 各厂都引进了磨齿机和硬齿面渐开线齿轮生产技术，但是，这些厂仍在继续生产高速圆弧齿轮。这是因为圆弧齿轮的生产周期短，成本低，又能满足生产需要的缘故。
    此外，在磨煤机、水泥磨、抽油机等冶金、矿山、起重、运输、船机等许多机械产品中，都在使用圆弧齿轮。很多产品在国际上也是领先的，即使象前苏联是圆弧齿轮发源地，其圆弧齿轮的使用领域也没有我们广泛。他们还多用于模数小于8mm的齿轮。大型齿轮很少，主要是没有解决大模数齿轮胶合的问题。例如，我们于1967年制定的 JB929-67圆弧齿轮滚刀法面齿形标准中，就根据我们对胶合的试验，对不同的模数，采用不同的齿形圆弧半径差，而苏联在1969年标准中才开始采用，实际上我们在1964年为太重提供的Mo=20，和27mm的齿形中，已经采用了缩小齿形圆弧半径差的方案，Δp由0.15m。减少到0.06m。左右。
    在1961年，中国机械工程学会上，丁淳、张希康发表了圆弧齿轮啮合原理和测量尺寸计算公式。这些文章和诺维科夫论文不同之处在于这些理论是硅立在法向截面为圆弧的啮合付基础上的，基本上是符合实际情况的，有实用价值。特别是按此理论，同一模数，不同齿数的圆弧齿轮可以用同一把滚刀加工．而诺维柯夫的啮合原理建筑在齿轮端面齿形为圆弧的基础上，在实用上他们也是按法面圆弧制造齿轮的，理论与实际是脱节的。这是在基础理论上的奠基，我在此会上，也发表了圆弧齿轮减速器系列设计的论文。直到1964年第一届传动年会上，我发表圆弧齿轮减速器系列设计、试制试验。鉴定总结后，为圆弧齿轮减速器的设计提出了防止胶合的设计理论。1964年，丁淳提出圆弧齿轮精度与检验(指导资料)，我们与上海量刀具厂合作研制了圆弧齿轮量仪。上海工具厂、哈尔滨工具厂也在我所组织下生产圆弧齿轮滚刀。至此，我们就为我国圆弧齿轮批量生产创造必要的技术基础。于是在1978年我国第一届全国科学大会上，我所圆弧齿轮的研究被定为表扬项目之一。
    在1962年，全国第二届圆弧齿轮技术会议上提出，圆弧齿轮的胶合和弯曲强度是今后科研的两大重点。前面已经讲过，经过三年多圆弧齿轮减速器的试制，试验以及大型轧钢机用圆弧齿轮减速器的试制，大模数圆弧齿轮的胶合问题已经得到解决。而弯曲强度还没有根本解决，根据国内外有关圆弧齿轮的试验表明，圆弧齿轮在提高了接触强度以后，弯曲强度就成了主要破坏形式。因此，我们从1973年开始，就开始研究双圆弧齿轮。我们知道，圆弧齿轮是一种点啮合齿轮，基瞬时接触只有一个点，因此载荷性质是一种集中载荷，而渐开线齿轮在理论上都是均布载荷，这就是圆弧齿轮弯曲强度低和容易胶合的主要原因。而双圆弧齿轮却是把每一个齿轮上都作为凸齿和凹齿，也就是把两对单圆弧齿轮作在一对齿轮上，这样的双圆弧齿轮瞬时接触点就比单圆弧点轮多了一倍。每个接触点上的载荷从理论上就降低了一半。因此，就可以提高弯曲强度。
   1968上英国路斯--路易期公司斯坦特工程师提出了分阶式双圆弧齿轮齿形方案。这种方案既可避免苏联齿形中，齿腰部分容易点蚀的缺点，又加厚了齿根部的齿厚，对提高齿轮弯曲强度很有利，并取得了美国专利。我参考了这种齿形又结合我国单圆弧齿轮齿形设计的经验，设计了S74型双圆弧齿轮齿形。1974年以后，我所，由我和钱振选、沈秋月、徐永年、李秀珍等同志组成科研小组，对该齿形进行了一系列试验。当时参加试验的人员占我室当时人数的半数以上。试验表明双圆弧齿轮的弯曲强度比同样材料，同样尺寸的单圆弧齿轮提高了30-60%。同时唐定国同志利用我们的滚刀与开封空分厂和杭州汽轮机厂试制了两套高速双圆弧齿轮，使用情况也很好。因此在1978年全国第一届科学大会上，双圆弧齿轮的研究也被定为我所表扬项目之一。
    但是1973年以后，国内各高等院校也纷纷上马研究双圆弧齿轮，因此，也提出了很多种齿形。我们知道，齿形多说明大家积极性高，多有一些创造．但是其付作用却是给生产造成混乱。我们在推广单圆弧齿轮时，就出过这个问题。到1967年我国JB929-67统一齿形后，曾造成几千把滚刀报废。为了防止重走弯路，1978年以后，我们就着手统一齿形的工作。经过几年的努力，召开了多次各有关单位的论证，协商以及各种试验工作。最终达成协议，由我所和太原工学院联合设计出"统一齿形"，这种齿形是采用我所S74型为基础，吸收了太原工学院双偏圆弧中心的特色，合并为"统一齿形"。1980年在全国双圆弧齿轮鉴定会上，通过了审查。1981年由机械部批准为JB2940-81"双圆弧齿轮基准齿形"标准在生产中推广。1991年，由李纲和我又修订成为国家标准，编号GBl2759-91双圆弧齿轮基准齿形。根据上海鉴定会议鉴定结果，我所申报的"双圆弧齿轮承载能力的研究"课题获得了院和部的科技成果二等奖。
    1981-1985年，由我和徐永年分别负责，制订JB4021-85"圆弧圆柱齿轮的精度"部标准和GBl840-89"圆弧齿轮模数"标准。GB/T14348.1-93"双圆弧齿轮滚刀型式和尺寸"标准，GB/T14348.2-93"双圆弧齿轮技术条件"标准。至此，生产双圆弧齿轮的基础标准都已经具备了。此外，徐永年、陈渊和哈工大、太原工学院合作还制定了GB/T13799-92"双圆弧齿轮承载能力计算方法"国家标准和GB/TX X X X-X X圆弧圆柱齿轮基本术语标准(正在报批)。精度标准和滚刀标准分别获得部科技成果三等奖和四等奖。
    双圆弧齿轮在生产应用上也取得很多成果，1978年，重庆通用机器厂研制240万大卡空压机，原设计是采用高速渐开线齿轮。但是，由于该齿轮技术参数高(负荷系数K=240N/cm2)，他们做的渐开线齿轮满足不了要求，而到年底又必须通过鉴定.为此，找到我们希望用双圆弧齿轮，于是，由徐永年负责，我和李秀珍参加，为该厂制造了硬齿面双圆弧齿轮。保证该厂完成了新产品试制，鉴定任务。该产品获得得机械部新产品一等奖。
    1981年，我国向美国出口抽油机。但是，渐开线齿轮质量差，寿命短满足不了需要。由兰州石油机械研究所设计了双圆弧齿轮减速器系列。为保证质量，机械部命我所进行监制。于是我和沈秋月去上海机电局承担上海地区各厂的监制任务。经过机械部组织鉴定，各厂生产的抽油机和双圆弧齿轮减速器均达到出口要求，从而，外销到美国。到现在为止，我国生产的抽油机(年产量约5千台)都是采用双圆弧齿轮。
   1980年在上海会议上，由沈重、鞍钢、东北工学院和我们组成课题组研制18英寸连轧机用大型双圆弧齿轮减速器。经过5年的使用，于1986年，一机部在鞍钢进行了鉴定。其使用寿命比原渐开线齿轮提高了二倍以上(还在继续使用)。五年来，创造的经济效益达500多万元，该项目，被辽宁省评为省科技成果一等奖。因此，太重、一重等厂也在大型轧钢机、铝板轧机上采用大双型圆弧齿轮。1987年，我和刘世军、徐永年、张廷健又和沈重合作研制了大型水泥磨双圆弧齿轮减速器(为机械部科学基金项目)，使用效果也很好。于1994年由机械院组织了鉴定和成果验收。
   1981年上海会议以后，机械部认为在原计划中提出的"高速双圆弧齿轮技术参数，线速度V>100m／s，负荷系数k>160N/cm2的技术指标没有达到，认为V>100m/s或k>160N/cm2的提法不对，应该是两个指标同时达到。根据上述要求命我所列入1981年计划，攻克此难关。为此，我和杭州汽轮机厂、镇海炼油厂使用研制3000Kw高速鼓风机用双圆弧齿轮。由于该产品原是杭汽产品，本来使用的渐开线齿轮发生了断轴破坏，于是我们就请杭汽制造了一对双圆弧齿轮和一对硬齿面渐开线齿轮。经过工业使用试验，两对齿轮都发生了损坏。为经过和镇海厂协商，我决定把该齿轮拿回来，由我所自己试制，在我所试制中，我们采用了精滚齿，辉光离子氮化和珩齿新工艺。由我和李育民、李钢去镇海厂安装、试车。经过近一年的使用于1985年末进行了鉴定。1986年由机械院又组织专家、学者去镇海厂进行了复查。该产品的技术指标达到V=118m／s，k=160N／cm2(这是设计参数)，而工厂实际使用通常比设计负荷小，为k=13.6N／cm2左右)。由于采用了新工艺，齿轮噪声达到92.5dbA，比国际上通常充许的噪声低4-5dba。因此，该项目获得了院和部的科技成果二等奖。
    80年代，我们还申请到两项科学基金项目。一项是高速双圆弧齿轮噪声的研究，该项目由我和答永年负责．参加人有李育民、张廷健、张志伟、沈秋月、李钢等。经过一系列试验证明，双圆弧齿轮噪声比单圆弧齿轮降低3-5dBA，并且噪声的主要原因是由齿频引起的。而引起齿频的主要原因又是由齿轮啮合过程中，轮齿受力后轮齿产生弹性变形，在轮齿进入啮合时，轮齿齿端冲击造成。这就提出一个新的课题。关于研究轮齿弹性变形以及修形的问题。第二个问题就是由于滚齿时形成的齿面波度而产生的噪声，俗名鬼频。要消除齿面波度又必须借助于珩齿工艺的研究。于是在第二个基金项?quot;高速双圆弧齿轮的研究"中提出三项基本要求。第一，将齿轮负荷系数再提高一步达180-200N／cm2，第二进行轮齿弹性变形的计算和齿端修形的研究，第三进行珩齿工艺的研究。同时，要进行工业应用考核。这项课题由徐永年和我负责，参加人有李钢、张廷健、刘世军、陈渊等，在这个项目中，由张廷健负责进行轮齿弹性变形计算齿端修形数据的计算，由李钢和刘世军负责珩齿 工艺研究，刘世军的硕士研究生课题就是珩齿工艺研究。珩齿这个工艺在国内目前还只有我所一家能够掌握。因此珩齿齿轮可以说是我所独家生产。工业试验由李钢负责。试验点我们还是选在镇油炼油厂。根据与厂方合同规定，我们制造了4对高速双圆弧齿轮在该厂主风机上试验。其中一对试验件的技术参数为V=118m／sec，k=180-200N／cm2，达到课题要求，1991年由机械院进行了鉴定，被评为院三等奖。通过这一系列工作，镇海石化总厂对我所生产的高速双圆弧齿轮树立了信心，差不多每年都要向我所订货，成为我所稳固的用户点。
    80年代以来，随着改革开放政策的不断深人，我所对双圆弧齿轮的生产也逐年增加。例如，80年代初，我所为长江航运局生产配套的双圆弧齿轮箱用在长江拖轮，共有四条船装有我所生产的齿轮。在煤矿矿井提升机上我们也生产了一批大型双圆弧齿轮。
    最近两年，圆弧齿轮组在张廷健的领导下，设计了一些减速器系列，这些系列是在ZDH、ZLH和ZSH、ZQH基础上设计的，也有在硬齿面渐开线齿轮减速器系列基础上设计的，并由袁和向同志编制出一套双圆弧齿轮CAD设计的程序。凡此种种，对于进一步开拓双圆弧齿轮市场，对该课题进一步深入研究是很有好处的。
    综上所述，30多年以来，我国圆弧齿轮技术有了很大的发展，走在了世界上该技术发展的前列，许多技术都是在科研和生产发展过程中，一步一个脚印地提高的。许多重大的技术关键都是我所独创的成果，同时也为国家解决了不少难题，做出了应有的贡献。凡此种种，都是我所从事圆弧齿轮的科研人员努力奋斗得来的，当然也是我们所的骄傲。
    渐开线齿轮在工业中已经使用了二百多年，目前世界各国齿轮专家还在不断进行研究，而圆弧齿轮只不过才有40年的历史，需要进一步研究，改进的地方还是很多的。希望我所还应一贯给本课题以大力支持，使该课题研究和生产不断取得新的成绩。