大功率海水循环水泵立式齿轮箱装配工艺分析*

丁 军，王伟功，王长路，钱新波，杨 栋，焦 云

(1.江苏省减速机产品质量监督检验中心， 江苏 泰兴 2254001；

2.江苏中工高端装备研究院有限公司， 江苏 泰兴 225400)

核电站中的海水循环泵立式齿轮箱(以下简称“核电齿轮箱”)是核电机组的核心部件之一，功率在4 500～10 000 kW，输出转速150～600 r/min，其长寿命、高可靠、高安全的运行环境使得其对设计、制造和装配等技术要求极高[1-4]。国内目前初步掌握了核电齿轮箱的部分制造技术，但核心制造技术仍被国外Allen Gears、David Brown等企业垄断，核电齿轮箱制造技术成为了我国核电产业持续有效发展的主要“卡脖子”技术。当前我国核电产业正处于快速发展阶段，攻克核电齿轮箱成套关键技术对提升核电装备国产化水平、保障国家能源安全具有重大和深远意义[5]。

整机装配工艺是核电齿轮箱制造过程中的核心技术，直接影响着整机传动精度、效率和可靠性，是实现我国核电齿轮箱研发自主化的关键。核电齿轮箱总体结构为立式行星传动装置，要求输出轴径向跳动≤0.15 mm，传动噪音≤80 dBA，运行过程平稳[2]。国内大功率核电齿轮箱的制造经验较少，装配工艺大多参照现有大功率行星齿轮箱，但因其结构的特殊性，装配过程需要反复调整，装配可靠性和装配效率不高。笔者根据核电齿轮箱的结构特点，分析了影响核电齿轮箱装配质量的几个关键工艺因素，并阐述应用笔者装配工艺制备的核电齿轮箱样机的空载与带负载调试情况，为核电齿轮箱的开发与制造提供一定参考。

由图1核电齿轮箱模型图可知，核电齿轮箱动力由太阳轮输入，行星架输出，太阳轮和内齿圈为浮动件，输出轴由径向和推力组合滑动轴承支撑，整机采用强制喷油润滑方式。核电齿轮箱工作过程为主电机通过输入联轴器、太阳轮带动四个对称布置的双斜齿行星轮，行星轮与双内斜齿轮啮合将动力输出给行星架，行星架连接推力头、输出轴，输出轴通过刚性联接法兰，将动力传递给循环泵，进而实现循环水泵运行。

如图2所示，核电齿轮箱行星装置由太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架、行星轮轴、圆柱销、固定套、中心油管等零件组成。其中，太阳轮、行星轮和内齿圈为人字齿结构，行星齿轮和行星架通过镀有巴氏合金层的行星销轴连接在一起，内齿圈是由上下齿圈组合而成，外部的鼓形齿通过特制圆形卡簧与固定套上的内齿连接。行星装置的装配序列应为：行星销轴装配、固定套装配、中心油管装配。

图1 核电齿轮箱模型图 图2 核电齿轮箱行星装置模型图

2.1 行星轮轴装配工艺分析

行星轮轴与行星轮内孔的接触面为耐磨的巴氏合金层，二者有0.1～0.4 mm径向间隙，可以直接装入。行星轮轴与行星架的配合为过盈配合，过盈量为0.02～0.05 mm，可采用加热行星架的方式进行装配。行星架材料为球磨铸铁, 线膨胀系数约10×10-6℃-1；
与行星轮轴配合的轴孔直径为310 mm(等于结合直径df)，最大过盈量0.05 mm，最小装配间隙为0.111 mm。计算公式为：

(1)

式中：[δmax]为被包容件和包容件最大过盈量；
Δ为最小装配间隙；
α为线膨胀系数；
df为结合直径；
t为装配环境的温度。

根据式(1)计算出加热温度为75 ℃，为提高生产效率，取加热温度为120℃，保温时间设置4 h为宜[6]。装配前，测量行星轮轴和行星轴孔尺寸，确保二者间隙达到最小装配间隙后开始装配。装配时，将加热后的行星架正面朝上摆放在工作台上，依次装入太阳轮、行星轮，行星轮轴与行星架轴孔位置对准，装入行星轮轴并拧紧定螺钉，冷却后配钻铰销孔，并压装圆柱销。

2.2 内齿圈、固定套装配工艺分析

行星轮轴装配完成后，行星架、行星轮、太阳轮、行星轮轴等零件组成组件，组件与内齿圈通过卡簧与固定套连接。上下内齿圈内齿组成人字齿，外齿为直齿，装配时应保证上下内齿圈与行星轮、固定套准确啮合。内齿圈装配时，应通过如图3所示的人字齿对齿工装找正行星装置内啮合位置，保证上下齿圈的外齿齿面平齐。装配时，先自下而上将下齿圈套在行星齿轮上，并按照图3所示安装好人字齿对齿工装；
随后自上而下将上齿圈套入行星齿轮上。调整两个人字齿对齿工装下螺栓的旋入量，调整至上下齿圈的外齿齿面平齐后结束，如图4所示。

图3 内齿圈装配示意图 图4 内齿圈装配后示意图

上下齿圈装配完成后，装入固定套上部的钢丝卡簧，并随固定套一并吊装入内齿圈，使固定套内齿与齿圈外齿啮合。最后装入固定套下部的钢丝卡簧。

为提高行星装置的均载性能，确保输出转子装置的定位精度和同轴度，提高随动密封的可靠性，底座、箱体和固定环应当采用先装配、再组合加工定位止口的工艺路线。底座在立车上加工完毕后，不拆卸进行尺寸与公差检测，达到要求后在机装配箱体并把紧螺栓，随底座一起加工箱体上止口。箱体加工到位后，不拆卸装配固定环并用螺栓把紧，加工固定环上止口到位[7]。

4.1 推力头、输出轴组件装配工艺分析

推力头与输出轴组件结构图如图5所示。推力头、输出轴组件是与负载直接连接的装置，应具备良好的密封性和传动精度。通过平键连接，两轴径之间为小过盈配合(经测量二者有0.02 mm的过盈量)。装配前首先将推力头竖直支撑好，保持水平状态；
将推力头在加热炉中加热至120 ℃，保温时间4 h，加热完成后测量配合面尺寸，满足装配间隙达到0.1 mm，将输出轴、平键装配到位。零件冷却至室温后，将密封垫和压板装配到位，密封垫应压紧。

图5 推力头、输出轴组件结构图 图6 组合轴承与推力头结构图

4.2 组合轴承装配工艺

推力头、输出轴组件装配至底座后，装配组合轴承。如图6所示。

组合轴承由推力轴承、径向轴承两部分组成，推力轴承承担输出轴与循环泵转子的全部重量，径向轴承承担转子旋转过程中产生的径向力[8]。组合轴承采用分体式制造，用于承受水泵施加的轴向推力。组合轴承装配的关键是调整推力头与径向轴承导瓦的同轴度不超过0.05 mm，装配时通过手动调整旋钮保证同轴度，调整完毕后抱紧轴瓦。

为验证以上装配工艺的可靠性，制造了一台功率100 kW，额定输入转速1 450 r/min，额定输出转速为336 r/min的核电齿轮箱样机。按照以上装配工艺装配完毕后，对核电齿轮箱进行空载和带负载运行调试，主要验证润滑系统可靠性，测试整机的噪音、温升、振动等，同时检测齿轮的侧隙、接触区域等。图7、8分别为核电齿轮箱样机空载和带负载调试运行图。齿轮箱进行整机运行调试时按照以下步骤进行。

图7 核电齿轮箱整机空载调试图 图8 核电齿轮箱整机现场带负载调试图

(1) 齿轮箱空载运行前，启动供油油泵，运行3 min。

(2) 启动高压顶起系统，观察高低油压情况。

(3) 油压正常后启动主电机，观察各部位运行情况，确保无卡死、干涉等情况。

(4) 在额定转速下，运行4 h，记录噪声、振动、油温、油压、轴瓦温度等数据。

(5) 进行120%超速运行15 min，记录噪声、振动、油温、油压、轴瓦温度等数据。

(6) 运行结束后，先关闭电动机，主机停止2 min后，关闭润滑油站。

表1列出了整机运行调试的结果。调试结果显示齿轮箱各项指标运行正常，具备出厂条件。

表1 核电齿轮箱整机调试结果

核电齿轮箱的装配质量是确保核电齿轮箱运行可靠性的关键，其关键装配工序包括行星装置、底座、箱体和固定环组件配装工艺，输出转子组件装配以及整机的运行调试，关键是要保证各部件之间的装配精度，确保无附加应力装配。通过样机的制备和空载及带负载运行调试，证明了核电齿轮箱装配工艺是有效可行的，后续可以应用于实际产品的制造。文中提出的装配工艺不仅适用于核电齿轮箱的装配，还可以为风电、水电、工程机械等领域的大功率行星齿轮箱装配调试提供指导。

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