大功率海水循環水泵立式齒輪箱裝配工藝分析*

丁 軍，王偉功，王長路，錢新波，楊 棟，焦 云

(1.江蘇省減速機產品質量監督檢驗中心， 江蘇 泰興 2254001； 2.江蘇中工高端裝備研究院有限公司， 江蘇 泰興 225400)

0 引 言

核電站中的海水循環泵立式齒輪箱(以下簡稱“核電齒輪箱”)是核電機組的核心部件之一，功率在4 500～10 000 kW，輸出轉速150～600 r/min，其長壽命、高可靠、高安全的運行環境使得其對設計、制造和裝配等技術要求極高[1-4]。國內目前初步掌握了核電齒輪箱的部分制造技術，但核心制造技術仍被國外Allen Gears、David Brown等企業壟斷，核電齒輪箱制造技術成為了我國核電產業持續有效發展的主要“卡脖子”技術。當前我國核電產業正處于快速發展階段，攻克核電齒輪箱成套關鍵技術對提升核電裝備國產化水平、保障國家能源安全具有重大和深遠意義[5]。

整機裝配工藝是核電齒輪箱制造過程中的核心技術，直接影響著整機傳動精度、效率和可靠性，是實現我國核電齒輪箱研發自主化的關鍵。核電齒輪箱總體結構為立式行星傳動裝置，要求輸出軸徑向跳動≤0.15 mm，傳動噪音≤80 dBA，運行過程平穩[2]。國內大功率核電齒輪箱的制造經驗較少，裝配工藝大多參照現有大功率行星齒輪箱，但因其結構的特殊性，裝配過程需要反復調整，裝配可靠性和裝配效率不高。筆者根據核電齒輪箱的結構特點，分析了影響核電齒輪箱裝配質量的幾個關鍵工藝因素，并闡述應用筆者裝配工藝制備的核電齒輪箱樣機的空載與帶負載調試情況，為核電齒輪箱的開發與制造提供一定參考。

1 核電齒輪箱結構及工作原理

由圖1核電齒輪箱模型圖可知，核電齒輪箱動力由太陽輪輸入，行星架輸出，太陽輪和內齒圈為浮動件，輸出軸由徑向和推力組合滑動軸承支撐，整機采用強制噴油潤滑方式。核電齒輪箱工作過程為主電機通過輸入聯軸器、太陽輪帶動四個對稱布置的雙斜齒行星輪，行星輪與雙內斜齒輪嚙合將動力輸出給行星架，行星架連接推力頭、輸出軸，輸出軸通過剛性聯接法蘭，將動力傳遞給循環泵，進而實現循環水泵運行。

2 行星裝置裝配工藝

如圖2所示，核電齒輪箱行星裝置由太陽輪、行星輪、內齒圈、行星架、行星輪軸、圓柱銷、固定套、中心油管等零件組成。其中，太陽輪、行星輪和內齒圈為人字齒結構，行星齒輪和行星架通過鍍有巴氏合金層的行星銷軸連接在一起，內齒圈是由上下齒圈組合而成，外部的鼓形齒通過特制圓形卡簧與固定套上的內齒連接。行星裝置的裝配序列應為：行星銷軸裝配、固定套裝配、中心油管裝配。

圖1 核電齒輪箱模型圖 圖2 核電齒輪箱行星裝置模型圖

2.1 行星輪軸裝配工藝分析

行星輪軸與行星輪內孔的接觸面為耐磨的巴氏合金層，二者有0.1～0.4 mm徑向間隙，可以直接裝入。行星輪軸與行星架的配合為過盈配合，過盈量為0.02～0.05 mm，可采用加熱行星架的方式進行裝配。行星架材料為球磨鑄鐵, 線膨脹系數約10×10-6℃-1；與行星輪軸配合的軸孔直徑為310 mm(等于結合直徑df)，最大過盈量0.05 mm，最小裝配間隙為0.111 mm。計算公式為：

(1)

式中：[δmax]為被包容件和包容件最大過盈量；Δ為最小裝配間隙；α為線膨脹系數；df為結合直徑；t為裝配環境的溫度。

根據式(1)計算出加熱溫度為75 ℃，為提高生產效率，取加熱溫度為120℃，保溫時間設置4 h為宜[6]。裝配前，測量行星輪軸和行星軸孔尺寸，確保二者間隙達到最小裝配間隙后開始裝配。裝配時，將加熱后的行星架正面朝上擺放在工作臺上，依次裝入太陽輪、行星輪，行星輪軸與行星架軸孔位置對準，裝入行星輪軸并擰緊定螺釘，冷卻后配鉆鉸銷孔，并壓裝圓柱銷。

2.2 內齒圈、固定套裝配工藝分析

行星輪軸裝配完成后，行星架、行星輪、太陽輪、行星輪軸等零件組成組件，組件與內齒圈通過卡簧與固定套連接。上下內齒圈內齒組成人字齒，外齒為直齒，裝配時應保證上下內齒圈與行星輪、固定套準確嚙合。內齒圈裝配時，應通過如圖3所示的人字齒對齒工裝找正行星裝置內嚙合位置，保證上下齒圈的外齒齒面平齊。裝配時，先自下而上將下齒圈套在行星齒輪上，并按照圖3所示安裝好人字齒對齒工裝；隨后自上而下將上齒圈套入行星齒輪上。調整兩個人字齒對齒工裝下螺栓的旋入量，調整至上下齒圈的外齒齒面平齊后結束，如圖4所示。

圖3 內齒圈裝配示意圖 圖4 內齒圈裝配后示意圖

上下齒圈裝配完成后，裝入固定套上部的鋼絲卡簧，并隨固定套一并吊裝入內齒圈，使固定套內齒與齒圈外齒嚙合。最后裝入固定套下部的鋼絲卡簧。

3 底座、箱體和固定環組件配裝工藝分析

為提高行星裝置的均載性能，確保輸出轉子裝置的定位精度和同軸度，提高隨動密封的可靠性，底座、箱體和固定環應當采用先裝配、再組合加工定位止口的工藝路線。底座在立車上加工完畢后，不拆卸進行尺寸與公差檢測，達到要求后在機裝配箱體并把緊螺栓，隨底座一起加工箱體上止口。箱體加工到位后，不拆卸裝配固定環并用螺栓把緊，加工固定環上止口到位[7]。

4 輸出轉子組件裝配工藝

4.1 推力頭、輸出軸組件裝配工藝分析

推力頭與輸出軸組件結構圖如圖5所示。推力頭、輸出軸組件是與負載直接連接的裝置，應具備良好的密封性和傳動精度。通過平鍵連接，兩軸徑之間為小過盈配合(經測量二者有0.02 mm的過盈量)。裝配前首先將推力頭豎直支撐好，保持水平狀態；將推力頭在加熱爐中加熱至120 ℃，保溫時間4 h，加熱完成后測量配合面尺寸，滿足裝配間隙達到0.1 mm，將輸出軸、平鍵裝配到位。零件冷卻至室溫后，將密封墊和壓板裝配到位，密封墊應壓緊。

圖5 推力頭、輸出軸組件結構圖 圖6 組合軸承與推力頭結構圖

4.2 組合軸承裝配工藝

推力頭、輸出軸組件裝配至底座后，裝配組合軸承。如圖6所示。

組合軸承由推力軸承、徑向軸承兩部分組成，推力軸承承擔輸出軸與循環泵轉子的全部重量，徑向軸承承擔轉子旋轉過程中產生的徑向力[8]。組合軸承采用分體式制造，用于承受水泵施加的軸向推力。組合軸承裝配的關鍵是調整推力頭與徑向軸承導瓦的同軸度不超過0.05 mm，裝配時通過手動調整旋鈕保證同軸度，調整完畢后抱緊軸瓦。

5 整機運行調試

為驗證以上裝配工藝的可靠性，制造了一臺功率100 kW，額定輸入轉速1 450 r/min，額定輸出轉速為336 r/min的核電齒輪箱樣機。按照以上裝配工藝裝配完畢后，對核電齒輪箱進行空載和帶負載運行調試，主要驗證潤滑系統可靠性，測試整機的噪音、溫升、振動等，同時檢測齒輪的側隙、接觸區域等。圖7、8分別為核電齒輪箱樣機空載和帶負載調試運行圖。齒輪箱進行整機運行調試時按照以下步驟進行。

圖7 核電齒輪箱整機空載調試圖 圖8 核電齒輪箱整機現場帶負載調試圖

(1) 齒輪箱空載運行前，啟動供油油泵，運行3 min。

(2) 啟動高壓頂起系統，觀察高低油壓情況。

(3) 油壓正常后啟動主電機，觀察各部位運行情況，確保無卡死、干涉等情況。

(4) 在額定轉速下，運行4 h，記錄噪聲、振動、油溫、油壓、軸瓦溫度等數據。

(5) 進行120%超速運行15 min，記錄噪聲、振動、油溫、油壓、軸瓦溫度等數據。

(6) 運行結束后，先關閉電動機，主機停止2 min后，關閉潤滑油站。

表1列出了整機運行調試的結果。調試結果顯示齒輪箱各項指標運行正常，具備出廠條件。

表1 核電齒輪箱整機調試結果

6 結 語

核電齒輪箱的裝配質量是確保核電齒輪箱運行可靠性的關鍵，其關鍵裝配工序包括行星裝置、底座、箱體和固定環組件配裝工藝，輸出轉子組件裝配以及整機的運行調試，關鍵是要保證各部件之間的裝配精度，確保無附加應力裝配。通過樣機的制備和空載及帶負載運行調試，證明了核電齒輪箱裝配工藝是有效可行的，后續可以應用于實際產品的制造。文中提出的裝配工藝不僅適用于核電齒輪箱的裝配，還可以為風電、水電、工程機械等領域的大功率行星齒輪箱裝配調試提供指導。