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摘要：潍柴发电机原动柴油机的启动装置TMY6QDFY型预啮合式气动马达在调试过程中，频繁发生启动马达齿轮打齿现象。经过检验和排查，找出齿轮打齿真正原因，并提出针对性建议。
Abstract： During the commissioning process of the TMY6QDFY pre-meshing air motor， the starting device of the Weichai generator prime mover diesel engine， the phenomenon of starting motor gears frequently occurred. After inspection and investigation， the real reason for the gear toothing was found out， and targeted suggestions were made.
关键词：打齿;失效分析;故障处理
Key words： tooth punching;failure analysis;fault handling
中图分类号：TK429 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0131-02
0 引言
TMY6QDFY型预啮合式气动马达可作为潍柴发电机原动柴油机的启动装置。2017年上半年，某中标船在厂修中更换三台潍柴生产的柴油机作为航标作业电力供给使用，选择配用TMY6QDFY型预啮合式气动马达。在调试过程中，频繁发生启动马达齿轮打齿现象，由此，柴油机飞轮齿圈存在不同程度的齿损现象。
1 气动马达打齿故障描述
发电付机安装完成后，进行设备调试。在启动试验中，发现1号付机不能启动，启动马达空转，停车后检查发现，启动马达齿轮轮齿全部折断，与之啮合的付机飞轮齿圈轮齿内侧部分存在不同程度的齿损现象。厂方技术人员分析故障后，得出结论是由于操作不当，进行二次启动，导致打齿。但更换新的启动马达后，重新开机试验，依旧存在打齿现象。
2 TMY6QDFY型预啮合式气动马达简介
2.1 TMY6QDFY型预啮合式气动马达的特点
TMY6QDFY型预啮合式气动马达是以压缩空气作为动力源，驱动其工作从而起动柴油机。具有以下优点：
①该马达采用预啮合结构，即先啮合后起动，预啮合实现输出齿轮与柴油机飞轮齿圈准确啮合到位，能够避免损伤柴油机的飞轮齿圈及马达输出齿轮的问题。②马达的主要零件采用合金钢制造，采用精密加工和专业热处理，保证了马达的卓越性能和长久寿命。③该马达具有防火、防爆、体积小、功率大、无极调速及过载保护等特点，尤其在恶劣环境下工作安全可靠。
2.2 TMY6QDFY型预啮合式气动马达的工作原理
TMY6QDFY型预啮合式气动马达由动力部分和输出部分组成，动力部分为叶片式气动马达。柴油机启动时，按下电磁阀开关后，压缩空气通过输出部分的预啮合进气口进入，推动输出轴伸直并自动调整，使输出齿轮与飞轮进入正确的啮合位置。当输出齿轮到达指定位置时，压缩空气通过预啮合的出风口连接到空气继电器上。此时，打开主空气回路，压缩空气进入叶片式空气电机的动力腔，带动电机旋转，从而启动柴油机。当柴油机启动时，可以用超越离合器超越电机，以防止大齿圈带动电机转动。最后松开启动开关，切断供气，输出档位自动返回完成启动过程（电机管路控制系统由二位三通电磁阀控制）。
2.3 技术特征
①主要技术参数：最大工作气压不大于0.8MPa下使用，不同气压下的主要参数如表1所示。
②输出齿轮参数。
3 TMY6QDFY型预啮合式气动马达启动齿轮断裂原因失效分析
3.1 齿轮材料和机械性能的缺陷
电机输出齿轮材料为42CrMo，热处理方法为调质。拉伸强度Rm要求为1000-1200MPa。实际材料选择和热处理要求均符合相关标准。
如果回火后材料的抗拉强度在齿轮生产过程不符合指定的要求，齿轮的承载能力将大大降低，導致疲劳损伤与断裂的齿轮齿轴承大负载的情况下很长一段时间。为此，对两个故障齿轮的材料和力学性能进行了测试。从试验结果来看，两个齿轮的化学成分符合GB/T3077-2015《合金结构钢》的标准要求。被测零件的核心硬度为286-303 HV，换算抗拉强度为913-974MPa，略低于拉制要求的1000-1200MPa，但满足42CrMo的最佳热处理范围。
因此，从理论分析来看，实际抗拉强度低不是齿轮齿断裂的原因。因此，可以排除齿轮材料和机械性能的因素。
3.2 齿轮表面存在缺陷
如果齿轮表面存在裂纹、缝隙等锻造或热处理缺陷，会引起局部应力集中。齿轮在运行过程中，缺陷会逐渐扩大，最终发生疲劳断裂。两个齿轮先后经历了锻造、淬火回火、机加工、渗氮等工艺过程。从整个过程分析，只有在锻件和淬火回火过程中，才可能出现零件的表面缺陷。但是由于所有零件都是目视检查和磁检查，并且在失效发生后进行宏观断裂检查，没有发现缺陷，所以可以排除表面缺陷的可能性。 3.3 齿轮过载或受到较大外力冲击
当齿轮过载或受到较大外力冲击时，齿轮的工作负荷就会不稳定，容易造成齿轮根部出现疲劳裂纹甚至断裂。齿轮的啮合带动柴油机飞轮旋转，产生较大的冲击。工厂技术人员对齿轮的承载能力和安全系数进行了校核计算，得出材料的力学性能符合标准要求。当零件的加工质量满足设计要求时，齿轮能够承受驱动柴油机飞轮所需的外力。因此，有可能消除外力使齿轮过载的可能性。
3.4 齿轮装配不良
不适当的齿轮装配会导致工作条件恶化。当安装空气马达齿轮，如果过程不遵循，螺栓收紧序列是错误的或拧紧力矩不平等，这将导致齿轮装配后偏离正确位置，和相互啮合的齿轮轴不平行，导致偏心载荷。齿轮齿因局部过载而断裂。
气动马达装配有严格的工艺规程，要求輸出齿轮与主机的飞轮齿圈的端面距离为3-5mm，齿侧间隙为0.6-1 mm。经实际测量，端面间隙为3.9mm，齿侧间隙为0.82 mm，均符合安装位置要求，由此可以排除装配不良造成打齿的原因。
3.5 两齿轮啮合中心距不符合要求
柴油机飞轮齿圈轮齿与气动马达轮齿啮合时，两齿轮安装孔的中心距如果不符合要求，可能会造成齿轮啮合位置和间隙发生变化，致使齿轮受力状况恶化，最终引起“啃齿”或“断齿”等故障。
通过调整校对柴油机飞轮轴线与气动马达齿轮轴线平行度，使其符合工艺规程要求。但依旧存在启动马达打齿现象，因此可以排除啮合中心距不符合要求的因素。
3.6 齿轮制造误差
影响齿轮啮合和受力状态的制造误差主要包括齿形误差、齿向误差和齿根圆角误差。齿形误差是指齿形工作部件中包含实际齿形的两个理想齿形（渐开线）之间的法向距离。在实际加工过程中，不可能获得完全正确的渐开线齿形，总是存在各种误差，影响传动的平顺性，产生操作冲击。齿向误差是指在分度圆柱面上齿宽有效部分内包含实际齿线的最小距离的两条设计齿线之间的端面距离。从理论上讲，直齿圆柱齿轮的瞬时接触线是一条平行于轴线的直线。事实上，由于齿轮加工误差的存在，接触线不能分布在全齿宽上，导致偏心负载。在严重的情况下，由于对齿轮齿部分的过度负荷而发生齿断裂。
齿轮齿根圆角半径偏小，会造成齿轮根部应力集中，出现齿轮轮齿全齿折断的几率很大。由于故障件已严重损坏，无法进行检测，故对同批次未使用的柴油机飞轮齿圈轮齿和气动马达驱动齿轮（各两件）进行全面检测，发现气动马达轮齿倒角较小，其他未发现问题。
4 气动马达打齿故障分析处理
船、厂两方技术人员从气动马达工作原理入手，全程分析故障原因。在进行气动试验时发现，在常按电磁阀按钮使压缩空气持续进入气动马达过程中，气动马达齿轮与飞轮齿圈轮齿会发生二次或三次碰撞，并产生火星，这就说明压缩空气进气不足。当压缩空气低于0.4MPa时，复位弹簧力大于空气压力，由此驱动气动马达齿轮回弹，脱离与齿圈齿轮的啮合。当压缩空气压力大于0.4MPa时，此时压力大于复位弹簧压力，气动马达齿轮前行再次与齿圈齿轮啮合，而此时飞轮齿圈已经高速旋转，与前行的气动马达齿轮发生碰撞，产生火星，因此导致齿轮轮齿折断和齿损。
故障处理过程：
①调整气动马达气动压力至0.75MPa。再次做启动实现，发现故障现象仍未消除。
②把？准27mm的压缩空气供给管路增大到？准48mm，打齿故障现象消除。
5 结论
TMY6QDFY型预啮合式气动马达出现频繁打齿现象，经过检验和排查，排除了齿轮材料和机械性能的缺陷、齿轮表面缺陷、齿轮过载或受到较大外力冲击、齿轮装配不良、两齿轮啮合中心距不符合要求、齿轮制造误差等原因，在气动实验中发现是压缩空气供给管路细导致。压缩空气在管路中流动，会产生压降，当压力低于0.4MPa时，输出齿轮在复位弹簧作用下回弹。当压力大于0.4MPa时，输出齿轮弹出与正在旋转的飞轮齿圈碰撞，造成打齿和齿损。
因此在TMY6QDFY型预啮合式气动马达实际安装过程中需要注意压缩空气供给量是否满足马达的需要，必要时增大压缩空气供给管路的直径，增大供气量，避免打齿现象的出现。
参考文献：
[1]夏申琳，王刚，李雪峰.某设备驱动齿轮失效原因分析[J].金属加工（热加工），2018（10）：4-6.
[2]朱智阳.20CrMnTi齿轮断裂原因分析[J].金属加工（热加工），2010（21）.
Abstract： During the commissioning process of the TMY6QDFY pre-meshing air motor， the starting device of the Weichai generator prime mover diesel engine， the phenomenon of starting motor gears frequently occurred. After inspection and investigation， the real reason for the gear toothing was found out， and targeted suggestions were made.
关键词：打齿;失效分析;故障处理
Key words： tooth punching;failure analysis;fault handling
中图分类号：TK429 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0131-02
0 引言
TMY6QDFY型预啮合式气动马达可作为潍柴发电机原动柴油机的启动装置。2017年上半年，某中标船在厂修中更换三台潍柴生产的柴油机作为航标作业电力供给使用，选择配用TMY6QDFY型预啮合式气动马达。在调试过程中，频繁发生启动马达齿轮打齿现象，由此，柴油机飞轮齿圈存在不同程度的齿损现象。
1 气动马达打齿故障描述
发电付机安装完成后，进行设备调试。在启动试验中，发现1号付机不能启动，启动马达空转，停车后检查发现，启动马达齿轮轮齿全部折断，与之啮合的付机飞轮齿圈轮齿内侧部分存在不同程度的齿损现象。厂方技术人员分析故障后，得出结论是由于操作不当，进行二次启动，导致打齿。但更换新的启动马达后，重新开机试验，依旧存在打齿现象。
2 TMY6QDFY型预啮合式气动马达简介
2.1 TMY6QDFY型预啮合式气动马达的特点
TMY6QDFY型预啮合式气动马达是以压缩空气作为动力源，驱动其工作从而起动柴油机。具有以下优点：
①该马达采用预啮合结构，即先啮合后起动，预啮合实现输出齿轮与柴油机飞轮齿圈准确啮合到位，能够避免损伤柴油机的飞轮齿圈及马达输出齿轮的问题。②马达的主要零件采用合金钢制造，采用精密加工和专业热处理，保证了马达的卓越性能和长久寿命。③该马达具有防火、防爆、体积小、功率大、无极调速及过载保护等特点，尤其在恶劣环境下工作安全可靠。
2.2 TMY6QDFY型预啮合式气动马达的工作原理
TMY6QDFY型预啮合式气动马达由动力部分和输出部分组成，动力部分为叶片式气动马达。柴油机启动时，按下电磁阀开关后，压缩空气通过输出部分的预啮合进气口进入，推动输出轴伸直并自动调整，使输出齿轮与飞轮进入正确的啮合位置。当输出齿轮到达指定位置时，压缩空气通过预啮合的出风口连接到空气继电器上。此时，打开主空气回路，压缩空气进入叶片式空气电机的动力腔，带动电机旋转，从而启动柴油机。当柴油机启动时，可以用超越离合器超越电机，以防止大齿圈带动电机转动。最后松开启动开关，切断供气，输出档位自动返回完成启动过程（电机管路控制系统由二位三通电磁阀控制）。
2.3 技术特征
①主要技术参数：最大工作气压不大于0.8MPa下使用，不同气压下的主要参数如表1所示。
②输出齿轮参数。
3 TMY6QDFY型预啮合式气动马达启动齿轮断裂原因失效分析
3.1 齿轮材料和机械性能的缺陷
电机输出齿轮材料为42CrMo，热处理方法为调质。拉伸强度Rm要求为1000-1200MPa。实际材料选择和热处理要求均符合相关标准。
如果回火后材料的抗拉强度在齿轮生产过程不符合指定的要求，齿轮的承载能力将大大降低，導致疲劳损伤与断裂的齿轮齿轴承大负载的情况下很长一段时间。为此，对两个故障齿轮的材料和力学性能进行了测试。从试验结果来看，两个齿轮的化学成分符合GB/T3077-2015《合金结构钢》的标准要求。被测零件的核心硬度为286-303 HV，换算抗拉强度为913-974MPa，略低于拉制要求的1000-1200MPa，但满足42CrMo的最佳热处理范围。
因此，从理论分析来看，实际抗拉强度低不是齿轮齿断裂的原因。因此，可以排除齿轮材料和机械性能的因素。
3.2 齿轮表面存在缺陷
如果齿轮表面存在裂纹、缝隙等锻造或热处理缺陷，会引起局部应力集中。齿轮在运行过程中，缺陷会逐渐扩大，最终发生疲劳断裂。两个齿轮先后经历了锻造、淬火回火、机加工、渗氮等工艺过程。从整个过程分析，只有在锻件和淬火回火过程中，才可能出现零件的表面缺陷。但是由于所有零件都是目视检查和磁检查，并且在失效发生后进行宏观断裂检查，没有发现缺陷，所以可以排除表面缺陷的可能性。 3.3 齿轮过载或受到较大外力冲击
当齿轮过载或受到较大外力冲击时，齿轮的工作负荷就会不稳定，容易造成齿轮根部出现疲劳裂纹甚至断裂。齿轮的啮合带动柴油机飞轮旋转，产生较大的冲击。工厂技术人员对齿轮的承载能力和安全系数进行了校核计算，得出材料的力学性能符合标准要求。当零件的加工质量满足设计要求时，齿轮能够承受驱动柴油机飞轮所需的外力。因此，有可能消除外力使齿轮过载的可能性。
3.4 齿轮装配不良
不适当的齿轮装配会导致工作条件恶化。当安装空气马达齿轮，如果过程不遵循，螺栓收紧序列是错误的或拧紧力矩不平等，这将导致齿轮装配后偏离正确位置，和相互啮合的齿轮轴不平行，导致偏心载荷。齿轮齿因局部过载而断裂。
气动马达装配有严格的工艺规程，要求輸出齿轮与主机的飞轮齿圈的端面距离为3-5mm，齿侧间隙为0.6-1 mm。经实际测量，端面间隙为3.9mm，齿侧间隙为0.82 mm，均符合安装位置要求，由此可以排除装配不良造成打齿的原因。
3.5 两齿轮啮合中心距不符合要求
柴油机飞轮齿圈轮齿与气动马达轮齿啮合时，两齿轮安装孔的中心距如果不符合要求，可能会造成齿轮啮合位置和间隙发生变化，致使齿轮受力状况恶化，最终引起“啃齿”或“断齿”等故障。
通过调整校对柴油机飞轮轴线与气动马达齿轮轴线平行度，使其符合工艺规程要求。但依旧存在启动马达打齿现象，因此可以排除啮合中心距不符合要求的因素。
3.6 齿轮制造误差
影响齿轮啮合和受力状态的制造误差主要包括齿形误差、齿向误差和齿根圆角误差。齿形误差是指齿形工作部件中包含实际齿形的两个理想齿形（渐开线）之间的法向距离。在实际加工过程中，不可能获得完全正确的渐开线齿形，总是存在各种误差，影响传动的平顺性，产生操作冲击。齿向误差是指在分度圆柱面上齿宽有效部分内包含实际齿线的最小距离的两条设计齿线之间的端面距离。从理论上讲，直齿圆柱齿轮的瞬时接触线是一条平行于轴线的直线。事实上，由于齿轮加工误差的存在，接触线不能分布在全齿宽上，导致偏心负载。在严重的情况下，由于对齿轮齿部分的过度负荷而发生齿断裂。
齿轮齿根圆角半径偏小，会造成齿轮根部应力集中，出现齿轮轮齿全齿折断的几率很大。由于故障件已严重损坏，无法进行检测，故对同批次未使用的柴油机飞轮齿圈轮齿和气动马达驱动齿轮（各两件）进行全面检测，发现气动马达轮齿倒角较小，其他未发现问题。
4 气动马达打齿故障分析处理
船、厂两方技术人员从气动马达工作原理入手，全程分析故障原因。在进行气动试验时发现，在常按电磁阀按钮使压缩空气持续进入气动马达过程中，气动马达齿轮与飞轮齿圈轮齿会发生二次或三次碰撞，并产生火星，这就说明压缩空气进气不足。当压缩空气低于0.4MPa时，复位弹簧力大于空气压力，由此驱动气动马达齿轮回弹，脱离与齿圈齿轮的啮合。当压缩空气压力大于0.4MPa时，此时压力大于复位弹簧压力，气动马达齿轮前行再次与齿圈齿轮啮合，而此时飞轮齿圈已经高速旋转，与前行的气动马达齿轮发生碰撞，产生火星，因此导致齿轮轮齿折断和齿损。
故障处理过程：
①调整气动马达气动压力至0.75MPa。再次做启动实现，发现故障现象仍未消除。
②把？准27mm的压缩空气供给管路增大到？准48mm，打齿故障现象消除。
5 结论
TMY6QDFY型预啮合式气动马达出现频繁打齿现象，经过检验和排查，排除了齿轮材料和机械性能的缺陷、齿轮表面缺陷、齿轮过载或受到较大外力冲击、齿轮装配不良、两齿轮啮合中心距不符合要求、齿轮制造误差等原因，在气动实验中发现是压缩空气供给管路细导致。压缩空气在管路中流动，会产生压降，当压力低于0.4MPa时，输出齿轮在复位弹簧作用下回弹。当压力大于0.4MPa时，输出齿轮弹出与正在旋转的飞轮齿圈碰撞，造成打齿和齿损。
因此在TMY6QDFY型预啮合式气动马达实际安装过程中需要注意压缩空气供给量是否满足马达的需要，必要时增大压缩空气供给管路的直径，增大供气量，避免打齿现象的出现。
参考文献：
[1]夏申琳，王刚，李雪峰.某设备驱动齿轮失效原因分析[J].金属加工（热加工），2018（10）：4-6.
[2]朱智阳.20CrMnTi齿轮断裂原因分析[J].金属加工（热加工），2010（21）.