供油壓力對(duì)齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗(yàn)研究

吳森林，向宏輝，顧楊，唐凱，張曉良

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

供油壓力對(duì)齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗(yàn)研究

吳森林，向宏輝，顧楊，唐凱，張曉良

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

目前大功率齒輪箱仍采用強(qiáng)制供油的方式進(jìn)行潤(rùn)滑，其供油壓力越大潤(rùn)滑程度越好，但同時(shí)產(chǎn)生的傳遞扭矩?fù)p失也越大。針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中供油壓力不穩(wěn)定問(wèn)題，開(kāi)展了供油壓力對(duì)齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗(yàn)研究，建立了齒輪箱扭矩?fù)p失隨轉(zhuǎn)速、供油壓力的數(shù)據(jù)模型和扭矩修正方法，并在小功率壓氣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該扭矩修正模型能消除供油壓力不穩(wěn)定造成的齒輪箱傳遞扭矩差異的影響，可在一定程度上提高小功率壓氣機(jī)低速性能試驗(yàn)評(píng)估的準(zhǔn)確性。

傳動(dòng)系統(tǒng)；齒輪箱；壓氣機(jī)；供油壓力；扭矩測(cè)量；修正模型

1　引言

齒輪傳動(dòng)效率是指齒輪在功率傳輸和旋轉(zhuǎn)嚙合過(guò)程中，由于受摩擦和拖曳作用導(dǎo)致的功率損失。對(duì)于單對(duì)齒輪副，其功率損失包括摩擦損失、風(fēng)阻損失和攪油損失。其中摩擦損失和風(fēng)阻損失主要受齒輪副轉(zhuǎn)速的影響（對(duì)于特定齒輪副，即與轉(zhuǎn)速相關(guān)），而攪油損失則受供油壓力（或供油量）的影響較大，并成正比關(guān)系。針對(duì)功率損失對(duì)傳動(dòng)效率的影響，國(guó)外開(kāi)展了大量的研究。Mihailidis等［1］推導(dǎo)了考慮表面粗糙度、溫度、非牛頓流體等情況下的摩擦系數(shù)。Yada［2］通過(guò)測(cè)量齒輪箱內(nèi)油溫的方法，獲得了齒輪的摩擦功率損失。Masatoshi等［3］利用試驗(yàn)的方法，研究了齒廓形狀、滑動(dòng)速度、載荷、齒面粗糙度和潤(rùn)滑油粘度對(duì)摩擦功率損失的影響。Bones［4］測(cè)量了不同尺寸圓盤(pán)在多種潤(rùn)滑油中攪動(dòng)時(shí)的扭矩?fù)p失。Rob等［5］指出，高速輕載工況條件下，齒輪的風(fēng)阻功率損失與摩擦功率損失近似。Ikejo等［6］通過(guò)測(cè)量齒輪表面和潤(rùn)滑油溫度，分析了齒輪在不同潤(rùn)滑油的攪油功率損失。以上研究結(jié)果表明，齒輪傳動(dòng)的功率損失不僅與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度有關(guān)，還受到滑油溫度、粘度、供油量等因素的影響。

國(guó)內(nèi)針對(duì)齒輪的風(fēng)阻、攪油功率損失的研究較少。陳士煊［7］討論了航空齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)阻問(wèn)題，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的各機(jī)種方案，提出了抑制風(fēng)阻技術(shù)及措施，為風(fēng)阻功率損失計(jì)算提供建模參考。范曾智等［8］以潤(rùn)滑油溫升曲線，預(yù)測(cè)了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的攪油功率損失?；魰詮?qiáng)等［9］針對(duì)單齒輪傳動(dòng)箱體，通過(guò)攪油損失試驗(yàn)探討了攪油功率損失與轉(zhuǎn)速、靜態(tài)浸油深度及油溫之間的變化規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到單齒輪攪油損失計(jì)算公式。

中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院在某型壓氣機(jī)試驗(yàn)中，試驗(yàn)器齒輪增速器采用了懸掛式結(jié)構(gòu)，安裝于排氣道與壓氣機(jī)之間。用于獲取扭矩、轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，安裝于排氣道與動(dòng)力系統(tǒng)之間。扭矩的測(cè)量值包含壓氣機(jī)的扭矩、懸掛式齒輪箱的扭矩和排氣道軸系的扭矩（較小可忽略）。因此要準(zhǔn)確評(píng)估壓氣機(jī)的扭矩效率，就需要消除懸掛式齒輪箱傳遞效率的影響。壓氣機(jī)帶載試驗(yàn)前雖然進(jìn)行了懸掛式齒輪箱的空載調(diào)試，理論上可以排除齒輪箱單一部件產(chǎn)生的扭矩值，但由于設(shè)備供油系統(tǒng)老化，供油壓力受供油泵長(zhǎng)時(shí)間工作性能衰減的影響會(huì)逐步降低，以及所供滑油用于齒輪箱潤(rùn)滑冷卻，當(dāng)齒輪箱在工作過(guò)程中軸承溫度偏高時(shí)，工作人員將提高供油壓力，這就使得齒輪箱在帶載試驗(yàn)中的扭矩值與空載調(diào)試值存在一定偏差。這種偏差在大功率大流量壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中占比不大，但對(duì)小功率小流量壓氣機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能將造成較大影響。另外，根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范，在壓氣機(jī)效率評(píng)定中，低相對(duì)換算轉(zhuǎn)速下溫升效率誤差較大。目前壓氣機(jī)效率評(píng)定多采用扭矩效率，因此修正高速齒輪箱在不同真實(shí)試驗(yàn)工況下扭矩傳遞中的損失，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)定壓氣機(jī)低速特性具有重要意義。

2　試驗(yàn)研究方案

2.1試驗(yàn)方法

針對(duì)不同供油壓力下齒輪箱傳遞效率的測(cè)量問(wèn)題，最有效的方法是直接采用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載源進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。但目前國(guó)內(nèi)還很難找到一套滿足需要的大功率高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，因此本文采用通過(guò)空載調(diào)試的方法，獲取齒輪箱在不同轉(zhuǎn)速與供油壓力條件下的扭矩值，進(jìn)而獲得不同轉(zhuǎn)速與供油壓力下懸掛式齒輪箱的功率消耗特性。然后根據(jù)壓氣機(jī)試驗(yàn)中各轉(zhuǎn)速下的供油壓力對(duì)扭矩進(jìn)行修正，最后得到修正后的壓氣機(jī)扭矩效率。

2.2試驗(yàn)設(shè)備

壓氣機(jī)試驗(yàn)器主體主要由進(jìn)氣室、懸掛式齒輪箱、排氣道、扭矩測(cè)速儀、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)件（測(cè)試壓氣機(jī)）位于進(jìn)氣室與懸掛式齒輪箱之間，所需功率由動(dòng)力系統(tǒng)輸出，經(jīng)扭矩測(cè)速儀、排氣道軸、懸掛式齒輪箱傳遞到試驗(yàn)件輸入軸上，如圖1所示。扭矩測(cè)速儀測(cè)得的功率（或扭矩），包括試驗(yàn)件和懸掛齒輪箱在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中共同消耗的功率（或扭矩）。因此，要準(zhǔn)確評(píng)估壓氣機(jī)的工作狀態(tài)，特別是高轉(zhuǎn)速小型壓氣機(jī)低相對(duì)換算轉(zhuǎn)速的效率特性，就必須排除懸掛式齒輪箱產(chǎn)生的額外負(fù)載。

圖1　壓氣機(jī)試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The abbreviated drawing of the compressor testing facility

懸掛式齒輪箱采用三分流結(jié)構(gòu)，輸入、輸出軸與設(shè)備軸系在同一軸線上，其潤(rùn)滑冷卻方式為強(qiáng)制供回油，潤(rùn)滑油質(zhì)為32號(hào)汽輪機(jī)油。

2.3測(cè)試系統(tǒng)

扭矩測(cè)量系統(tǒng)（圖2）主要由JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、二次儀表和計(jì)算機(jī)組成。JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將感受到的齒輪箱轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的交流電信號(hào)，然后經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)完成采集。

圖2　扭矩測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The abbreviated drawing of the torque measure equipment

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，供油溫度保持為環(huán)境溫度（12.8℃）。首先將高速齒輪箱供油壓力調(diào)至140 kPa，啟動(dòng)電機(jī)，將懸掛式齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速依次調(diào)至9 000、10 000、11 000、12 000、13 000、14 000、15 000、16 000、17 000、18 000 r/min，分別記錄扭矩測(cè)量系統(tǒng)測(cè)取的扭矩值和懸掛式齒輪箱供油壓力，降速過(guò)程中懸掛式齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速在17 000、16 000、15 000、14 000、13 000、12 000、11 000、10 000、9 000 r/min時(shí)也分別記錄了扭矩測(cè)量系統(tǒng)測(cè)取的扭矩值和懸掛式齒輪箱供油壓力。為盡可能減小測(cè)試誤差影響，數(shù)據(jù)記錄時(shí)采用瞬態(tài)采集模塊進(jìn)行多遍記錄取其平均值。然后將供油壓力分別調(diào)至120 kPa、100 kPa、85 kPa，重復(fù)升速和降速步驟。

圖3給出了不同供油條件下扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，圖中以85 kPa供油壓力下齒輪箱降速至9 000 r/min時(shí)的扭矩為零點(diǎn)值，其他狀態(tài)點(diǎn)的扭矩為相對(duì)零點(diǎn)值。可見(jiàn)，在升速或降速過(guò)程中，扭矩隨轉(zhuǎn)速基本呈線性變化，試驗(yàn)點(diǎn)的離散度較??；高轉(zhuǎn)速下升速和降速兩種狀態(tài)的扭矩差異較小，但低轉(zhuǎn)速時(shí)差異較明顯。圖4給出了各轉(zhuǎn)速下扭矩隨供油壓力的變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)，扭矩隨壓力的增大而增大，基本滿足線性關(guān)系，且不同轉(zhuǎn)速下的增幅（斜率）較為接近。

圖3　扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between torque and rotation speed

圖4　扭矩隨供油壓力的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between torque and oil supply pressure

由于試驗(yàn)中供油壓力不斷變化（圖5），且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)很難保證實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速完全一致（圖3），因此數(shù)據(jù)處理時(shí)首先采用插值的方法，將升速過(guò)程和降速過(guò)程的供油壓力、轉(zhuǎn)速調(diào)整至目標(biāo)值，求出對(duì)應(yīng)的扭矩值。其中，扭矩與供油壓力之間采用樣條插值，扭矩與轉(zhuǎn)速之間采用線性插值。然后建立起升速和降速過(guò)程中扭矩隨轉(zhuǎn)速、供油壓力的數(shù)據(jù)模型，如圖6、圖7所示。

圖5　齒輪箱供油壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between oil supply pressure and time

圖6　升速過(guò)程中數(shù)據(jù)模型Fig.6 The model of raising speed

圖7　降速過(guò)程中數(shù)據(jù)模型Fig.7 The model of reduction speed

從數(shù)據(jù)模型中提取出目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)供油壓力的狀態(tài)點(diǎn)，見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速下當(dāng)供油壓力（100 kPa、120 kPa）保持不變時(shí)，升、降速之間扭矩重合性較好；供油壓力85 kPa、140 kPa時(shí)，升、降速之間扭矩存在差異，可能與狀態(tài)點(diǎn)處于模型邊界、插值時(shí)存在外部插值導(dǎo)致誤差較大有關(guān)。因此，圖4中升、降速之間存在的扭矩值差異，可認(rèn)為是齒輪箱供油壓力變化所致。常規(guī)試驗(yàn)中，齒輪箱起始供油壓力一般控制在120 kPa左右，降速停車時(shí)供油壓力降至90 kPa左右。由圖8可知，供油壓力從120 kPa降至90 kPa時(shí)，扭矩降低了約2.4 N·m，當(dāng)壓氣機(jī)在大扭矩狀態(tài)下工作時(shí)，2.4 N·m的偏差對(duì)扭矩效率影響較??；但在小扭矩狀態(tài)（如壓氣機(jī)扭矩40 N·m）下工作時(shí)，扭矩效率偏差達(dá)6%。

圖8　模型中不同供油壓力下扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.8 The relationship between the torque and rotation speed at different oil supply pressure

從圖8中還可看出，當(dāng)齒輪箱供油壓力在100 kPa、120 kPa時(shí)，升、降速數(shù)據(jù)模型的重合性較好。因此本文以升速試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立修正模型，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備的供油能力和齒輪箱常規(guī)潤(rùn)滑環(huán)境，以供油壓力120 kPa為基準(zhǔn)對(duì)扭矩進(jìn)行修正。首先在升速數(shù)據(jù)模型中以120 kPa供油壓力下各轉(zhuǎn)速的扭矩值作為零點(diǎn)值，得到一個(gè)新的相對(duì)扭矩值修正模型，如圖9所示。表1給出了圖9模型中各轉(zhuǎn)速下供油壓力引起的扭矩偏差，可見(jiàn)供油壓力相差10 kPa引起的扭矩偏差在0.5～1.0 N·m范圍，且該偏差隨著供油壓力和轉(zhuǎn)速的增加而增大。因此，帶載試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量將齒輪箱供油壓力控制在120 kPa左右。到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)，記錄轉(zhuǎn)速、供油壓力和實(shí)測(cè)扭矩值，并將轉(zhuǎn)速和供油壓力通過(guò)數(shù)據(jù)修正模型插值得到修正扭矩，然后再用實(shí)測(cè)扭矩減去修正扭矩，最后得到齒輪箱在該轉(zhuǎn)速、供油壓力下的真實(shí)扭矩。

圖9　扭矩修正模型Fig.9 The revised model of torque

表1　各轉(zhuǎn)速下供油壓力引起的扭矩偏差N·mTable 1 The torque deviation caused by the oil supply pressure at different rotation speed

圖10　扭矩修正前后壓氣機(jī)特性線對(duì)比Fig.10 The comparison between the revised and original performance line

4　模型應(yīng)用結(jié)果

為驗(yàn)證上述修正模型的有效性，同時(shí)盡可能排除其他因素影響，在某小尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)中，通過(guò)不停車的形式，將懸掛式齒輪箱供油壓力分別調(diào)至121 kPa和110 kPa（供油溫度均為環(huán)境溫度13.4℃左右，與扭矩修正模型中環(huán)境溫度相差0.6℃，本文在此忽略溫差帶來(lái)的扭矩影響），錄取壓氣機(jī)30%相對(duì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)的特性線。從圖10可看出，不同供油壓力下，壓氣機(jī)部件的流量-壓比線重合性較好，但流量-效率線存在一定差異。具體表現(xiàn)為：齒輪箱供油壓力為110 kPa時(shí)的扭矩效率比121 kPa的扭矩效率高約1.4個(gè)相對(duì)百分點(diǎn)，經(jīng)扭矩修正模型修正后（將齒輪箱供油壓力按120 kPa對(duì)扭矩進(jìn)行修正），兩種供油狀態(tài)下得到的流量-效率線差異較小，峰值效率偏差為0.8個(gè)相對(duì)百分點(diǎn)，其真實(shí)扭矩效率偏差也在測(cè)量精度（1%）要求范圍內(nèi)。由此可看出，扭矩修正模型能較好地應(yīng)用在小功率壓氣機(jī)的低速性能錄取中，減小供油壓力不穩(wěn)定帶來(lái)的齒輪箱功率損失差異的影響，在一定程度上提高了小尺寸壓氣機(jī)性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。

5　結(jié)論

（1）供油壓力直接影響齒輪箱在高轉(zhuǎn)速下的扭矩傳遞效率，當(dāng)供油壓力相差10 kPa時(shí)，將引起齒輪箱傳遞扭矩發(fā)生0.5～1.0 N·m的偏差，并且該偏差隨著供油壓力和轉(zhuǎn)速的增加而增大。

（2）本文提出的扭矩修正模型能減小供油壓力不穩(wěn)定造成的齒輪箱傳遞扭矩差異的影響，可在一定程度上提高小功率壓氣機(jī)低速效率特性評(píng)定的準(zhǔn)確性。

（3）本研究方法開(kāi)展于常溫環(huán)境，當(dāng)帶載試驗(yàn)中環(huán)境溫度變化較大時(shí)，將會(huì)降低數(shù)據(jù)修正的準(zhǔn)確性，因此需進(jìn)一步開(kāi)展供油溫度對(duì)扭矩傳遞影響的研究。

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The experiment investigation on the influence of oil supply pressure on the gear box

WU Sen-lin，XIANG Hong-hui，GU Yang，TANG Kai，ZHANG Xiao-liang
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

Forced oil supply is widely used to lubricate the high power gear box，and it is known to all that the loss of the torque transmission would raise at better lubricate degree with high oil supply pressure.Focusing on the unstable oil supply pressure in compressor test，an experiment investigation on the oil supply pressure to torque transmission of the gear box was carried out，a model and revised method that torque varies with the rotate speed and oil supply pressure was developed，and a verification test with a low power compressor was done.The results indicate that the model could eliminate the influence on the torque transmission of the gear box caused by the oil supply pressure and improve the accuracy of the performance with the low power compressor test at low rotate speed to a certain extent.

drive system；gear box；compressor；oil supply pressure；torque transmission；revised model

V233.1；V241.06

A

1672-2620（2015）05-0033-04

2015-06-25；

2015-09-25

吳森林（1979-），男，四川鄰水人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事壓氣機(jī)試驗(yàn)研究。