齒輪箱強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程江超

(湖南航翔燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

空氣中，任何相互接觸又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體都會(huì)產(chǎn)生摩擦，有了摩擦就會(huì)消耗能量。在一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪箱中，這種能量消耗也是存在的，因此強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)在齒輪箱實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中起到了非常關(guān)鍵的作用。為了提高齒輪箱的工作效率，延長(zhǎng)其使用壽命，需設(shè)計(jì)一套與之匹配的強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，本文為某試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的增速設(shè)備齒輪箱設(shè)計(jì)了強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)。

1 強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)技術(shù)要求

某增速設(shè)備齒輪箱傳遞功率為750 kW，額定轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，使用L-HM46抗磨液壓油作為潤(rùn)滑介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。齒輪箱內(nèi)部的潤(rùn)滑點(diǎn)及噴嘴的設(shè)置由齒輪箱設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，提供了齒輪箱進(jìn)油、回油的接口尺寸和接口圖。強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)技術(shù)要求如下：

供油溫度(℃)：常溫～60可調(diào)；

供油流量(L/min)：40 ；

供油壓力(MPa)：0.2～0.35可調(diào)；

吸油過濾精度(μm)：80；

供油過濾精度(μm)：20；

回油溫度(℃)：小于80；

回油流量：與供油總流量相等；

回油方式：自重回油;

回油過濾精度(μm)：50。

測(cè)試參數(shù)與精度要求如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)與精度要求

2 繪制潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)增速設(shè)備齒輪箱的技術(shù)要求繪制其潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。該強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)的原理是潤(rùn)滑油站對(duì)齒輪箱進(jìn)行供油過濾、冷卻和潤(rùn)滑。由于潤(rùn)滑系統(tǒng)回油方式為自重回油，沒有較大的壓力差，如果采用回油冷卻方式會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失，容易引起回油不通暢，因此采用供油冷卻的方式。

供油泵組經(jīng)過吸油過濾器8把油箱中的潤(rùn)滑油抽出，通過供油過濾器13和水冷卻器等進(jìn)入增速設(shè)備齒輪箱，從而給齒輪箱各所需潤(rùn)滑點(diǎn)提供潤(rùn)滑和冷卻。系統(tǒng)的供油壓力通過壓力傳感器16進(jìn)行采集，由電動(dòng)球閥10進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，由溢流閥9進(jìn)行超壓保護(hù)。油箱裝有液位液溫計(jì)2，可以直觀地看到油箱的液位和溫度；裝有最低液位報(bào)警器5，當(dāng)油箱液位不夠時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示操作人員進(jìn)行加油；還裝有油箱加熱器4、溫度傳感器7，配合系統(tǒng)的水冷卻器和溫度傳感器17對(duì)油箱和系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制。

1-放油球閥；2-液位液溫計(jì)；3-回油過濾器；4-油箱加熱器；5-液位報(bào)警器；6-空氣濾清器；7-溫度傳感器；8-吸油過濾器；9-溢流閥；10，14-電動(dòng)球閥；11-壓力表；12，15，18-球閥；13-供油過濾器；16-壓力傳感器；17-溫度傳感器

3 元器件的選型計(jì)算

3.1 供油泵組

根據(jù)供油流量為40 L/min的要求，選用流量為50 L/min的外嚙合齒輪油泵，油泵的容積效率在90%以上，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。匹配電機(jī)的功率P電機(jī)(kW)計(jì)算公式為：

(1)

其中：p為泵的額定壓力，選取p=0.35 MPa；q為泵的額定流量，選取q=40 L/min；η總為泵的總效率，齒輪泵的效率一般為65%。

將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得：P電機(jī)=0.36 kW。為了使電機(jī)不長(zhǎng)期在滿功率狀態(tài)下工作，故選用0.75 kW的電機(jī)。

3.2 油箱加熱器

由于油液最佳的工作溫度在40 ℃左右，因此在北方或是天氣比較寒冷的地區(qū)必須安裝油箱加熱器。

加熱器功率P加熱器(kW)計(jì)算公式為:

(2)

(3)

其中：N為加熱器的發(fā)熱能力，W；C為油的比熱容，一般C=2 kJ/(kg·K)；r為油的密度，r=900 kg/m3；V為油箱內(nèi)油液的體積，一般按供油流量的3倍～5倍選取，這里取V=150 L；A為油箱加熱后的溫升，一般取A=30 ℃；T為加熱時(shí)間，T=1 800 s；η熱為熱效率，取η熱=80%。

將數(shù)值代入式(2)、式(3)計(jì)算得：P加熱器=5.6 kW。選用6 kW的加熱器就能滿足使用要求。

3.3 水冷卻器

3.3.1 計(jì)算冷卻水流量

選用板式水冷卻器,熱介質(zhì)采用L-HM46抗磨液壓油，冷介質(zhì)為循環(huán)水。熱介質(zhì)發(fā)熱量Qf(W)為：

(4)

其中：qv1為熱介質(zhì)流量，取qv1=2.4 m3/h ；C1為熱介質(zhì)比熱容，C1=2 kJ/(kg·K)；r1為熱介質(zhì)密度，取r1=900 kg/m3；T1為熱介質(zhì)進(jìn)口溫度，取T1=80 ℃；T2為熱介質(zhì)出口溫度，取T2=50 ℃。

冷介質(zhì)散熱量Qs(W)計(jì)算公式為：

(5)

其中：qv2為冷介質(zhì)流量，一般取熱介質(zhì)流量的1.5倍，qv2=3.6 m3/h；C2為冷介質(zhì)比熱容，取C2=4 kJ/(kg·K)；r2為冷介質(zhì)密度，取r2=1 000 kg/m3；t1為冷介質(zhì)進(jìn)口溫度，取t1=30 ℃；t2為冷介質(zhì)出口溫度，取t2= 45 ℃。

將數(shù)值代入式(4)、式(5)計(jì)算得：Qf=36 000 W、Qs=60 000 W。Qf

3.3.2 計(jì)算平均對(duì)數(shù)溫差

平均對(duì)數(shù)溫差Δtm(℃)的計(jì)算公式為：

(6)

將數(shù)值代入式(6)計(jì)算得：Δtm=26.8 ℃。

3.3.3 計(jì)算散熱面積

散熱面積F( m2)計(jì)算公式為：

(7)

其中：l為功率損失系數(shù)，一般l為0.8～0.9，取l=0.9；k為總換熱系數(shù)，水-油換熱時(shí)k為 400 W/(m2·K)～700 W/(m2·K)，取k=700 W/(m2·K)。

將數(shù)值代入式(7)計(jì)算得：F=2.13 m2。選用散熱面積2 .5 m2的冷卻器就能滿足使用要求。

3.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)管徑的計(jì)算與確定

3.4.1 供油管路的選型計(jì)算

供油管內(nèi)徑d供(mm)的計(jì)算公式為：

(8)

其中：Q為管路流量，取Q=40 L/min；v供為供油流速，壓力管路一般流速為2.5 m/s～6 m/s，由于壓力較低，取v供=2.5 m/s。

將數(shù)值代入式(8)計(jì)算得：d供≥18.44 mm。 因潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力較低，一般鋼管壁厚都可以滿足要求，這里選用內(nèi)徑為Φ20 mm、壁厚1.5 mm的鋼管。

3.4.2 回油管路的選型計(jì)算

回油方式為自重回油，流速比較低，一般為0.2 m/s?；赜凸軆?nèi)徑d回(mm)的計(jì)算公式為：

(9)

其中：v回為回油流速，取v回=0.2 m/s。

將數(shù)值代入式(9)計(jì)算得：d回≥65.2 mm?；赜凸苈坊静怀惺軡?rùn)滑油帶給的壓力，這里選用內(nèi)徑為Φ65 mm、壁厚為2.5 mm的鋼管就能滿足要求。

3.4.3 其他管路的選型

潤(rùn)滑系統(tǒng)除了供油管路和回油管路還有溢流管路和軟管。溢流管路管徑大小是根據(jù)油泵的功率大小與供油流量多少進(jìn)行選擇，一般是和供油管路管徑大小一致。在潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡量不使用軟管，但像試驗(yàn)臺(tái)與齒輪箱進(jìn)油、回油的連接處都會(huì)使用一截軟管，便于齒輪箱的安裝和位置調(diào)節(jié)。

3.5 其他元件的選型

(1) 油箱為開式油箱，容積按供油流量的3倍～5倍進(jìn)行選擇，油箱容積選150 L。

(2) 液位液溫計(jì)、液位報(bào)警器是根據(jù)油箱的有效容積、溫度范圍和液位高度進(jìn)行選擇，這里選高度為0 mm～200 mm、溫度為0 ℃～100 ℃的液位液溫計(jì)。

(3) 空氣濾清器是根據(jù)油箱的容積和供油流量的大小進(jìn)行選擇，這里選用加油流量為21 L/min、空氣流量為170 L/min的空氣濾清器。

(4) 過濾器是根據(jù)過油流量的3倍～5倍及使用的功能進(jìn)行選擇。吸油過濾器選用低壓力等級(jí)，流量為160 L/min～200 L/min，過濾精度為80 μm；供油過濾器選用低壓力等級(jí)，流量為120 L/min～160 L/min，過濾精度為20 μm；回油過濾器選用低壓力等級(jí)，流量為1 000 L/min～1 200 L/min(自重回油方式，流量必須考慮充足)，過濾精度為50 μm。

(5) 壓力傳感器及壓力表是根據(jù)系統(tǒng)壓力和供油泵的額定壓力來進(jìn)行選擇的，這里選測(cè)量范圍為0 MPa～1 MPa，測(cè)量精度為±0.5%的壓力傳感器和壓力表。

(6) 溫度傳感器是根據(jù)系統(tǒng)的供油溫度和回油溫度范圍來進(jìn)行選擇，這里選測(cè)量范圍為0 ℃～100 ℃，測(cè)量精度為±1 ℃的溫度傳感器。

(7) 溢流閥、電動(dòng)球閥、放油閥、球閥是根據(jù)使用點(diǎn)潤(rùn)滑油流量、壓力和工作溫度來進(jìn)行選擇，供油、溢流油路上閥門選用內(nèi)徑為20 mm，回油路上閥門選用內(nèi)徑為65 mm。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)設(shè)備齒輪箱進(jìn)行實(shí)際工況分析，根據(jù)齒輪箱對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套齒輪箱強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，繪制了潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖，并對(duì)元器件進(jìn)行了計(jì)算、分析選型，可為今后各種設(shè)備齒輪箱強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。