工業(yè)齒輪箱功率損失分析

董延慶

（弗蘭德傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，天津 300400）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，由于控制信號的變化，齒輪的轉(zhuǎn)速會(huì)隨之變化，會(huì)有一定的熱功率損失，使部分能量被消耗。在齒輪箱設(shè)計(jì)過程中，需要掌握科學(xué)的方式方法，最大程度降低可能出現(xiàn)的功率損失，實(shí)現(xiàn)有效功率的高效利用，延長齒輪箱的使用壽命，滿足高精度工業(yè)生產(chǎn)加工的要求。

1 工業(yè)齒輪箱運(yùn)行狀況

輪箱運(yùn)行過程中，造成功率損失的影響因素較多，需要從多個(gè)角度進(jìn)行有針對性的研究，才能得到比較系統(tǒng)的結(jié)論。其中功率損失主要來自于齒輪嚙合損失、攪油損失、軸承損失等。從已有的一些研究理論可以看出，齒輪箱運(yùn)行的速度與造成功率損失的原因有一定的差異。在齒輪箱運(yùn)行過程中產(chǎn)生的功率損失來自多個(gè)方面，并且不同轉(zhuǎn)速會(huì)有不同的功率損失。因此在計(jì)算過程中，應(yīng)從齒輪箱實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度來確定相應(yīng)的計(jì)算方法。齒輪低速運(yùn)行過程中，軸承損失和齒輪嚙合損失往往占較大部分。

目前，針對工業(yè)齒輪箱功率損失的計(jì)算已經(jīng)形成了系統(tǒng)性的計(jì)算方法，通過一些專業(yè)的計(jì)算就可以得到比較合理的數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用這些計(jì)算公式前，需要忽略一些影響較小的因素，比如在低速情況下可以略影響較小的一些功率損失，盡管可能會(huì)造成一定的計(jì)算誤差，但總體來說還是處于比較合理的誤差范圍內(nèi)。

2 工業(yè)齒輪箱功率損失計(jì)算方法

2.1 攪油損失

攪油損失可以通過Townsend 提出的計(jì)算公式計(jì)算。造成攪油損失的因素有許多種，主要包括油的黏度、環(huán)境溫度、浸油深度等。在機(jī)械構(gòu)件旋轉(zhuǎn)過程中，由于潤滑的需要，這些部件會(huì)長期保持在油中的狀態(tài)。根據(jù)壓強(qiáng)公式計(jì)算可知，如果在油的深度較大，就會(huì)導(dǎo)致油體造成的阻力較大，從而造成攪油損失值較大。而螺旋角齒輪齒面寬度是劃過狀態(tài)，因此損失值較低。從世界范圍內(nèi)接受的情況分析，主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)來自于英國，并且在該標(biāo)準(zhǔn)中提供了相應(yīng)的計(jì)算公式，充分考慮了各種影響因素，得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確。這些標(biāo)準(zhǔn)將攪油損失分為了3 個(gè)方面，分別來自光軸外徑、盤光面以及齒面。分別應(yīng)用3 個(gè)不同的公式計(jì)算，最后累加起來得總攪油損失。

2.2 齒輪嚙合損失

齒輪嚙合損失主要從2 個(gè)方面計(jì)算，分別為滑動(dòng)摩擦損失及滾動(dòng)摩擦損失。之所以分為2 個(gè)方面，主要是因?yàn)辇X輪運(yùn)行過程中接觸位置不同，應(yīng)用的計(jì)算公式也有較大差別。其中滾動(dòng)摩擦損失主要通過滾動(dòng)速度以及潤滑油膜厚度計(jì)算。計(jì)算的過程中要考慮摩擦因數(shù)的影響，摩擦因數(shù)由不同條件約束，其中主要來自于齒輪節(jié)圓線速度，這樣的計(jì)算方法比較合理，但無法應(yīng)用于高速齒輪的計(jì)算過程。在滑動(dòng)摩擦損失的計(jì)算過程中，可以通過一些基本測試獲取滾動(dòng)摩擦力。如果僅通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)估，誤差會(huì)比較大，很可能出現(xiàn)計(jì)算出錯(cuò)。在其他的研究成果中，Anderson 還提出了一些修改損失摩擦因數(shù)的方法，通過相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行在線修正，但這種方法只適應(yīng)于特定場合，主要以螺旋齒輪為主，其他應(yīng)用場合無法使用。

2.3 軸承損失

不同工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的齒輪箱有較大差別，特別是具有不同形態(tài)的軸承，造成的功率損失具有較大差異，因此需要使用不同的方法計(jì)算。一般來說，應(yīng)用圓錐滾子軸承比較多，計(jì)算功率損失時(shí)，可視為滾動(dòng)軸承摩擦力矩和軸承角速度的乘積，通過相應(yīng)的參數(shù)變化，就可以得到比較可靠的計(jì)算結(jié)果。工業(yè)齒輪箱高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承損失較大，需要對此進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。與上述兩種功率損失相比，軸承損失的計(jì)算過程相對簡單，應(yīng)用一些基本的計(jì)算方法就可以得到精確性較高的數(shù)值。

3 工業(yè)齒輪箱功率損失計(jì)算過程

3.1 獲取正確的技術(shù)參數(shù)

計(jì)算工業(yè)齒輪箱功率損失之前，要結(jié)合實(shí)際狀況獲取到可靠的技術(shù)參數(shù)，包括齒輪傳動(dòng)比、齒輪中心距、齒輪直徑等。一般來說，這些參數(shù)在出廠前會(huì)在說明書上說明，閱讀說明書就可以找到這些參數(shù)，在必要的情況下也可以尋求廠家查詢一些真實(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)信息。如果不能通過這些途徑獲取正確的數(shù)據(jù)，也可以通過實(shí)驗(yàn)測試的方法獲取。特別是齒輪箱經(jīng)過長期運(yùn)行后，往往會(huì)有較大的損耗，一些基本參數(shù)指標(biāo)都已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，與出廠值存在一定的差異，通過實(shí)驗(yàn)測試的方法才能得到真實(shí)準(zhǔn)確的參數(shù)值。

3.2 參數(shù)對功率損失的影響

選擇不同的參數(shù)能夠?qū)X輪箱功率損失造成影響，特別是在齒輪轉(zhuǎn)速不同的情況下，同一項(xiàng)參數(shù)也能帶來不同的影響。因此需要做好控制變量的研究，針對每項(xiàng)具體參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測量，最終得到比較可靠的結(jié)論。分析不同參數(shù)造成影響的比重，依據(jù)得到的比重值，對齒輪箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量將一些影響程度比較大的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此降低齒輪箱功率損失的程度，提高能量的使用效率。根據(jù)采集到的各項(xiàng)參數(shù)信息，分析齒輪箱熱平衡，得到真實(shí)的熱平衡溫度，有利于在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，對齒輪箱所能造成的溫度散熱情況進(jìn)行在線預(yù)估，采取相應(yīng)的散熱措施，確保齒輪箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 確保齒輪箱處于高效的工作環(huán)境

總體來說，影響工業(yè)齒輪箱功率損失的原因很多，無法通過參數(shù)計(jì)算逐一優(yōu)化，只能針對一些影響程度較大的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了確保齒輪箱在運(yùn)行過程中達(dá)到較好的應(yīng)用效果，需要加強(qiáng)廠家和生產(chǎn)單位之間的溝通聯(lián)系，提供更加合理的工作環(huán)境，確保齒輪箱運(yùn)行在高效的工作狀態(tài)。可以通過散熱系數(shù)和散熱面積的計(jì)算確定散熱方法，引進(jìn)自動(dòng)控制裝置，根據(jù)散熱系數(shù)以及散熱面積的計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，確保齒輪箱高效運(yùn)行。

3.4 維護(hù)保養(yǎng)

工業(yè)齒輪箱的功率損失不是處于持續(xù)恒定狀態(tài)，而是隨著各種因素變化而持續(xù)變化，特別是在工業(yè)齒輪箱長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會(huì)帶來一些機(jī)械損耗以及潤滑油的性質(zhì)變化，就會(huì)出現(xiàn)同樣的運(yùn)行狀況下有不同的功率損失。一般情況下，經(jīng)過長期運(yùn)行的工業(yè)齒輪箱功率損失值會(huì)有所增加，需要在應(yīng)用過程中做好維護(hù)保養(yǎng)工作。結(jié)合齒輪箱的性能需求以及生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)周期，盡量降低齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的功率損失。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，要能夠結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場合進(jìn)行充分分析，考慮到齒輪箱可能面臨的各項(xiàng)真實(shí)工作狀態(tài)。針對一些高精度應(yīng)用場合下，需要定期測量功率損失值，嚴(yán)格確保參數(shù)達(dá)標(biāo)，才能夠投入使用。應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息化設(shè)備來加強(qiáng)對工業(yè)齒輪箱的監(jiān)督和管理，一旦發(fā)現(xiàn)在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在的誤差超過了特定的閾值，要提醒工作人員及時(shí)進(jìn)行檢查維護(hù)。盡量確保齒輪箱工作在合適的環(huán)境下，避免一些極端氣候條件帶來不利影響，避免齒輪箱的一些基本性能改變而影響生產(chǎn)。

4 結(jié)語

分析工業(yè)齒輪箱功率損失計(jì)算過程和基本的計(jì)算方法?？傮w來說，工業(yè)齒輪箱運(yùn)行過程環(huán)境比較復(fù)雜，各種因素都能對功率損失值造成影響，因此需要結(jié)合具體情況進(jìn)行分析，并且對不同的參數(shù)影響進(jìn)行對比，確定出影響比重值。對影響較大的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工業(yè)齒輪箱運(yùn)行過程中的能量利用率。