行星減速器的溫度升高試驗

李越秀 張恒宇 田增陽 呂月月 李培杰

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 概述

減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用于降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩。其中，行星齒輪減速器具有減速比大、體積小、質(zhì)量輕、傳動效率高等優(yōu)點，目前廣泛應用于起重運輸機械、工程機械、冶金機械、礦山機械、船舶、汽車等行業(yè)，但因其結(jié)構(gòu)緊湊的特點，其熱面積相對較小、散熱條件較差，從而使傳動產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，過高的溫度可能會引起潤滑油變質(zhì)、軸承燒壞等諸多問題，進而大大降低了減速器的使用壽命。

本文分析了減速器熱量的產(chǎn)生、傳遞及散發(fā)過程，以某索道用行星減速器為研究對象，探究了溫度升高的影響因素，并提出了相應的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案，對減速器冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考。

1 減速器的熱平衡分析

1.1 熱量的產(chǎn)生

減速器連續(xù)工作時，產(chǎn)生的熱量是由功率損耗轉(zhuǎn)化而來的[1]，主要包括齒輪摩擦損失、軸承摩擦損失等與負載扭矩有關的損失，潤滑油攪拌損失、旋轉(zhuǎn)部件風阻損失等與負載扭矩無關的損失，其中旋轉(zhuǎn)部件風阻損失在功率損耗中占比較小，可以忽略不計[2]。

熱量計算公式為

式中：Q1為產(chǎn)生的熱量，η為減速器的傳動效率，P1為減速器輸入軸的傳動功率。

當減速器各對齒輪嚙合時，一方面，由于嚙合齒輪在嚙合點的速度差異引起了相對滑動摩擦損失；另一方面，由于潤滑油會在輪齒表面形成一層彈性動力油膜，在不均勻的油膜壓力下引起了滾動摩擦損失。減速器軸承的滾動體與其內(nèi)外圈、保持架、潤滑油及密封圈等均存在摩擦損失。已有研究表面，齒輪摩擦損失、軸承摩擦損失均隨負載扭矩的增加而增加[3]。

當齒輪系在轉(zhuǎn)動時，會使?jié)櫥陀伸o止狀態(tài)變成擾動狀態(tài)，潤滑油攪拌損失的大小與潤滑油的物理性質(zhì)以及攪油齒輪的寬度、浸油深度、轉(zhuǎn)速等因素有關。有研究表明，潤滑油的運動粘度在油溫低于30℃時隨溫度變化較為明顯，潤滑油攪拌損失隨溫度的增加而降低較快；當油溫高于30℃時，潤滑油的運動粘度基本達到穩(wěn)定，潤滑油攪拌損失隨溫度的增加而減小幅度較小。隨著齒輪寬度、浸油深度、轉(zhuǎn)速的增加，攪油齒輪在攪動潤滑油時需要克服的慣性力也在明顯的增大，潤滑油攪拌損失增大較為明顯。

1.2 熱量的傳遞與散發(fā)

減速器產(chǎn)生的熱量主要存儲在齒輪、軸承、傳動軸以及潤滑油中，主要傳遞方式為熱傳導和熱對流[4]。齒輪摩擦、軸承摩擦產(chǎn)生的熱量分別進入齒輪體、軸承體后，一方面以熱傳導的形式把熱量依次傳遞給互相接觸的固體部件，另一方面，通過熱對流的形式把熱量傳遞給箱體中的潤滑油，箱體中的潤滑油及油氣混合物再以熱對流的形式把熱量傳遞給箱體內(nèi)壁。此時，箱體與外界環(huán)境發(fā)生著對流交換，進而把熱量散發(fā)到環(huán)境中，當減速器散發(fā)的熱量與其產(chǎn)生的熱量相等時，達到熱平衡狀態(tài)。減速器熱量傳遞示意圖如圖1所示。

圖1 智能物料搬運起重機控制系統(tǒng)框圖

1.3 熱平衡溫度的計算

熱平衡溫度是減速器連續(xù)工作時所產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量基本平衡，基本停止溫度升高時的潤滑油溫度。

在自然冷卻狀態(tài)下，減速器連續(xù)工作時，箱體表面排出的熱量可根據(jù)式(2)求出，即

式中：Q2為箱體表面排出的熱量；K為熱傳系數(shù)，在自然通風良好的地方取值14～17.5 W/（m2·℃），在自然通風較差的地方取值8.7～10.5W/（m2·℃）；S為散熱的計算面積，是內(nèi)表面能被油浸或飛濺到同時其所對應的外表面又能被空氣冷卻的箱體外表面面積；ty為任意時刻的潤滑油溫度；t0為周圍環(huán)境空氣的溫度，由減速器所放置的地點而定。

當減速器散發(fā)的熱量與其產(chǎn)生的熱量相等時，聯(lián)立式(1)和式(2)，可得減速器熱平衡時的溫度

可知減速器達到熱平衡時的溫度與熱量產(chǎn)生方面的傳動功率P1和傳動效率η有關，即與減速器傳遞的負載扭矩有關；與散熱方面的熱傳系數(shù)k和箱體的散熱面積S有關，常用的風冷卻、水管冷卻、潤滑油循環(huán)冷卻等冷卻方式都是基于散熱方面的改善措施[5]。

2 減速器溫度升高試驗

本試驗以某型號索道行星減速器為試驗對象，該減速器的額定轉(zhuǎn)速n為1 296 r/min，減速比i為57.1，額定輸出扭矩為T= 300 kN·m。在減速器機外殼上標記若干監(jiān)測點，用手持測溫槍測量并記錄該監(jiān)測點的溫度。如圖2所示，監(jiān)測點分別為：B1對應輸出軸軸承位置，B2對應二級行星輪位置，B3對應一級行星輪位置，B4對應錐齒輪位置，B5對應減速器內(nèi)部儲油池的位置，B6對應減速器輸入軸軸承位置。

2.1 試驗方案1

本次載荷試驗中，環(huán)境溫度為28 ℃，減速器內(nèi)注入潤滑油量為70 L，潤滑油位1如圖2所示，工作載荷為該減速器的額定載荷。自減速器啟動開始，每隔0.25 h監(jiān)測一次各點溫度并記錄下來，測量結(jié)果整理后如表1所示，測量結(jié)果變化趨勢如圖3所示。

表1 試驗方案1的監(jiān)測點測量溫度 ℃

圖2 減速器殼體監(jiān)測點的位置

圖3 試驗方案1的監(jiān)測點溫度變化

根據(jù)記錄結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點B6的溫度在減速器啟動工作最初的0.25 h內(nèi)迅速升高，之后溫度升高較為緩慢；其余監(jiān)測點的溫度逐步升高。當減速器運轉(zhuǎn)約5 h后，系統(tǒng)基本達到熱平衡狀態(tài)，此時各監(jiān)測點的熱平衡溫度大小為 B6 ＞ B4 ＞ B5 ＞ B3 ＞ B1＞ B2。

B6的熱平衡溫度最高，為73.5℃，一方面該位置為輸入軸軸承的位置且該處的轉(zhuǎn)速較大，產(chǎn)生的摩擦損失和潤滑油攪拌損失均較大；另一方面該輸入軸處的散熱面積較小，產(chǎn)生的熱量較難散發(fā)，最終導致該點的熱平衡溫度較大。

B5與B4均位于儲存潤滑油的油腔內(nèi)，其中，B5在潤滑油位之下，B4在潤滑油位之上。B4為錐齒輪的傳動位置，其產(chǎn)生熱量的來源主要是嚙合齒輪間的摩擦損失；B5為減速器內(nèi)部儲存潤滑油的位置，其熱量一方面來源于潤滑油攪拌損失，另一方面來源于熱量傳遞時積攢在潤滑油中未散發(fā)的熱量。B4與B5位置處的散熱面積相對較大，使熱平衡溫度相較于B6變小。

B3和B2產(chǎn)生熱量的來源主要是齒輪摩擦損失，但該2點處不僅散熱面積較大，而且潤滑油流動時會將該位置處的熱量傳遞至潤滑油中，最終使B3和B2位置處的熱平衡溫度較小。

B1產(chǎn)生熱量的來源主要是軸承摩擦損失，雖然該處殼體的散熱面積較小，但殼體周邊的筋板會發(fā)揮出散熱片的功能以增大散熱面積，此外，潤滑油流動時會將該位置處的熱量傳遞至潤滑油中，最終使 B1位置處的熱平衡溫度較小。

2.2 試驗方案2

本次載荷試驗中，環(huán)境溫度為17 ℃，減速器內(nèi)注入潤滑油量為170 L，潤滑油位2如圖2所示，工作載荷為該減速器的額定載荷。自減速器啟動開始，每隔0.25 h監(jiān)測1次各點溫度并記錄下來，測量結(jié)果整理后如表2所示，測量結(jié)果變化趨勢如圖4所示。

表2 試驗方案二的監(jiān)測點測量溫度 ℃

圖4 試驗方案2的監(jiān)測點溫度變化

根據(jù)記錄結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點B4、B5、B6的溫度在減速器啟動工作最初的1 h內(nèi)迅速升高且B6 ＞ B4 ＞B5，之后溫度升高變緩但B5 ＞ B4 ＞ B6；其余監(jiān)測點的溫度逐步升高。當減速器運轉(zhuǎn)約3.5 h后，系統(tǒng)的最高溫度達到84.2℃，超過減速器允許的最高溫度80℃，減速器停止工作，此時各監(jiān)測點的溫度大小為B5 ＞ B4＞ B6 ＞ B3 ＞ B2＞ B1。

減速器剛開始啟動工作時，軸承的轉(zhuǎn)速迅速升高，使軸承摩擦損失迅速增大，B6的溫度迅速升高；之后軸承摩擦損失和散熱面積對B6溫度的影響達到一定平衡，B6的溫度升高逐步緩慢。

該試驗的潤滑油量為170 L，潤滑油位已經(jīng)達到一級行星輪位置，油量的增加使攪油齒輪攪動潤滑油時的潤滑油攪拌損失增大，同時不利于油箱底部潤滑油在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)，使通過熱量傳遞積攢在潤滑油中的熱量難以通過循環(huán)系統(tǒng)有效的散發(fā)，而且長時間的高溫工作狀態(tài)使?jié)櫥透菀鬃冑|(zhì)。因此，在減速器啟動工作約1 h后，存在溫度關系B5 ＞ B4 ＞ B6。

該試驗B1、B2、B3溫度變化的分析同試驗方案一中的B1、B2、B3分析相同，但潤滑油量的增加，更有利于潤滑油從減速器頂部循環(huán)流動到底部時帶走B1、B2、B3位置處的熱量。

3 冷卻方案的改進建議

根據(jù)對減速器的熱平衡分析，2種減速器溫度升高試驗的結(jié)果以及對各監(jiān)測點溫度升高原因的分析，在常用的風冷卻、水管冷卻、潤滑油循環(huán)冷卻等冷卻方式的基礎上，對該型行星減速器時的冷卻系統(tǒng)提出一些優(yōu)化設計方案。

3.1 熱量散發(fā)方面的建議

根據(jù)式（3）可知，潤滑油溫度與減速器的熱傳系數(shù)K負相關。熱傳系數(shù)反映了傳熱過程的強弱，其取決于箱體材料的導熱系數(shù)、箱體的形狀、箱體兩側(cè)流體的物性和流速等因素。目前，應用比較多的風冷方式主要是通過增加箱體外側(cè)空氣的流動來增大熱傳系數(shù)，以達到設備降溫的目的，但通過空氣流動的降溫效果有限。

根據(jù)式（3）可知，潤滑油溫度與周圍環(huán)境空氣的溫度成正相關。鑒于制冷設備的發(fā)展，建議使用方在減速器的使用空間內(nèi)配備一定數(shù)量的空調(diào)，通過風扇+空調(diào)的冷卻方式，不僅有效地增加了周圍空氣的流動，更直接地降低了環(huán)境空氣溫度，可以使降溫效果有較明顯地提升。

根據(jù)式（3）可知，潤滑油溫度與減速器散熱的計算面積負相關。如本試驗中，B6熱平衡溫度較高的原因之一是熱量散發(fā)不易，建議制造方在制造減速器時，在減速器輸入軸機殼上適當?shù)脑黾由崞栽龃笊岬挠嬎忝娣e。

目前，廣泛應用于液壓站、工程機械、風電設備等領域的風冷卻器是使用空氣作為熱交換介質(zhì)進行熱量交換，通過空氣帶走熱量。該形式風冷卻器具有完整的旁路裝置，旁路冷卻系統(tǒng)具有穩(wěn)定的冷卻性能，而且還可以隔離主回路中的壓力沖擊。但是，在選擇風冷卻器的規(guī)格時，需要考慮到現(xiàn)有設備的功率損失，否則可能會使風冷卻器達不到冷卻效果或造成浪費；而在實際使用風冷卻器時，還要考慮到潤滑油溫度與環(huán)境溫度的差值，當差值超過50℃時，應避免風冷卻器風扇的全速旋轉(zhuǎn)，否則會影響風冷卻器的壽命或使其損壞。

3.2 潤滑油方面的建議

試驗方案1中，環(huán)境溫度為28 ℃，減速器內(nèi)注入潤滑油量為70 L，減速器工作約5 h后達到熱平衡狀態(tài)，最高溫度為73.5℃。試驗方案2中，環(huán)境溫度為17℃，減速器內(nèi)注入潤滑油量為170 L，減速器工作約3.5 h后即超過減速器允許的最高溫度80℃。

在減速器的實際使用中，為滿足充分潤滑條件，減速器中注入的潤滑油量都較高，但根據(jù)2種試驗方案的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試驗方案2比試驗方案1的環(huán)境溫度更低，但卻更早地突破熱平衡溫度，可見過多地潤滑油量對減速器溫度的不利影響，主要是因為較多的潤滑油量會引起較大的潤滑油攪拌損失。因此，在為減速器注入潤滑油時，一定要嚴格按照減速器的使用說明注入合理的油量，否則較多的潤滑油量雖然可以提升齒輪、軸承等表面的潤滑效果，但更容易引起潤滑油溫度升高甚至導致潤滑油變質(zhì)等問題。

潤滑油在使用過程中，由于消耗等原因會使油量減少，需要定期檢查潤滑油的油量，但更重要的是定期檢測潤滑油的油品。一方面檢測減速器長時間的工作對潤滑油粘度的影響，如果粘度過大，會使?jié)櫥偷膬?nèi)摩擦力增大，容易產(chǎn)熱且不利于散熱；另一方面檢測潤滑油中的金屬雜質(zhì)含量，如果金屬雜質(zhì)含量過高，可能會增大潤滑油潤滑齒輪、軸承時的摩擦損失。如潤滑油的品質(zhì)已不能滿足使用要求，應及時更換新的潤滑油。

4 結(jié)語

減速器的運行溫度過高不僅反映了設備本身可能存在故障，同時也可能衍生一系列其他的危害，在使用減速器時一定要定期測量并記錄減速器各監(jiān)測點的溫度，分析判斷溫度升高的可能原因。本文通過對減速器熱平衡溫度的分析，2種溫度升高試驗的結(jié)果及監(jiān)測點溫度升高原因的分析，提出了一些冷卻方案的改進建議，對減速器冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計具有重要意義。