一種鋸齒密封齒輪箱漏油問題解決方案

呂海明

（南京高精齒輪集團有限公司，南京 210000）

0 引言

鋸齒密封結(jié)構(gòu)是一種迷宮密封形式，它具有免維護、結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡單等特點。某糖廠有一產(chǎn)品線升級改造項目，要求新齒輪箱能替換現(xiàn)場的老齒輪箱（現(xiàn)場的電動機、榨糖機、地腳螺栓均不變）且新齒輪箱輸出力矩提高50%，因是在限定空間內(nèi)提升力矩，擔(dān)心內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置緊張，在前期的方案設(shè)計階段輸入采用了鋸齒密封結(jié)構(gòu)，后期詳細設(shè)計階段也未改變。齒輪箱輸入功率為600 kW，輸入轉(zhuǎn)速為600～1300 r/min，潤滑油品為ISO VG320，潤滑油進油壓力為0.12～0.18 MPa，正常工作壓力為0.15 MPa。齒輪箱裝配完成后在試驗臺空載試車，當轉(zhuǎn)速升到400 r/min時，輸入透蓋與甩油環(huán)間的縫隙出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。因榨期將至，交貨期很急，需要設(shè)計工程師給出簡單快捷的解決方案。對應(yīng)迷宮密封漏油現(xiàn)象，本文提出的解決思路為：首先校核輸入軸承進油量，然后計算輸入密封結(jié)構(gòu)的回油能力，最后分析密封結(jié)構(gòu)。通過上述方法找出導(dǎo)致漏油現(xiàn)象的原因，提出解決方案，再通過空載試車進行驗證。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

新齒輪箱采用的是一級平行齒輪減速+封閉差動行星傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，輸入為單斜齒軸與兩調(diào)心滾子軸承的支撐結(jié)構(gòu)。近輸入端軸承外側(cè)采用鋸齒甩油環(huán)與透蓋組合的鋸齒密封結(jié)構(gòu)，兩零件間的間隙導(dǎo)致回油腔與外部貫通，需防止?jié)櫥蛷耐干w與甩油環(huán)間的縫隙漏出。輸入軸頭尺寸為φ120 mm×210 mm，定位尺寸為80 mm，近輸入端軸承型號為23228CC/W33（內(nèi)徑為140 mm，外徑為250 mm，寬度為88 mm）。齒輪箱內(nèi)部一級平行齒輪減速結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 齒輪箱裝配圖（平行減速級）

近輸入端軸承潤滑過程為：潤滑油通過卡套式管接頭中的節(jié)流孔板進入箱體軸承座上開的進油通孔，經(jīng)過軸承外徑上的油槽和油孔進入軸承內(nèi)部，潤滑軸承后部分流入鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油腔，然后通過透蓋下側(cè)開的回油槽進入箱體上的回油孔，最后流回箱體內(nèi)部。軸承進油結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 近輸入端軸承進油結(jié)構(gòu)

2 分析與解決方案

首先需要確定是否為非油路設(shè)計造成的鋸齒密封結(jié)構(gòu)漏油，排查影響漏油的外部因素：檢查潤滑油進油溫度，查看油站出油口處的溫度計，顯示溫度為40 ℃，再用溫度槍測量齒輪箱進油管處的溫度，測定同樣為40 ℃，進油溫度沒有問題；檢查進油壓力，查看油站出油口處壓力表，顯示壓力為0.15 MPa，再查看齒輪箱進油管上耐震壓力表,同樣顯示壓力為0.15 MPa，確認進油壓力沒有問題；檢查潤滑油品，到總控臺查看信息，顯示潤滑油為ISO VG320，潤滑油沒有問題；檢查齒輪箱上空氣過濾器是否堵塞，因為如果空氣過濾器不通氣，會造成減速機內(nèi)部空間壓力升高，影響輸入軸密封結(jié)構(gòu)回油，拆下空氣過濾器檢查，空氣過濾器完好。通過上述排查，確定齒輪箱鋸齒密封結(jié)構(gòu)漏油是由油路設(shè)計造成的，需要分析潤滑結(jié)構(gòu)。

2.1 校核潤滑軸承的油量是否正確

軸承轉(zhuǎn)速n≤1500 r/min時，軸承潤滑油量Q的經(jīng)驗公式[1]為

式中：D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm；Q為軸承潤滑油量，L/min。

將軸承23228CC/W33的外徑D=250 mm、寬度B=88 mm代入公式，計算得到軸承所需的潤滑油量Q=0.88 L/min。潤滑油量可通過進油面積來控制，通常采用節(jié)流孔板來實現(xiàn)，節(jié)流孔板是利用圓形金屬薄板中間開圓形通孔制造而成。節(jié)流孔面積太小，則容易因潤滑油中的雜質(zhì)造成堵塞，從而引起軸承缺油損壞，造成重大損失。綜合考慮到齒輪箱現(xiàn)場的使用環(huán)境、油品清潔度和機構(gòu)可靠性等因素，重型工業(yè)齒輪箱節(jié)流孔板的最小開孔直徑d≥2 mm。介質(zhì)為ISO VG320的潤滑油，進油溫度為40℃，φ2 mm 噴油口流量實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噴油口壓力與噴油量對照表

根據(jù)表1，齒輪箱在工作壓力0.15 MPa時，輸入軸承φ2.0 mm噴油口的流量為2.11 L/min，大于所需的最小潤滑油量0.88 L/min，確定輸入軸承的潤滑油路應(yīng)該采用φ2.0節(jié)流孔板。拆開連接輸入軸承進油孔的卡套式管接頭[2]，檢測里面的節(jié)流孔板開孔尺寸。檢測結(jié)果為：節(jié)流孔板開孔尺寸為φ2.0 mm，符合設(shè)計要求，軸承潤滑油量Q沒有問題。

2.2 校核回油結(jié)構(gòu)的回油量

齒輪箱鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油[3]方式為自重回油，流速比較低，一般為0.2 m/s?；赜涂變?nèi)徑D的計算公式[4]為

式中：Q為軸承潤滑油量，L/min；v為潤滑油回流速度，取0.2 m/s。

齒輪箱潤滑油進油壓力0.12～0.18 MPa，校核回油結(jié)構(gòu)的回油能力，需采取最大進油量的情況，此軸承需選擇0.18 MPa進油壓力的進油量，查表1，Q取2.35 L/min。將上述數(shù)據(jù)代入公式，計算出當量回油孔內(nèi)徑D≥15.81 mm。上述計算結(jié)果為保守情況，假設(shè)軸承的所有潤滑油全部從軸承外側(cè)流出，忽略從軸承內(nèi)側(cè)直接流入箱體的部分。

校核箱體上的回油孔尺寸：拆下透蓋，測量此軸承處對應(yīng)箱體上開的回油孔尺寸，箱體回油結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 箱體回油結(jié)構(gòu)

檢測結(jié)果：箱體上開了2個φ20 mm的回油孔，換算成1個回油孔的當量孔徑為Dhy=28.28 mm，大于所需的最小回油孔尺寸φ15.81 mm，此處結(jié)構(gòu)沒問題。

校核鋸齒密封結(jié)構(gòu)回油腔通往箱體回油孔的過油槽尺寸：鋸齒密封結(jié)構(gòu)通過輸入透蓋上開的回油槽連接箱體回油孔，先測量輸入透蓋回油槽的截面尺寸，然后換算成當量孔徑進行校核，透蓋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸入透蓋結(jié)構(gòu)

檢測結(jié)果為：回油槽長度為60 mm、深度為25 mm。過油面積Sgy=60×25=1500 mm2，換算成當量孔徑Dgy=43.7 mm，大于所需的最小回油孔尺寸φ15.81 mm，此處結(jié)構(gòu)沒問題。

2.3 密封結(jié)構(gòu)分析

因為鋸齒密封結(jié)構(gòu)的進油與回油尺寸已被認定為合理的，所以引起漏油現(xiàn)象的部位應(yīng)該是鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油腔。觀察分析此密封結(jié)構(gòu)：鋸齒甩油環(huán)和軸承均為旋轉(zhuǎn)件，它們在工作時會產(chǎn)生風(fēng)壓和攪油現(xiàn)象，此處回油腔較小且甩油環(huán)與軸承間的距離較近。上述情況導(dǎo)致回油腔內(nèi)的潤滑油受到兩側(cè)旋轉(zhuǎn)零件的影響較大，致使向回油孔的流動不順暢，最后回油腔內(nèi)潤滑油累積超過密封口產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。

1）解決方案一。減少進入回油腔的潤滑油量，這樣會減小回油壓力，抵消因回油腔小而造成的不利影響。希望在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行整改，盡量減少問題解決時間和工作量。整改結(jié)構(gòu)為：在透蓋與軸承間的軸承孔寬度方向上增加T形擋油環(huán)，T形擋油環(huán)由壁厚5 mm定距環(huán)在內(nèi)孔上焊一個2 mm厚的圓環(huán)制造而成。定距環(huán)可由與軸承孔相同直徑的鋼管切割而成，定距環(huán)寬度方向需要與軸承間留1 mm間隙，防止軸承過定位，因為此處軸承為游動端。圓環(huán)與甩油環(huán)間留2 mm間隙，圓環(huán)與軸承間形成一個密封腔，使?jié)櫥蛢H能從2 mm間隙擠入回油腔，增加了軸承中潤滑油流向外側(cè)的阻力，迫使多半潤滑油直接通過軸承內(nèi)半邊滾子流入箱體，達到減少潤滑油進入回油腔的目的。同時，因為增加的T形擋油環(huán)為靜止零件，避免了因為軸承旋轉(zhuǎn)對回油腔內(nèi)潤滑油的影響。T形擋油環(huán)與軸承間的密封腔空間不應(yīng)太小，否則會影響回油腔內(nèi)潤滑油溫度傳遞，可能造成局部高溫并導(dǎo)致軸承損壞。T形擋油環(huán)圓環(huán)與甩油環(huán)間的2 mm間隙會影響進入回油腔的潤滑油量，可根據(jù)試車情況作相應(yīng)調(diào)整：如果軸承外側(cè)溫度較高，可將2 mm間隙增大，這樣會增加軸承外側(cè)流過的潤滑油量，可增加冷卻能力；如果鋸齒密封結(jié)構(gòu)還是漏油，可將2 mm間隙繼續(xù)減小，這樣會進一步減小流入回油腔的潤滑油量。整改后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 增加T形擋油環(huán)的鋸齒密封結(jié)構(gòu)

將改造后的零件按圖5裝配，進油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動機轉(zhuǎn)速逐漸升到1300 r/min，在此過程中未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。將進油壓力調(diào)到最大0.18 MPa運行2 h，未出現(xiàn)泄漏情況，試車通過。此方案成功。

如果僅考慮減少進入回油腔的潤滑油量，還有一個更簡單的結(jié)構(gòu)：鋸齒甩油環(huán)在軸承與透蓋間的合適軸向距離上焊一個薄圓環(huán)，圓環(huán)外徑與軸承孔徑向留2 mm間隙。此結(jié)構(gòu)無需制造新零件，整改時間短，很符合交貨期緊張的情況。本齒輪箱的第一次整改就采用了此結(jié)構(gòu)，將焊有薄圓環(huán)的鋸齒甩油環(huán)裝配好后進行空載試車：進油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動機轉(zhuǎn)速逐漸升到600 r/min時出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，此結(jié)構(gòu)失敗。分析原因為：焊接的薄圓環(huán)雖然增加了一個密封腔，但是薄圓環(huán)是焊接在鋸齒甩油環(huán)上的，會隨著甩油環(huán)旋轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速升高時，增加的薄圓環(huán)會加大回油腔內(nèi)的攪油等不利影響，產(chǎn)生漏油。此結(jié)構(gòu)雖然失敗，但說明增加密封腔是有效果的，隨后的第二次整改采用了增加T形擋油環(huán)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸取了第一次整改增加密封腔和減少攪油的經(jīng)驗。

2）解決方案二。加大回油腔的體積，這樣能增加潤滑油的存儲量，減小旋轉(zhuǎn)件攪油的影響。整改結(jié)構(gòu)為：用甩油盤密封結(jié)構(gòu)[5]代替鋸齒密封結(jié)構(gòu)，因為軸頭定位尺寸為80 mm，軸向空間較大，與鋸齒密封結(jié)構(gòu)相比，軸向尺寸大的甩油盤密封結(jié)構(gòu)能被放入。甩油盤密封結(jié)構(gòu)有3個回油腔，靜止的集油罩有效隔離出1個內(nèi)腔和2個外腔，甩油盤的第一道封油結(jié)構(gòu)是與集油罩組成的間隙3 mm、長20 mm配合面，此結(jié)構(gòu)有效阻止了大部分潤滑油進入外腔, 采用3 mm間隙是由于集油罩沒有止口定位，需要考慮加工和裝配誤差。甩油盤為定距環(huán)上焊2個圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)只需高出15 mm，因為此處圓環(huán)起的作用是防止?jié)櫥脱囟ň喹h(huán)爬出密封結(jié)構(gòu)而造成漏油，如果圓環(huán)高出太多，就可能接觸到回油腔內(nèi)潤滑油并產(chǎn)生攪油現(xiàn)象，對密封產(chǎn)生不利影響，2個圓環(huán)與集油罩形成甩油盤密封結(jié)構(gòu)的2個外腔，此結(jié)構(gòu)簡單，對潤滑油流動影響小。集油罩內(nèi)側(cè)的厚鋼板和中間的薄鋼板需要在與兩外腔相切的豎直最低處開φ10 mm的通孔，將3個腔體貫通，使兩外腔的少量潤滑油流入厚鋼板上開的回油槽，甩油盤密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 甩油盤密封結(jié)構(gòu)

將改造后的零件按圖6裝配，進油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動機轉(zhuǎn)速逐漸升到1300 r/min，在此過程中未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。將進油壓力調(diào)到最大0.18 MPa運行2 h，未出現(xiàn)泄漏情況，試車通過，此方案成功。

3 結(jié)語

本文對輸入為鋸齒密封結(jié)構(gòu)齒輪箱的漏油問題進行了分析與處理。給出了通常的解決思路：首先校核輸入軸承進油量，然后計算輸入密封結(jié)構(gòu)的回油能力，最后分析密封結(jié)構(gòu)。通過上述方法找出導(dǎo)致該齒輪箱漏油現(xiàn)象的原因是回油腔較小且甩油環(huán)與軸承間的距離較近。給出了兩種解決方案：方案一是增加T形擋油環(huán)，以減少進入回油腔中潤滑油量；方案二是用甩油盤密封結(jié)構(gòu)替換鋸齒密封結(jié)構(gòu)，以加大回油腔體積。方案一用于本批次齒輪箱漏油問題的快速處理，以應(yīng)對交貨期的需求。方案二用在本型號齒輪箱的后續(xù)訂單中。兩種方案的齒輪箱均在客戶現(xiàn)場應(yīng)用良好，未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。