齒輪箱強制潤滑系統設計

程江超

(湖南航翔燃氣輪機有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

空氣中，任何相互接觸又有相對運動的兩個物體都會產生摩擦，有了摩擦就會消耗能量。在一臺運轉的齒輪箱中，這種能量消耗也是存在的，因此強制潤滑系統在齒輪箱實際運轉中起到了非常關鍵的作用。為了提高齒輪箱的工作效率，延長其使用壽命，需設計一套與之匹配的強制潤滑系統，本文為某試驗臺傳動系統的增速設備齒輪箱設計了強制潤滑系統。

1 強制潤滑系統技術要求

某增速設備齒輪箱傳遞功率為750 kW，額定轉速為15 000 r/min，使用L-HM46抗磨液壓油作為潤滑介質進行強制潤滑。齒輪箱內部的潤滑點及噴嘴的設置由齒輪箱設計者設計，提供了齒輪箱進油、回油的接口尺寸和接口圖。強制潤滑系統技術要求如下：

供油溫度(℃)：常溫～60可調；

供油流量(L/min)：40 ；

供油壓力(MPa)：0.2～0.35可調；

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。

測試參數與精度要求如表1所示。

表1 測試參數與精度要求

2 繪制潤滑系統原理圖

根據試驗臺傳動系統增速設備齒輪箱的技術要求繪制其潤滑系統原理圖，如圖1所示。該強制潤滑系統的原理是潤滑油站對齒輪箱進行供油過濾、冷卻和潤滑。由于潤滑系統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產生較大的壓力損失，容易引起回油不通暢，因此采用供油冷卻的方式。

供油泵組經過吸油過濾器8把油箱中的潤滑油抽出，通過供油過濾器13和水冷卻器等進入增速設備齒輪箱，從而給齒輪箱各所需潤滑點提供潤滑和冷卻。系統的供油壓力通過壓力傳感器16進行采集，由電動球閥10進行遠程調節，由溢流閥9進行超壓保護。油箱裝有液位液溫計2，可以直觀地看到油箱的液位和溫度；裝有最低液位報警器5，當油箱液位不夠時會發出警報，提示操作人員進行加油；還裝有油箱加熱器4、溫度傳感器7，配合系統的水冷卻器和溫度傳感器17對油箱和系統的溫度進行控制。

1-放油球閥；2-液位液溫計；3-回油過濾器；4-油箱加熱器；5-液位報警器；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 元器件的選型計算

3.1 供油泵組

根據供油流量為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，額定轉速為1 500 r/min。匹配電機的功率P電機(kW)計算公式為：

(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%。

將數值代入式(1)計算得：P電機=0.36 kW。為了使電機不長期在滿功率狀態下工作，故選用0.75 kW的電機。

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必須安裝油箱加熱器。

加熱器功率P加熱器(kW)計算公式為:

(2)

(3)

其中：N為加熱器的發熱能力，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為加熱時間，T=1 800 s；η熱為熱效率，取η熱=80%。

將數值代入式(2)、式(3)計算得：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 計算冷卻水流量

選用板式水冷卻器,熱介質采用L-HM46抗磨液壓油，冷介質為循環水。熱介質發熱量Qf(W)為：

(4)

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

冷介質散熱量Qs(W)計算公式為：

(5)

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

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

3.3.2 計算平均對數溫差

平均對數溫差Δtm(℃)的計算公式為：

(6)

將數值代入式(6)計算得：Δtm=26.8 ℃。

3.3.3 計算散熱面積

散熱面積F( m2)計算公式為：

(7)

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

將數值代入式(7)計算得：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 潤滑系統管徑的計算與確定

3.4.1 供油管路的選型計算

供油管內徑d供(mm)的計算公式為：

(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。

將數值代入式(8)計算得：d供≥18.44 mm。 因潤滑系統壓力較低，一般鋼管壁厚都可以滿足要求，這里選用內徑為Φ20 mm、壁厚1.5 mm的鋼管。

3.4.2 回油管路的選型計算

回油方式為自重回油，流速比較低，一般為0.2 m/s?；赜凸軆葟絛回(mm)的計算公式為：

(9)

其中：v回為回油流速，取v回=0.2 m/s。

將數值代入式(9)計算得：d回≥65.2 mm?；赜凸苈坊静怀惺軡櫥蛶Ыo的壓力，這里選用內徑為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

潤滑系統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油泵的功率大小與供油流量多少進行選擇，一般是和供油管路管徑大小一致。在潤滑系統設計中盡量不使用軟管，但像試驗臺與齒輪箱進油、回油的連接處都會使用一截軟管，便于齒輪箱的安裝和位置調節。

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倍進行選擇，油箱容積選150 L。

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

(3) 空氣濾清器是根據油箱的容積和供油流量的大小進行選擇，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) 過濾器是根據過油流量的3倍～5倍及使用的功能進行選擇。吸油過濾器選用低壓力等級，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，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，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系統壓力和供油泵的額定壓力來進行選擇的，這里選測量范圍為0 MPa～1 MPa，測量精度為±0.5%的壓力傳感器和壓力表。

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

(7) 溢流閥、電動球閥、放油閥、球閥是根據使用點潤滑油流量、壓力和工作溫度來進行選擇，供油、溢流油路上閥門選用內徑為20 mm，回油路上閥門選用內徑為65 mm。

4 結束語

本文通過對設備齒輪箱進行實際工況分析，根據齒輪箱對潤滑系統的技術要求，設計了一套齒輪箱強制潤滑系統，繪制了潤滑系統原理圖，并對元器件進行了計算、分析選型，可為今后各種設備齒輪箱強制潤滑系統設計提供參考。