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

鋸齒密封結構是一種迷宮密封形式，它具有免維護、結構緊湊、加工簡單等特點。某糖廠有一產品線升級改造項目，要求新齒輪箱能替換現場的老齒輪箱（現場的電動機、榨糖機、地腳螺栓均不變）且新齒輪箱輸出力矩提高50%，因是在限定空間內提升力矩，擔心內部結構布置緊張，在前期的方案設計階段輸入采用了鋸齒密封結構，后期詳細設計階段也未改變。齒輪箱輸入功率為600 kW，輸入轉速為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，當轉速升到400 r/min時，輸入透蓋與甩油環間的縫隙出現漏油現象。因榨期將至，交貨期很急，需要設計工程師給出簡單快捷的解決方案。對應迷宮密封漏油現象，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構的回油能力，最后分析密封結構。通過上述方法找出導致漏油現象的原因，提出解決方案，再通過空載試車進行驗證。

1 齒輪箱結構

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的結構，輸入為單斜齒軸與兩調心滾子軸承的支撐結構。近輸入端軸承外側采用鋸齒甩油環與透蓋組合的鋸齒密封結構，兩零件間的間隙導致回油腔與外部貫通，需防止潤滑油從透蓋與甩油環間的縫隙漏出。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（內徑為140 mm，外徑為250 mm，寬度為88 mm）。齒輪箱內部一級平行齒輪減速結構如圖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流孔板進入箱體軸承座上開的進油通孔，經過軸承外徑上的油槽和油孔進入軸承內部，潤滑軸承后部分流入鋸齒密封結構的回油腔，然后通過透蓋下側開的回油槽進入箱體上的回油孔，最后流回箱體內部。軸承進油結構如圖2所示。

圖2 近輸入端軸承進油結構

2 分析與解決方案

首先需要確定是否為非油路設計造成的鋸齒密封結構漏油，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，會造成減速機內部空間壓力升高，影響輸入軸密封結構回油，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構漏油是由油路設計造成的，需要分析潤滑結構。

2.1 校核潤滑軸承的油量是否正確

軸承轉速n≤1500 r/min時，軸承潤滑油量Q的經驗公式[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，通常采用節流孔板來實現，節流孔板是利用圓形金屬薄板中間開圓形通孔制造而成。節流孔面積太小，則容易因潤滑油中的雜質造成堵塞，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場的使用環境、油品清潔度和機構可靠性等因素，重型工業齒輪箱節流孔板的最小開孔直徑d≥2 mm。介質為ISO VG320的潤滑油，進油溫度為40℃，φ2 mm 噴油口流量實驗數據如表1所示。

表1 噴油口壓力與噴油量對照表

根據表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該采用φ2.0節流孔板。拆開連接輸入軸承進油孔的卡套式管接頭[2]，檢測里面的節流孔板開孔尺寸。檢測結果為：節流孔板開孔尺寸為φ2.0 mm，符合設計要求，軸承潤滑油量Q沒有問題。

2.2 校核回油結構的回油量

齒輪箱鋸齒密封結構的回油[3]方式為自重回油，流速比較低，一般為0.2 m/s?；赜涂變葟紻的計算公式[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，校核回油結構的回油能力，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。將上述數據代入公式，計算出當量回油孔內徑D≥15.81 mm。上述計算結果為保守情況，假設軸承的所有潤滑油全部從軸承外側流出，忽略從軸承內側直接流入箱體的部分。

校核箱體上的回油孔尺寸：拆下透蓋，測量此軸承處對應箱體上開的回油孔尺寸，箱體回油結構如圖3所示。

圖3 箱體回油結構

檢測結果：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，此處結構沒問題。

校核鋸齒密封結構回油腔通往箱體回油孔的過油槽尺寸：鋸齒密封結構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，透蓋結構如圖4所示。

圖4 輸入透蓋結構

檢測結果為：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，此處結構沒問題。

2.3 密封結構分析

因為鋸齒密封結構的進油與回油尺寸已被認定為合理的，所以引起漏油現象的部位應該是鋸齒密封結構的回油腔。觀察分析此密封結構：鋸齒甩油環和軸承均為旋轉件，它們在工作時會產生風壓和攪油現象，此處回油腔較小且甩油環與軸承間的距離較近。上述情況導致回油腔內的潤滑油受到兩側旋轉零件的影響較大，致使向回油孔的流動不順暢，最后回油腔內潤滑油累積超過密封口產生漏油現象。

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。希望在原有結構的基礎上進行整改，盡量減少問題解決時間和工作量。整改結構為：在透蓋與軸承間的軸承孔寬度方向上增加T形擋油環，T形擋油環由壁厚5 mm定距環在內孔上焊一個2 mm厚的圓環制造而成。定距環可由與軸承孔相同直徑的鋼管切割而成，定距環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。圓環與甩油環間留2 mm間隙，圓環與軸承間形成一個密封腔，使潤滑油僅能從2 mm間隙擠入回油腔，增加了軸承中潤滑油流向外側的阻力，迫使多半潤滑油直接通過軸承內半邊滾子流入箱體，達到減少潤滑油進入回油腔的目的。同時，因為增加的T形擋油環為靜止零件，避免了因為軸承旋轉對回油腔內潤滑油的影響。T形擋油環與軸承間的密封腔空間不應太小，否則會影響回油腔內潤滑油溫度傳遞，可能造成局部高溫并導致軸承損壞。T形擋油環圓環與甩油環間的2 mm間隙會影響進入回油腔的潤滑油量，可根據試車情況作相應調整：如果軸承外側溫度較高，可將2 mm間隙增大，這樣會增加軸承外側流過的潤滑油量，可增加冷卻能力；如果鋸齒密封結構還是漏油，可將2 mm間隙繼續減小，這樣會進一步減小流入回油腔的潤滑油量。整改后結構如圖5所示。

圖5 增加T形擋油環的鋸齒密封結構

將改造后的零件按圖5裝配，進油壓力調到正常工作壓力0.15 MPa，電動機轉速逐漸升到1300 r/min，在此過程中未出現漏油現象。將進油壓力調到最大0.18 MPa運行2 h，未出現泄漏情況，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構：鋸齒甩油環在軸承與透蓋間的合適軸向距離上焊一個薄圓環，圓環外徑與軸承孔徑向留2 mm間隙。此結構無需制造新零件，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構，將焊有薄圓環的鋸齒甩油環裝配好后進行空載試車：進油壓力調到正常工作壓力0.15 MPa，電動機轉速逐漸升到600 r/min時出現漏油現象，此結構失敗。分析原因為：焊接的薄圓環雖然增加了一個密封腔，但是薄圓環是焊接在鋸齒甩油環上的，會隨著甩油環旋轉，當轉速升高時，增加的薄圓環會加大回油腔內的攪油等不利影響，產生漏油。此結構雖然失敗，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形擋油環的結構，該結構吸取了第一次整改增加密封腔和減少攪油的經驗。

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，減小旋轉件攪油的影響。整改結構為：用甩油盤密封結構[5]代替鋸齒密封結構，因為軸頭定位尺寸為80 mm，軸向空間較大，與鋸齒密封結構相比，軸向尺寸大的甩油盤密封結構能被放入。甩油盤密封結構有3個回油腔，靜止的集油罩有效隔離出1個內腔和2個外腔，甩油盤的第一道封油結構是與集油罩組成的間隙3 mm、長20 mm配合面，此結構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。甩油盤為定距環上焊2個圓環結構，圓環只需高出15 mm，因為此處圓環起的作用是防止潤滑油沿定距環爬出密封結構而造成漏油，如果圓環高出太多，就可能接觸到回油腔內潤滑油并產生攪油現象，對密封產生不利影響，2個圓環與集油罩形成甩油盤密封結構的2個外腔，此結構簡單，對潤滑油流動影響小。集油罩內側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，甩油盤密封結構如圖6所示。

圖6 甩油盤密封結構

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

3 結語

本文對輸入為鋸齒密封結構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構的回油能力，最后分析密封結構。通過上述方法找出導致該齒輪箱漏油現象的原因是回油腔較小且甩油環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，以減少進入回油腔中潤滑油量；方案二是用甩油盤密封結構替換鋸齒密封結構，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，以應對交貨期的需求。方案二用在本型號齒輪箱的后續訂單中。兩種方案的齒輪箱均在客戶現場應用良好，未出現漏油現象。