高速轻载齿轮箱功率损失分析

高速轻载齿轮箱功率损失分析

发表时间：2018-08-14T11:02:29.377Z 来源：《基层建设》2018年第17期作者：赵谦

[导读] 摘要：本文主要针对高速轻载齿轮箱功率损失展开探讨，明确了高速轻载齿轮箱的功率损失的原因，明确了其中的一些原理，以及关键点，希望能够为今后的研究和应用带来参考。

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摘要：本文主要针对高速轻载齿轮箱功率损失展开探讨，明确了高速轻载齿轮箱的功率损失的原因，明确了其中的一些原理，以及关键点，希望能够为今后的研究和应用带来参考。

关键词：高速轻载齿轮箱，功率，损失

前言

高速轻载齿轮箱功率损失的原因有很多，造成功率损失的原因一定要明确，同时寻找其中的关键的原理，为我们今后更好的使用机械设备奠定基础，也是为了我们更好的设计。

1、齿轮箱的用途

齿轮箱的主要用途如下：首先，它可以通过齿轮组来改变传递的速度，在工业上常常把它叫做“变速齿轮箱”。其次，齿轮箱能变换转动力矩，也就是说，在功率一样的前提下，转速越大的齿轮，齿轮轴所受到的力矩反而越小，反过来则越大；再次，齿轮箱用于动力的分配，在工业上，工作人员可用一台发动机，经由齿轮箱的主轴牵动若干个从轴，进而只要一台发动机就会牵引好几个负载；第四，齿轮箱有离合功能，刹车离合器就是利用的齿轮箱离合功能，人们能自由地将两个相互啮合的齿轮分隔开来，进而把负载和发动机分裂开；第五，变换传动方向，不妨采用两个扇形形态的齿轮把其中的力以垂直的方向有序地传导至另一侧的转动轴。

2、高速轻载齿轮箱功率损失分析

齿轮的传动效率直接关系到功率损耗,进而影响到企业经济效益和社会环境效益,日益得到设计制造和应用单位的重视。尤其在当前环保压力的形势下,如何进一步降低功耗、提高传递效率更具现实意义。高速轻载齿轮传动装置具有转速高、载荷小的特点,功率损耗对传动效率的影响非常显著。为了提高高速轻载齿轮传动装置的工作效率,有必要对其功率损耗途径、损耗大小进行详细分析研究。

高速轻载齿轮箱的功率通常从几十千瓦到一千多千瓦。电动机一般选用二级电机,转速为2985r/min,高速轴转速通常为10000~40000r/min。润滑油站集中供油,齿轮箱配备主油泵,供油压力为0.1~0.2MPa,供油温度为35~45℃。齿轮结构通常为平行轴、单斜齿、渐开线、中硬齿面。低速滑动轴承为普通圆瓦轴承,高速滑动轴承通常都采用多油楔可倾瓦轴承。

高速轻载齿轮箱通常是应用于压缩机组中,原动机为电动机,经过齿轮箱增速后拖动压缩机。高速轻载齿轮传动功率损失主要包括齿轮啮合损失、风阻损失、搅油损失、轴承损失和油泵功耗等。

2.1风阻损失

风阻损失为小齿轮与大齿轮在齿轮箱油气空间中旋转的能量损失。影响风阻损失大小的因素包括齿轮的旋转速度、齿轮箱内油雾的浓度和齿轮的几何尺寸等。

Anderson根据透平转子风阻损失的研究结果,给出了一种预测齿轮风阻损失的计算方法。该方法考虑了齿轮箱油气空间的密度和黏度、齿轮的转速与直径。

2.2搅油损失

高速齿轮箱的润滑方式是喷油润滑,搅油损失是指轮齿搅动喷油管喷到齿面上的冷却润滑油,以及齿面、齿轮端面和高低速轴颈高速甩出的润滑油消耗的能量。

英国标准BSISO/TR14179给出了光轴、齿端面、齿面搅油损失的详细计算式,更多是应用于低速齿轮传动装置。

2.3轴承损失

高速轻载齿轮箱低速轴承采用圆瓦轴承,低速推力轴承采用斜平面、多油楔组合式推力轴承。高速轴瓦为多油楔可倾瓦轴承,高速推力轴承采用多油楔可倾瓦推力轴承。

通常,高速齿轮箱的传递效率不低于98%。由于高速轻载齿轮箱工况参数和结构所限,高速轻载齿轮箱的功率损失比较大,齿轮箱的传递效率较低。本算例中,高速轻载齿轮箱总功率损失为63.04kW,传递效率为81.99%,这与实际实验测得的数值基本一致。齿轮箱功耗主要发生在齿轮风阻、搅油和高速可倾瓦轴承上。风阻和搅油功耗为13.9kW,占总功率损失的22.05%,高速可倾瓦支撑轴承和可倾瓦推力轴承功耗为41.89kW,占总功率损失的66.45%。

3、提高齿轮箱的功率

提高齿轮的接触疲劳极限应力和弯曲疲劳极限应力是提高齿轮传动功率密度和可靠性的重要手段。随着热处理工艺及其装备技术、制造精度控制技术、齿面强化技术等发展,齿轮疲劳强度极限应力必将得到较大幅度的提高。

3.1通过齿面改性(材料和热处理方式等)提高齿轮的极限应力

目前,风电齿轮箱不论是增速箱还是偏航、变桨减速器中的齿轮均采用合金钢锻件+渗碳淬火+磨齿工艺(部分内齿圈采用感应淬火热处理工艺),材料热处理质量应按ISO 6336-5(GB/T3480-5)中渗碳齿轮最高级别的ME要求来控制。由于风电齿轮箱服役条件恶劣,载荷交变、冲击频繁,齿轮轮齿常常产生微点蚀而发生早期失效,这种失效与接触精度和硬化表层物理冶金因素等有关,因此,齿轮热处理质量及其稳定性和一致性控制往往成为制约产品可靠性的关键。在美国ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《风力发电机齿轮箱设计规范》的52项质量控制项目中,材料热处理就占20项;中国国家标准GB/T3480-5“齿轮强度和材料质量”中ME级质量检测项目也有14大项;国家标准GB/T 3480-1997“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”中,极限应力σHlim和σFlim、使用系数KA、寿命系数ZNT和YNT等直接与齿轮材料和热处理方式有关。

3.2通过齿面改性(喷丸强化等方式)提高齿轮的承载能力

齿轮喷丸强化是一种通过无数个丸粒连续击打轮齿表面、无数凹陷重叠形成均匀残余压应力层的冷处理方法。影响喷丸强化效果的主要因素有喷丸强度、覆盖率、丸料控制及喷丸设备控制等。除增加残余压应力的数值外,喷丸强化还具有增加齿面硬度,改善轮齿次表层残余应力分布、材料组织及微观组织等功效。未经喷丸强化的渗碳淬火齿轮最大压应力一般位于表层下0.02mm附近,最大压应力一般不超过200MPa,经喷丸强化后,最大压应力可下移到0.05mm处或更深,最大压应力可达600~800MPa甚至更高[8]。