润滑措施对齿轮传动效率和使用寿命的影响

第34卷第1期

2009年1月煤 炭 学 报J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY V o. l 34 N o . 1 Jan . 2009 文章编号:0253-9993(2009) 01-0116-05

润滑措施对齿轮传动效率和使用寿命的影响

周哲波

(安徽理工大学机械工程系, 安徽淮南 232001)

摘 要:针对煤矿机械的低速重载工作特点, 采用单因素齿轮台架试验方法, 基于对试验曲线和

结果的分析, 揭示了润滑油品和冷却方式对齿轮传动效率和使用寿命的影响规律. 提出在恒转速

轻载和恒载荷低转速的工况下, 主要功率损失为搅油功率损耗, 应选用黏度低的润滑油和自然散

热冷却的方法; 在恒转速重载和恒载荷高转速的工况下, 主要功率损失为啮合功率损耗, 应选用

黏度高的润滑油和循环水冷却的措施. 指出抗极压的合成齿轮油能满足各种工况的要求, 可优先

选用.

关键词:润滑油; 传动效率; 寿命; 搅油功损; 啮合功损

中图分类号:TH 132141 文献标识码:A

E ffect of l ubricati ng o il and cooling on trans m issi on

efficiency and service life of gears

ZHOU Zhe -bo

(De pa rt m e n t o f M ec han ic a lE ng ineeri ng, Anhu i Universit y of S cie nce and T ec hnology , H uainan 232000, China )

Abst ract :A i m ed at lo w rota ti o na l speed and h igh load characteristics of t h e coa-l m i n e m ach i n e , the experi m enta l m ethod o f a si n g le para m e ter w as app lied by the gear tes-t r i g . B ased on ana l y zi n g the result and the experi m enta l curves , the effect of l u bricati n g o il and coo ling on trans m ission e fficiency was descri b ed . According to the situation of constant rotati o na l speed and ling load and constant l o ad and lo w rota ti o na l speed , t h e choose m ethod o f lo w-vis -cidity lubricati n g o il and natura l n ess coo li n g w as po i n ted ou. t A ccor d i n g to the situation o f constant ro tational speed and h i g h load and constant l o ad and high rota ti o na l speed ,

neer i n g requ ire m ent w as i n troduced .

K ey w ords :l u bricati n g ; trans m ission e fficiency ; serv ice life ; m i x o il po w er l o si n g ; m esh po w er losing the choose m ethod of h i g h -v isc i d ity l u br i c ating o il and c irculate -w ater coo li n g w as presented. The synthesized lubricati n g o il of resisted loading and adapted to a ll eng-i

随着我国煤矿大型化的发展, 机械化程度越来越高, 煤矿机械功率变得越来越大, 人们对齿轮传动效率和使用寿命的提高尤其关注. 对于大功率的设备, 节能增效的最有效手段就是提高齿轮的传动效率; 如要实现高效、安全稳定生产, 齿轮使用寿命的提高就显得非常关键. 不论是齿轮传动效率的提高, 还是使

[1-2]用寿命的增长, 两者都与润滑油的种类、黏度、供油量以及润滑与冷却方式的合理选择密不可分, 虽

然也可以通过优化设计参数和提高制造精度来提高齿轮传动的效率和寿命[3], 但对于目前煤矿已在使用的煤机设备来讲, 这种措施已无济于事. 针对煤矿机械的工况特点, 通过对润滑油品的探索与研究, 找到

收稿日期:2008-02-31 责任编辑:许书阁

基金项目:安徽省教育厅自然科学基金重点资助项目(2005K J 041ZD); 安徽自然科学基金资助项目(03044101) 作者简介:周哲波(1965) ), 男, 安徽六安人, 教授, 硕士. E -m ai:l zhouzhebo @21cn 1co m

合理、有效的润滑油品和冷却方式, 使齿轮的传动效率和使用寿命得以提高, 可避免现场选错润滑油品或乱选润滑油品.

1 实验设备与方法

111 实验设备

针对煤机齿轮传动大多属于低速重载这一特点, 试验选

用DSC -150型封闭功率流式齿轮试验台, 它采用加载方便、

准确的自动行星加载方式.

工作原理如图1所示, 试验箱和陪试箱在试验过程中分

别采取自然散热和强迫循环水散热2种冷却方式. 试验齿轮

副为硬齿磨齿工艺制造, 因为只有硬齿齿轮传动才能满足功

[4]率大、承载高、体积小和质量轻的要求, 所以现代煤机设

备中的齿轮传动几乎都采用硬齿. 润滑油选用如表1中的6

种油种为试验样品, 这是通过对淮南、淮北和兖州矿区的调研获知它们都为煤矿目前常用的品种. 为了保证试验精度, 在试验前分别对6种油品的运动黏度进行了测定.

表1 润滑油实测黏度和推荐黏度值

Tab le 1 M easure and co mm end visc i d ity of lubr i cati n g oil

实测黏度值

牌 号

温度/e

120号齿轮油

90号齿轮油

30号齿轮油

S H C630齿轮油

68号机械油

18号双曲线油[**************]50运动黏度/(m 2#s -1) [***********][1**********]8手册推荐的黏度值温度/e [**************]运动黏度/(m2#s -1) [**************]~[**************]~2910065100~71100图1 DCS-150齿轮试验台原理F ig 11 The pri nc i p l e o f DCS-150g ear test -r i g 112 试验方法为了排除多因素间的相互干扰, 找出主要影响因素及相关因素, 在综合考虑煤矿机械工作状况特点的基础上, 试验采用单因素对比试验法, 试验按下述2组情况进行:(1) 针对掘进机和采煤机的截割部件、带式输送机和刮板输送机等的恒定转速变载荷实际工况特点, 试验采用恒定工作转速变载荷方法, 分析不同的润滑油对齿轮啮合效率和润滑状况的影响. 目的是为合理选择这类设备中的齿轮传动的润滑油品提供数字参考.

(2) 针对掘进机和采煤机的行走和装载部件、提升和调度设备的绞车等恒载荷变转速的实际工况特点, 试验采用恒定工作扭矩变转速方法, 分析不同的润滑油对齿轮啮合效率和润滑状况的影响, 目的是为合理选择这类设备中的齿轮传动的润滑油品提供理论依据.

2 试验结果与分析

211 恒定工作转速下润滑油对效率的影响

不论是在掘进机、采煤机上使用的齿轮减速器, 还是用于承担原煤和物料运输的刮板输送机、带式输送机上使用的齿轮减速器, 其工作转速一般均为n =1000r /min 左右. 针对这类设备的工况, 试验选用工作转速n =1000r/mi n . 试验过程中采用逐级加载方式, 载荷(传递的扭矩) 变化范围为T =200~700N #m , 每级载荷增幅100N #m , 由小到大逐级增大. 数据采集时间为试验箱达到热平衡后(达到热平衡的标志是在试验箱的油温不再爬升)

可看出:

(1) 在载荷不大的情况下(扭矩T [500N #m, 使用功率P [52k W ), 效率曲线陡峭, 效率提高快, 油温高, 对应的效率高. 说明低载时, 即使润滑油的黏度较低, 也能在啮合齿面形成弹流润滑油膜, 此时, . , [4], 并在该温度下连续运转20m in . 测得数据结果如图2所示,

图2 在恒转速下润滑油与效率的关系曲线

F i g 12 T he curves o f lubr i cati ng o ils -efficiency i n constant rota tiona l speed

搅油功耗, 应尽量选用黏度低的润滑油.

(2) 当载荷大时(扭矩T >500N #m, 使用功率P >52k W ), 不论采用何种冷却方式, 效率曲线较平缓, 效率变化不大. 说明高载时, 润滑油黏度对啮合齿面易形成动力油膜影响较大, 油黏度高, 有利于啮合齿面形成动力油膜, 啮合功损小(滑动摩擦功损小) [5], 此时主要功损是啮合功损. 因此, 应尽量选用黏度较高的润滑油, 更有利于改善啮合齿面的摩擦与磨损.

(3) 在载荷不大的情况下(扭矩T [500N #m , 使用功率P [52k W ), 对于同种润滑油, 采用自然散热冷却优于循环水冷却, 其效率高于循环水冷却. 这说明在低载时, 啮合齿面易形成动力油膜, 齿轮传动的功率损耗主要为搅油功耗. 原因为采用自然散热的冷却效果差, 引起润滑油温升高、温升快, 造成润滑油的黏度下降, 齿轮搅油功率损失小.

(4) 在载荷较大的情况下(扭矩T >500N #m , 使用功率P >52k W ), 对于同种润滑油, 采用循环水冷却优于自然散热, 自然散热的效率提高不显著, 甚至有所下降, 此时的功率损失主要为齿轮啮合功损, 搅油功耗占总功耗的比例越来越小. 其主要原因是温度对润滑油的黏度的影响所至, 采用循环水冷却效果好, 润滑油温低, 润滑油的黏度下降小, 对齿轮的啮合表面形成动力油膜有利.

(5) 选用的美孚SHC630润滑油的试验结果与其它实验结果不同, 出现异常现象, 2种冷却方式的效率曲线非常相似, 不发生高载荷时效率曲线相交的情况, 且在同种试验条件下, 与其它几种相比, 其效率值最高, 工作温升最小. 主要原因是此种油是一种添加了极压添加剂的合成油, 不论载荷如何变化, 都能很好地形成动力油膜, 对油膜的厚度影响不明显. 由此可知, 不论载荷大小, 黏度适中的含极压添加剂的合成润滑油均是最佳的选择.

(6) 高载时, 如果现场无法选用到高黏度润滑油, 也可采用冷却效果好的冷却方式, 来改善温度对润滑油黏度的影响, 保持其黏度的稳定, 保证啮合齿面动力油膜形成, 得到抗磨减摩的效果, 提高齿轮的传动效率和使用寿命.

212 恒定扭矩下润滑油对效率的影响

在煤矿机械中还存在另一种工况:定载荷、变转速, 如掘进机的行走机构、提升和调度设备的绞车等. 针对该种工况, 试验采用载荷恒定的方法, 即保持扭矩不变(扭矩T =600N #m ), 试验时设定工作转速为500~1000r/mi n , 转速变幅为100r/mi n , 转速变换方法采用由小到大逐级增加, 其他条件同211节

图3 在恒载荷下润滑油与效率的关系曲线

F i g 13 T he curves o f l ubr i cating o ils -effic i ency i n constant l oad i ng

(1) 在低转速时, 油温度低, 效率低; 油温度高, 效率高. 说明润滑油黏度对功率损失影响较大, 温度低时, 润滑油黏度高, 造成搅油功率损失大. 此种工况推荐选用黏度低的润滑油为宜.

(2) 在高转速时, 油温度低, 效率高; 油温度高, 效率低. 说明转速和润滑油黏度对形成动力油膜

[3, 5]的影响, 温度高, 润滑油黏度虽然有所下降, 但随着转速增加, 啮合功损(滑动摩擦功损小) 和搅油

功率损失均要增大, 但啮合功损增加更明显, 造成工作效率下降. 此时适宜选用黏度高的润滑油.

(3) 在同一油温下, 高油温状态, 即采用自然散热冷却, 转速高, 效率低, 随着转速的增高, 效率逐渐下降. 这说明在润滑油温度较高时不能形成正常的润滑油膜, 使得齿轮啮合齿面直接接触, 加剧了齿轮啮合面间的摩擦损失功率, 导致效率逐渐降低. 此时应选用黏度高的润滑油, 以保证齿面形成良好的润滑油膜.

(4) 在同一油温下, 低油温状态, 即采用循环水冷却, 转速高, 效率高, 随着转速增高, 效率逐渐提高. 这也说明在润滑油温度较低时能形成良好的润滑油膜, 改善了齿轮啮合齿面间的摩擦和磨损, 减小了齿轮啮合面间的摩擦损失功率. 在保证正常润滑的前提下, 可选用黏度低的润滑油, 以减小搅油功率损失.

(5) 通过对比可清楚地看出, 在同种试验条件下, 美孚SHC630齿轮油效率最高, 工作油温最低, 证明其润滑性能最好. 不论何种转速, 选用黏度合适的含极压添加剂的合成润滑油为最理想.

(6) 30号齿轮油的试验结果出现了异常现象. 采用循环水冷却的低油温状态, 当n 700r /min 时, 效率随转速的提高而提高; 当n =700r/mi n 时, 是效率曲线的拐点, 此时效率最低. 其原因主要是30号齿轮油的黏度最高所至, 低油温、低转速(n

[6]700r /min) 时, 黏度高, 搅油功率损失大, 说明此时主要功率损失主要是搅油功率损失大; 低油温、

高转速(n >700r /mi n ) 时, 黏度高, 能改善齿面的摩擦和磨损, 啮合功率损失小, 说明此时主要功率损失主要是啮合功率损失. 采用自然散热冷却的高油温状态, 试验结果刚好相反. 但对于2种情况, 均出现当转速高于900r /mi n , 效率随转速的提高而不明显. 这说明当转速高于900r /min 以后, 啮合功率损失与搅油功率损失得到了一种平衡状态, 转速对效率几乎没有影响. 由此可见, 在选用高黏度的润滑油时, 应综合考察实际工况, 当转速较低时, 不宜选用; 当转速较高时, 最适宜选用, 同时对保证齿面弹流润滑也.

3 结 论

(1) 在恒转速(n =1000r/mi n 左右) 的工况下:当工作载荷不大时(扭矩T [500N #m, 使用功率P [52k W ), 功率损失主要是搅油功耗, 在保证齿面有效润滑的前提下, 应尽量选用黏度低的润滑油和自然散热冷却方式, 不论在设计还是使用时, 均不必考虑强迫散热; 当高工作载荷时(扭矩T >500N #m, 使用功率P >52k W ), 功率损失主要是齿轮啮合功损, 为了改善啮合齿面的摩擦与磨损, 应尽量选用黏度高润滑油和循环水冷却方式.

(2) 在工作载荷恒定(扭矩T =600N #m, 使用功率P =63k W ) 的工况下, 低转速时, 功率损失主要是搅油功耗, 润滑油黏度对功率损失影响较大, 应尽量选用黏度低的润滑油和自然散热冷却方式; 高转速时, 随着转速增加, 啮合功损(滑动摩擦功损小) [5]和搅油功率损失均增大, 但啮合功损增加得更明显. 为了减轻齿轮啮合面间的摩擦与磨损, 应尽量选用黏度高润滑油和循环水冷却方式.

[7-8](3) 不论何种工况, 抗极压的美孚SHC630合成齿轮油都呈现出良好的润滑性能, 有利于动力润

滑油膜的形成, 除减摩抗磨作用外, 还具有极好的抗泡性和水分离性, 应优先考虑选用.

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