高速齒輪箱的潤滑與密封

張朝能

南京高精齒輪集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 211100

在工業(yè)領(lǐng)域，齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用較多的一類結(jié)構(gòu)形式。實(shí)際應(yīng)用階段，為了滿足相應(yīng)系統(tǒng)的需要，相關(guān)研發(fā)人員著手進(jìn)行了不同類型的齒輪傳動(dòng)以及不同齒輪箱的開發(fā)、設(shè)計(jì)。其中，高速齒輪箱（一般指工作轉(zhuǎn)速＞3000r/min或圓周速度＞25m/s的箱體）是一種較為特殊的構(gòu)件，在機(jī)組正常運(yùn)行過程中肩負(fù)著重要任務(wù)。為了盡可能減少高速齒輪箱在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲以及劇烈震動(dòng)問題，延長各類構(gòu)件的使用壽命，高速齒輪箱均“融入”了可行的潤滑、密封措施。

1 高速齒輪箱的潤滑系統(tǒng)

從高速運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪自身的特點(diǎn)分析，良好的潤滑效果是保證齒輪箱穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，對傳動(dòng)件運(yùn)行產(chǎn)生熱量的消除有著重要意義。在潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，潤滑方式的選擇是整個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)的首要環(huán)節(jié)。目前常用的兩種潤發(fā)方式主要為壓力潤滑以及浸油潤滑，前者適用于齒輪轉(zhuǎn)速較高（線速度＞12m/s）的情形，可保證箱體內(nèi)部各傳動(dòng)件的有效潤滑，并有效冷卻被攪熱的潤滑油，但其實(shí)現(xiàn)與維護(hù)成本相對較高；后者的結(jié)構(gòu)相對緊湊、簡單，制造與維護(hù)的難度較低，但不適用于轉(zhuǎn)速過高的情形。為兼顧齒輪箱潤滑系統(tǒng)的性能與制造、維護(hù)成本，在設(shè)計(jì)階段，一般優(yōu)先選擇浸油潤滑方式。

在潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，除考慮潤滑方式的選擇外，油泵的動(dòng)力問題以及系統(tǒng)的回油問題也是需要設(shè)計(jì)者慎重考慮的問題。現(xiàn)階段的潤滑油路中，常采用電機(jī)作為油泵的動(dòng)力源或者直接從箱體內(nèi)部傳動(dòng)軸取力兩種方式解決動(dòng)力問題。就實(shí)現(xiàn)難度而言，以電機(jī)提供動(dòng)力相對簡單，但要單獨(dú)設(shè)計(jì)、配置電機(jī)，這直接增加了整個(gè)潤滑系統(tǒng)的成本。從傳動(dòng)軸取力避免了上述問題，但增加了泄漏環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的密封效果產(chǎn)生了一定的影響。在潤滑系統(tǒng)的控制方面，溫控閥結(jié)構(gòu)有著較為重要的意義，一般高速齒輪箱溫控閥的工作原理為：（1）當(dāng)油溫＜45℃時(shí)，潤滑油進(jìn)入齒輪箱；（2）當(dāng)油溫≥45℃時(shí)，溫控閥動(dòng)作；（3）待潤滑油經(jīng)冷卻器冷卻至額定穩(wěn)定后，再次進(jìn)入齒輪箱。

2 高速齒輪箱的密封措施

在高速齒輪箱的設(shè)計(jì)中，考慮到傳遞動(dòng)力的需要，部分傳動(dòng)軸軸端需采用透蓋結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)常采用稀油潤滑，這直接增加了箱體發(fā)生漏油故障的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于齒輪箱漏油可能帶來經(jīng)濟(jì)損失、內(nèi)部結(jié)構(gòu)潤滑效果降低以及嚙合面磨損加劇等嚴(yán)重后果，高速齒輪箱需要具備可靠的密封條件。當(dāng)前稀油潤滑齒輪箱大多采用迷宮式密封、油封密封以及集油罩密封三種形式，在實(shí)踐階段，密封結(jié)構(gòu)的選擇需要慎重考慮各種形式的優(yōu)勢、缺陷以及適應(yīng)范圍，繼而結(jié)合高速齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，合理選擇密封措施。以下就三種密封形式的優(yōu)劣勢與應(yīng)用范圍分別進(jìn)行分析。

2.1 迷宮式密封

迷宮式密封大致可分為軸向迷宮結(jié)構(gòu)、徑向迷宮結(jié)構(gòu)兩種類型，其主要原理是：與旋轉(zhuǎn)件（連接軸）、固定件（連接箱體）形成狹窄間隙，通過足夠的曲折途徑，實(shí)現(xiàn)泄漏油壓力的減少，繼而規(guī)避漏油問題。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，如何確定曲折途徑的長度，以及采取何種結(jié)構(gòu)，都是設(shè)計(jì)者需要慎重考慮的問題。一般而言，曲折途徑的長度過短，不能達(dá)到預(yù)期的密封效果；設(shè)計(jì)長度過長，將直接增加后續(xù)加工與裝配的難度。因此，迷宮式密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在兼顧實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性的情況下，根據(jù)箱體內(nèi)部潤滑油的實(shí)際壓力、油品的特性等信息，合理計(jì)算曲折途徑的長度，繼而確保最終的密封結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的密封效果。而在密封形式的選擇方面，可根據(jù)箱體的空間尺寸，選擇密封形式，或者對密封形式進(jìn)行有效結(jié)合（如將徑向結(jié)構(gòu)與接觸式密封相結(jié)合）。

2.2 集油罩密封

與迷宮式密封相比，集油罩密封的實(shí)現(xiàn)難度相對較低，其具體操作為：在軸上安裝甩油環(huán)，將箱體泄露的潤滑油甩入預(yù)先設(shè)置的集油罩內(nèi)。而在集油罩的設(shè)計(jì)上，為了充分利用泄露的潤滑油，多數(shù)情況下，集油罩是與箱體直接相連的，通過集油罩上向下傾斜的回油孔，集油罩收集的潤滑油將再次流回箱體。從原理來看，此種密封結(jié)構(gòu)能夠較好的滿足齒輪箱密封的需求，還可將泄漏的潤滑油進(jìn)行充分利用，是一種相對理想的密封措施。但在實(shí)踐階段，仍然需要解決三個(gè)問題，即如何進(jìn)油，如何有效擋油以及怎么回油。以進(jìn)油控制為例，在設(shè)置進(jìn)油量時(shí)，進(jìn)油量的合理控制至關(guān)重要，需要兼顧供油充足以及進(jìn)油量限制兩個(gè)方面。

2.3 油封密封

油封密封是齒輪箱密封較為常用的一種策略，其主要原理為：油封裝至軸上，其自緊彈簧和刃口壓力將對密封軸產(chǎn)生徑向抱緊力，繼而遮斷泄露間隙。在油封密封這一方式的應(yīng)用實(shí)踐中，最常遇到的便是發(fā)熱問題與漏油問題，而漏油現(xiàn)象的發(fā)生更是整個(gè)油封密封技術(shù)失效的直接體現(xiàn)。從油封密封的發(fā)熱原因來看，主要與摩擦有關(guān)，而發(fā)熱狀況的影響因素則包含摩擦系數(shù)、油封唇口壓力以及軸徑線速度等。基于現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)，要解決油封密封存在的發(fā)熱問題，或者改善此種密封結(jié)構(gòu)存在的發(fā)熱現(xiàn)象，就需要從減少摩擦系數(shù)（如選擇質(zhì)量相對較好的優(yōu)質(zhì)密封或者優(yōu)化油封材料等）入手。

3 結(jié)語

在高速齒輪箱的正常運(yùn)行中，潤滑系統(tǒng)以及密封結(jié)構(gòu)的工作狀況與整個(gè)齒輪箱的性能有著密切關(guān)聯(lián)，潤滑、密封設(shè)計(jì)的合理性，對齒輪箱的整體性能有著重要影響。而從保障齒輪箱以及相應(yīng)機(jī)組的穩(wěn)定性分析，要充分發(fā)揮高速齒輪箱的自身優(yōu)勢，就需要齒輪箱設(shè)計(jì)者高度重視潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及密封措施的選擇，結(jié)合高速齒輪箱工作的實(shí)際需要，合理設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)與密封結(jié)果，并注意各類常見的故障（如油封密封結(jié)構(gòu)的發(fā)熱問題），采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。