供油壓力對齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗研究

吳森林，向宏輝，顧楊，唐凱，張曉良

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

供油壓力對齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗研究

吳森林，向宏輝，顧楊，唐凱，張曉良

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

目前大功率齒輪箱仍采用強制供油的方式進行潤滑，其供油壓力越大潤滑程度越好，但同時產生的傳遞扭矩損失也越大。針對試驗過程中供油壓力不穩定問題，開展了供油壓力對齒輪箱傳遞扭矩影響的試驗研究，建立了齒輪箱扭矩損失隨轉速、供油壓力的數據模型和扭矩修正方法，并在小功率壓氣機上進行了試驗驗證。結果表明，該扭矩修正模型能消除供油壓力不穩定造成的齒輪箱傳遞扭矩差異的影響，可在一定程度上提高小功率壓氣機低速性能試驗評估的準確性。

傳動系統；齒輪箱；壓氣機；供油壓力；扭矩測量；修正模型

1　引言

齒輪傳動效率是指齒輪在功率傳輸和旋轉嚙合過程中，由于受摩擦和拖曳作用導致的功率損失。對于單對齒輪副，其功率損失包括摩擦損失、風阻損失和攪油損失。其中摩擦損失和風阻損失主要受齒輪副轉速的影響（對于特定齒輪副，即與轉速相關），而攪油損失則受供油壓力（或供油量）的影響較大，并成正比關系。針對功率損失對傳動效率的影響，國外開展了大量的研究。Mihailidis等［1］推導了考慮表面粗糙度、溫度、非牛頓流體等情況下的摩擦系數。Yada［2］通過測量齒輪箱內油溫的方法，獲得了齒輪的摩擦功率損失。Masatoshi等［3］利用試驗的方法，研究了齒廓形狀、滑動速度、載荷、齒面粗糙度和潤滑油粘度對摩擦功率損失的影響。Bones［4］測量了不同尺寸圓盤在多種潤滑油中攪動時的扭矩損失。Rob等［5］指出，高速輕載工況條件下，齒輪的風阻功率損失與摩擦功率損失近似。Ikejo等［6］通過測量齒輪表面和潤滑油溫度，分析了齒輪在不同潤滑油的攪油功率損失。以上研究結果表明，齒輪傳動的功率損失不僅與結構設計、加工精度有關，還受到滑油溫度、粘度、供油量等因素的影響。

國內針對齒輪的風阻、攪油功率損失的研究較少。陳士煊［7］討論了航空齒輪傳動系統的風阻問題，并結合國內外的各機種方案，提出了抑制風阻技術及措施，為風阻功率損失計算提供建模參考。范曾智等［8］以潤滑油溫升曲線，預測了齒輪傳動系統的攪油功率損失。霍曉強等［9］針對單齒輪傳動箱體，通過攪油損失試驗探討了攪油功率損失與轉速、靜態浸油深度及油溫之間的變化規律，并通過試驗數據得到單齒輪攪油損失計算公式。

中國燃氣渦輪研究院在某型壓氣機試驗中，試驗器齒輪增速器采用了懸掛式結構，安裝于排氣道與壓氣機之間。用于獲取扭矩、轉速的轉矩轉速傳感器，安裝于排氣道與動力系統之間。扭矩的測量值包含壓氣機的扭矩、懸掛式齒輪箱的扭矩和排氣道軸系的扭矩（較小可忽略）。因此要準確評估壓氣機的扭矩效率，就需要消除懸掛式齒輪箱傳遞效率的影響。壓氣機帶載試驗前雖然進行了懸掛式齒輪箱的空載調試，理論上可以排除齒輪箱單一部件產生的扭矩值，但由于設備供油系統老化，供油壓力受供油泵長時間工作性能衰減的影響會逐步降低，以及所供滑油用于齒輪箱潤滑冷卻，當齒輪箱在工作過程中軸承溫度偏高時，工作人員將提高供油壓力，這就使得齒輪箱在帶載試驗中的扭矩值與空載調試值存在一定偏差。這種偏差在大功率大流量壓氣機性能試驗中占比不大，但對小功率小流量壓氣機中低轉速性能將造成較大影響。另外，根據現有行業規范，在壓氣機效率評定中，低相對換算轉速下溫升效率誤差較大。目前壓氣機效率評定多采用扭矩效率，因此修正高速齒輪箱在不同真實試驗工況下扭矩傳遞中的損失，對于準確評定壓氣機低速特性具有重要意義。

2　試驗研究方案

2.1試驗方法

針對不同供油壓力下齒輪箱傳遞效率的測量問題，最有效的方法是直接采用標準負載源進行試驗標定。但目前國內還很難找到一套滿足需要的大功率高轉速標準負載，因此本文采用通過空載調試的方法，獲取齒輪箱在不同轉速與供油壓力條件下的扭矩值，進而獲得不同轉速與供油壓力下懸掛式齒輪箱的功率消耗特性。然后根據壓氣機試驗中各轉速下的供油壓力對扭矩進行修正，最后得到修正后的壓氣機扭矩效率。

2.2試驗設備

壓氣機試驗器主體主要由進氣室、懸掛式齒輪箱、排氣道、扭矩測速儀、動力系統等組成。試驗件（測試壓氣機）位于進氣室與懸掛式齒輪箱之間，所需功率由動力系統輸出，經扭矩測速儀、排氣道軸、懸掛式齒輪箱傳遞到試驗件輸入軸上，如圖1所示。扭矩測速儀測得的功率（或扭矩），包括試驗件和懸掛齒輪箱在高速運轉中共同消耗的功率（或扭矩）。因此，要準確評估壓氣機的工作狀態，特別是高轉速小型壓氣機低相對換算轉速的效率特性，就必須排除懸掛式齒輪箱產生的額外負載。

圖1　壓氣機試驗器結構簡圖Fig.1 The abbreviated drawing of the compressor testing facility

懸掛式齒輪箱采用三分流結構，輸入、輸出軸與設備軸系在同一軸線上，其潤滑冷卻方式為強制供回油，潤滑油質為32號汽輪機油。

2.3測試系統

扭矩測量系統（圖2）主要由JC型轉矩轉速傳感器、二次儀表和計算機組成。JC型轉矩轉速傳感器將感受到的齒輪箱轉矩、轉速轉換成具有相位差的交流電信號，然后經二次儀表轉換成數字信號，最后進入計算機完成采集。

圖2　扭矩測量系統結構Fig.2 The abbreviated drawing of the torque measure equipment

3　試驗結果與分析

試驗在大氣環境下進行，供油溫度保持為環境溫度（12.8℃）。首先將高速齒輪箱供油壓力調至140 kPa，啟動電機，將懸掛式齒輪箱輸出轉速依次調至9 000、10 000、11 000、12 000、13 000、14 000、15 000、16 000、17 000、18 000 r/min，分別記錄扭矩測量系統測取的扭矩值和懸掛式齒輪箱供油壓力，降速過程中懸掛式齒輪箱輸出轉速在17 000、16 000、15 000、14 000、13 000、12 000、11 000、10 000、9 000 r/min時也分別記錄了扭矩測量系統測取的扭矩值和懸掛式齒輪箱供油壓力。為盡可能減小測試誤差影響，數據記錄時采用瞬態采集模塊進行多遍記錄取其平均值。然后將供油壓力分別調至120 kPa、100 kPa、85 kPa，重復升速和降速步驟。

圖3給出了不同供油條件下扭矩隨轉速的變化趨勢，圖中以85 kPa供油壓力下齒輪箱降速至9 000 r/min時的扭矩為零點值，其他狀態點的扭矩為相對零點值。可見，在升速或降速過程中，扭矩隨轉速基本呈線性變化，試驗點的離散度較小；高轉速下升速和降速兩種狀態的扭矩差異較小，但低轉速時差異較明顯。圖4給出了各轉速下扭矩隨供油壓力的變化趨勢。可見，扭矩隨壓力的增大而增大，基本滿足線性關系，且不同轉速下的增幅（斜率）較為接近。

圖3　扭矩隨轉速的變化關系Fig.3 The relationship between torque and rotation speed

圖4　扭矩隨供油壓力的變化關系Fig.4 The relationship between torque and oil supply pressure

由于試驗中供油壓力不斷變化（圖5），且轉速調節時很難保證實際轉速與目標轉速完全一致（圖3），因此數據處理時首先采用插值的方法，將升速過程和降速過程的供油壓力、轉速調整至目標值，求出對應的扭矩值。其中，扭矩與供油壓力之間采用樣條插值，扭矩與轉速之間采用線性插值。然后建立起升速和降速過程中扭矩隨轉速、供油壓力的數據模型，如圖6、圖7所示。

圖5　齒輪箱供油壓力隨時間的變化關系Fig.5 The relationship between oil supply pressure and time

圖6　升速過程中數據模型Fig.6 The model of raising speed

圖7　降速過程中數據模型Fig.7 The model of reduction speed

從數據模型中提取出目標轉速、目標供油壓力的狀態點，見圖8。可見，每個轉速下當供油壓力（100 kPa、120 kPa）保持不變時，升、降速之間扭矩重合性較好；供油壓力85 kPa、140 kPa時，升、降速之間扭矩存在差異，可能與狀態點處于模型邊界、插值時存在外部插值導致誤差較大有關。因此，圖4中升、降速之間存在的扭矩值差異，可認為是齒輪箱供油壓力變化所致。常規試驗中，齒輪箱起始供油壓力一般控制在120 kPa左右，降速停車時供油壓力降至90 kPa左右。由圖8可知，供油壓力從120 kPa降至90 kPa時，扭矩降低了約2.4 N·m，當壓氣機在大扭矩狀態下工作時，2.4 N·m的偏差對扭矩效率影響較小；但在小扭矩狀態（如壓氣機扭矩40 N·m）下工作時，扭矩效率偏差達6%。

圖8　模型中不同供油壓力下扭矩隨轉速的變化關系Fig.8 The relationship between the torque and rotation speed at different oil supply pressure

從圖8中還可看出，當齒輪箱供油壓力在100 kPa、120 kPa時，升、降速數據模型的重合性較好。因此本文以升速試驗數據建立修正模型，結合試驗設備的供油能力和齒輪箱常規潤滑環境，以供油壓力120 kPa為基準對扭矩進行修正。首先在升速數據模型中以120 kPa供油壓力下各轉速的扭矩值作為零點值，得到一個新的相對扭矩值修正模型，如圖9所示。表1給出了圖9模型中各轉速下供油壓力引起的扭矩偏差，可見供油壓力相差10 kPa引起的扭矩偏差在0.5～1.0 N·m范圍，且該偏差隨著供油壓力和轉速的增加而增大。因此，帶載試驗過程中應盡量將齒輪箱供油壓力控制在120 kPa左右。到達目標狀態點時，記錄轉速、供油壓力和實測扭矩值，并將轉速和供油壓力通過數據修正模型插值得到修正扭矩，然后再用實測扭矩減去修正扭矩，最后得到齒輪箱在該轉速、供油壓力下的真實扭矩。

圖9　扭矩修正模型Fig.9 The revised model of torque

表1　各轉速下供油壓力引起的扭矩偏差N·mTable 1 The torque deviation caused by the oil supply pressure at different rotation speed

圖10　扭矩修正前后壓氣機特性線對比Fig.10 The comparison between the revised and original performance line

4　模型應用結果

為驗證上述修正模型的有效性，同時盡可能排除其他因素影響，在某小尺寸壓氣機試驗中，通過不停車的形式，將懸掛式齒輪箱供油壓力分別調至121 kPa和110 kPa（供油溫度均為環境溫度13.4℃左右，與扭矩修正模型中環境溫度相差0.6℃，本文在此忽略溫差帶來的扭矩影響），錄取壓氣機30%相對設計轉速時的特性線。從圖10可看出，不同供油壓力下，壓氣機部件的流量-壓比線重合性較好，但流量-效率線存在一定差異。具體表現為：齒輪箱供油壓力為110 kPa時的扭矩效率比121 kPa的扭矩效率高約1.4個相對百分點，經扭矩修正模型修正后（將齒輪箱供油壓力按120 kPa對扭矩進行修正），兩種供油狀態下得到的流量-效率線差異較小，峰值效率偏差為0.8個相對百分點，其真實扭矩效率偏差也在測量精度（1%）要求范圍內。由此可看出，扭矩修正模型能較好地應用在小功率壓氣機的低速性能錄取中，減小供油壓力不穩定帶來的齒輪箱功率損失差異的影響，在一定程度上提高了小尺寸壓氣機性能評估的準確性。

5　結論

（1）供油壓力直接影響齒輪箱在高轉速下的扭矩傳遞效率，當供油壓力相差10 kPa時，將引起齒輪箱傳遞扭矩發生0.5～1.0 N·m的偏差，并且該偏差隨著供油壓力和轉速的增加而增大。

（2）本文提出的扭矩修正模型能減小供油壓力不穩定造成的齒輪箱傳遞扭矩差異的影響，可在一定程度上提高小功率壓氣機低速效率特性評定的準確性。

（3）本研究方法開展于常溫環境，當帶載試驗中環境溫度變化較大時，將會降低數據修正的準確性，因此需進一步開展供油溫度對扭矩傳遞影響的研究。

［1］Mihailidis A，Bakolas V，Panagiotidis K，et al.Prediction of the friction coefficient of spur gear pairs［J］.VDI-Berichte，2002，（1665）：705—719.

［2］Yada T.The measurement of gear mesh friction losses［R］. ASME，1972.

［3］Masatoshi Y，Chofako N，Kyozo N，et al.Study on frictional loss of spur gears（concerning the influence of tooth form，load，tooth surface roughness，and lubricating oil）［J］.Tribology Transactions，1991，34：138—146.

［4］Bones R J.Churning losses of discs and gears running partially submerged in oil［C］//.Proceedings of the ASME 5th International Power Transmission and Gearing Conference. Chicago：1989.

［5］Rob K，Robert F H.Gear windage modeling progress-experimental validation status［R］.Cleveland：U.S.Army Research Laboratory NASA Glenn Research Center.

［6］Ikejo K，Nagamura K.Power loss of spur gear drive lubricated with traction oil［C］//.Proceedings of Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Chicago：2003.

［7］陳士煊.航空齒輪傳動系統的風阻問題［J］.航空動力報，1993，8（3）：96—97.

［8］范曾智，趙汝，王良璧.齒輪傳動系統的攪油損失、散熱量及傳動效率的預測［J］.蘭州鐵道學院學報，1994，13（1）：34—40.

［9］霍曉強，吳傳虎.齒輪傳動系統攪油損失的試驗研究［J］.機械傳動，2007，31（1）：63—65.

The experiment investigation on the influence of oil supply pressure on the gear box

WU Sen-lin，XIANG Hong-hui，GU Yang，TANG Kai，ZHANG Xiao-liang
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

Forced oil supply is widely used to lubricate the high power gear box，and it is known to all that the loss of the torque transmission would raise at better lubricate degree with high oil supply pressure.Focusing on the unstable oil supply pressure in compressor test，an experiment investigation on the oil supply pressure to torque transmission of the gear box was carried out，a model and revised method that torque varies with the rotate speed and oil supply pressure was developed，and a verification test with a low power compressor was done.The results indicate that the model could eliminate the influence on the torque transmission of the gear box caused by the oil supply pressure and improve the accuracy of the performance with the low power compressor test at low rotate speed to a certain extent.

drive system；gear box；compressor；oil supply pressure；torque transmission；revised model

V233.1；V241.06

A

1672-2620（2015）05-0033-04

2015-06-25；

2015-09-25

吳森林（1979-），男，四川鄰水人，高級工程師，碩士，主要從事壓氣機試驗研究。