礦用自卸車分動箱熱平衡的研究

蔣中秋，常安全

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司技術研發中心，江蘇 常州 213011）

礦用自卸車分動箱熱平衡的研究

蔣中秋，常安全

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司技術研發中心，江蘇 常州 213011）

針對礦用自卸車分動箱試制過程出現的熱平衡問題，經過理論分析及多次改進與試驗，找出分動箱的熱平衡與唇口密封、軸承座尺寸與形位公差以及齒輪的浸油深度等之間的內在聯系，提出有效降低分動箱溫升的解決方案。本文研究結果可作為今后相類似的平行軸類齒輪箱設計的參考依據。

礦用；自卸車；分動箱；熱平衡

1 背景

某公司為某型號礦用自卸車設計開發一款分動箱，該分動箱安裝在柴油發動機與發電機之間，結構形式為一進三出。動力由發動機輸入，輸出動力分別傳遞至液壓泵、發電機與水泵（見圖1）。分動箱的額定輸入轉速為1800r/min，傳動比分別為0.91（液壓泵）、1（發電機）和0.63（水泵）。

分動箱在運行的過程中，唇口密封的摩擦力、軸承的滾動阻力、齒輪的風阻、攪油損失和嚙合損失都會產生熱量，同時分動箱的殼體向外散發熱量，當分動箱產生的熱量與散熱量相等時，分動箱達到熱平衡狀態，熱平衡時的溫度減去環境溫度便是分動箱的溫升。如果分動箱熱平衡時溫升過高，對密封件壽命、軸承壽命、齒輪抗點蝕、膠合能力及潤滑油泄露都會產生負面的影響。該款分動箱安裝在發動機的后側，散熱環境非常惡劣。因此，有很高抗溫升能力要求。

2 熱平衡問題描述

分動箱裝配后，在電機試驗臺進行空載試驗（見圖2），運行環境為大的非密封空間，環境溫度29℃，使用美孚85W-90/GL-5齒輪油，分動箱以700r/min轉速試運轉0.5h后，再以1800r/min的轉速連續運轉3.5h，實時記錄分動箱的運行狀態。

運行過程中，分動箱噪聲與振動正常，但是出現溫升異?，F象，分動箱熱平衡溫度超過120℃，溫升超過ΔT=120℃-29℃=91℃，遠超過設計要求規定的最高溫升ΔT≦50℃，運行過程中雙唇口密封圈副唇發生燒蝕現象。

圖1 分動箱結構簡圖

圖2 空載試驗臺

3 熱平衡影響因數的分析

參考GB/Z19414-2003《工業用閉式齒輪傳動裝置》內附錄D有關熱平衡的相關資料進行分析。

齒輪箱的總功率損失：

式中：PVZO、PVZP為與輪齒系統的與載荷無關、與載荷有關的損失；PVLO、PVLP為軸承的與載荷無關、與載荷有關的損失；為密封的與載荷無關的損失；為其他齒輪箱零件的損失。

由于本次試驗為空載跑合試驗，不存在與載荷有關的輪齒系統損失PVZP與軸承損失PVLP以及其他齒輪箱零件的損失。因此，總功率損失為：

該分動箱采用飛濺潤滑，輪齒系統與載荷無關的損失PVZO為：

式中：b為齒寬，mm；lh為4倍的齒輪箱輪廓表面積與齒輪箱輪廓周長的比值，mm；e1、e2、emax、hc為飛濺油系數（見圖3）；；；。

圖3 按照莫茲的飛濺油系數

根據上述公式可知，隨著齒輪浸油深度的e1、e2的增加，齒輪箱的功率損失會大幅增加，這與陳曉玲等人的研究結果相吻合。

軸承與載荷無關的損失PVLO為：

式中：voil為潤滑油噴油速率，L/min；n為軸承轉速，r/min；dm為平均軸承直徑，mm；f0為軸承潤滑系數，單列深溝球軸承軸承油裕潤滑f0= 2。

由上述公式可知，在轉速不變的情況下，軸承的與載荷無關的損失PVLO幾乎為一個定值。但是，以上結論在軸承處于非常理想的運轉狀態下得到的，不符合實際使用狀況。根據李志榮等人的研究得知，如果軸承的軸、孔配合選擇不當，或者軸承的同軸度超差，都會對軸承的徑向游隙產生影響，使軸承發熱量大幅提高。

密封與載荷無關的損失PVD：

該分動箱中密封產生的損失主要來源唇口密封摩擦力矩所做的功。由于不同品牌的唇口密封存在差異，需要參考各自的技術手冊得出油封損失，下圖4為該分動箱所用唇口密封的摩擦損失與線速度、直徑之間的關系。

圖4 丁晴橡膠TRA/CB型密封件摩擦損失

由圖4可知：線速度越高，摩擦損失越大；線速度相同時，唇口密封直徑越大，摩擦損失越大。

綜上所訴，該分動箱熱平衡失常出現的原因可能為：(1)潤滑油位過高，導致攪油損失過大。(2)軸承的軸、孔配合不當，或者同軸度超差，導致軸承功率損失過大。(3)唇口密封選擇或者使用不當，導致密封摩擦損失過大。

4 熱平衡問題解決方案

針對可能存在的問題作首先如下整改：(1)將雙唇口密封圈更換為單唇口密封圈，并根據技術手冊的要求，將與密封圈配合的齒輪軸外徑重新加工至d10公差范圍內，減少密封圈的摩擦阻力；(2)根據相關參考資料，對分動箱所需的潤滑油量進行校核，將分動箱內的潤滑油位高度控制的合理的范圍內，降低齒輪的攪油損失。

完成上述整改措施后，參考第一次試驗方案再次進行空載跑合試驗，環境溫度31℃，對7處軸承位置（剩余1處軸承位置受試驗工裝干涉，不便測量）溫度進行監控，記錄溫升曲線曲線（見圖5）。此次試驗結果較上次以有明顯改善，但分動箱最大溫升ΔT=83℃-31℃=52℃，依舊超出設計要求，且不同位置之間的軸承最大溫差達到14℃，將對軸承的同壽命設計產生不利的影響。

圖5 第二次空載試驗溫升曲線

針對第二次試驗中依舊存在的問題，對分動箱箱體進行拆箱檢測、分析，發現存在以下問題：（1）軸承座徑向尺寸公差等級（JS7）與軸承外圈配合偏過盈。（2）前后箱體為分體加工，上下箱體軸承孔同軸度超差。（3）軸承座設計存在缺陷，潤滑油難以浸入軸承座與軸承進行熱交換。以上缺陷會導致軸承徑向游隙偏小，發熱量大幅提高。

圖6 潤滑油道加工圖

根據以上分析進行整改：（1）分動箱前、后箱體合箱加工，將軸承座徑向尺寸公差加工至H7范圍內。（2）如圖6所示在箱體內加工出熱交換潤滑油路。

整改完畢后，再次進行空載試驗，環境溫度36℃，記錄溫升曲線（見圖7），得出分動箱最大溫升ΔT=72℃-36℃=36℃，完全符合設計要求，且不同位置之間軸承的最大溫差降至6℃。至此，分動箱的熱平衡已經達到較為理想的狀態。

圖7 第三次空載試驗溫升曲線

5 結語

通過理論分析與多次改進試驗，找出與分動箱熱平衡相關的影響參數，研究結果可應用于結構類似的平行軸齒輪箱之中。根據本文的研究，得出以下可有效控制齒輪箱溫升的方案：

（1）在齒輪箱密封設計中，盡可能采用O型圈等靜密封方案，減少使用唇口密封的次數；在使用環境許可的前提下，盡可能采用單唇口密封；盡可能選擇直徑較小的唇口密封。（2）在保證潤滑充分的情況下，盡可能降低齒輪的浸油深度，并盡可能減少浸入潤滑油中的齒輪的數量；選擇黏度合適的潤滑油。（3）盡可能保證軸承座之間的同軸度；如同軸度無法保證，應適當調整、放寬軸承座徑向尺寸的公差帶，或者選擇大徑向游隙軸承，以免軸承出現負游隙的情況。（4）盡可能設計出與軸承可以進行熱交換的潤滑油通道，這點對圓錐滾子軸承尤為重要。（5）在結構允許的情況下，盡可能增加齒輪箱箱體的表面積；在滿足經濟性的前提下，盡可能增加齒輪箱內潤滑油的存儲量。

6 展望

本文的研究對象結構較為簡單，且只有一個齒輪浸油，研究結果不適用于結構復雜、有多個齒輪浸油的齒輪箱。今后可進行多個齒輪同時浸油、且浸油齒輪不同旋轉方向對齒輪箱熱平衡影響的研究，使研究結果適用性更為廣泛。

[1]GB/Z19414-2003，工業用閉式齒輪傳動裝置[S].

[2]陳曉玲，劉松麗，黃智勇，等.高速列車傳動齒輪箱浸油深度對平衡溫度的影響[J].鐵道學報，2008,30(1):89～92.

[3]李志榮，王雅萍.高速重載軸承發熱原因及預防[J].礦山機械，2007,35(9):135～138.

U463.2；U467

A

1671-0711（2016）12（上）-0073-03