熱牽伸機減速器冷卻系統的改進

孫亞強

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部，上海 200540)

腈綸聯合裝置熱牽伸機是腈綸紡絲工段的核心設備，從水洗機出來的腈綸，經過預熱水槽再到熱牽伸機進行高倍拉伸。熱牽伸機主要由7根輥和一個傳動箱組成，其中一輥筒軸為主動軸。傳動裝置由電動機提供動力，經過減速器減速后驅動主動軸，其余各輥筒軸通過齒輪依次傳動。減速器失效會造成熱牽伸機故障，直接影響紡絲工段運行的穩定性，嚴重影響正常生產。作為一種動力傳輸工具，減速器在降速的同時提高輸出扭矩，由于負載能力大，齒輪在傳動過程中受到的磨損也最嚴重。

減速器的功率和熱容量是固定的，當連續運轉時的熱平衡溫升超過減速器的熱容量時，會造成潤滑油溫度升高，影響油膜的形成，從而加速減速器軸承、齒輪和油封等關鍵部件的損壞，因此需根據減速器自身的特點和工況條件選擇合適的潤滑油冷卻系統，使潤滑油的工作溫度保持在額定范圍內，提高減速器的工作可靠性。

文章以熱牽伸機減速器為研究對象，分析了潤滑油溫度高的原因，提出了具體的改進措施，并對改造前后的效果進行了對比，對實際工程應用具有一定的參考價值。

1 原因分析

由于生產負荷增大，熱牽伸機的紡速加快，導致熱牽伸機減速器的運行負荷過高。雖然紡速提升后并未造成減速器的超負荷運行，但是卻超出了該減速器的預定熱容量，減速器的溫度長期在70 ℃左右，減速器溫度過高會引起很多問題：

(1)減速器持續的高溫會降低潤滑油的黏度，使減速器齒輪在嚙合時無法形成良好的油膜，增加齒輪之間的接觸磨損；

(2)潤滑油容易變質，油的性能下降，更嚴重的是造成軸承的潤滑油道被積炭堵塞，使軸承潤滑不良，降低軸承的使用壽命；

(3)加速油封的變質老化，導致減速器漏油；

(4)使齒輪及相關工件溫度過高從而引起剛性度降低，軸的同心度降低，造成振動加大。

減速器在運轉過程中，運動副摩擦會產生大量的熱量，潤滑不良、負載過大等都會造成減速器的溫度過高，而造成熱牽伸機減速器溫度升高的主要原因是改造后減速器的負載相比之前增加了很多[1]。這表明現有的減速器冷卻方式不能滿足散熱需求，需增加一個潤滑油冷卻系統，帶走運行中產生的多余熱量，使減速器內的潤滑油溫度保持在一定的范圍內，提高減速器可靠性。

2 減速器冷卻系統改進

2.1 冷卻方式分析

對減速器進行冷卻降溫首先要考慮溫度升高的原因，再根據原因有針對性地采取措施。如果溫度高是由于減速器本身的故障引起的，首先要排除減速器存在的故障然后再采取降溫措施。該減速器溫度升高是由于減速器負載加大引起的，可以直接增加降溫措施進行處理。常見的降溫措施有：空氣冷卻、盤管冷卻、外部冷卻[2-4]。

(1)空氣冷卻是通過人工增加減速器周圍的空氣流動速度，提高減速器的自然散熱，帶走運行產生的多余熱量，保持設備溫度的穩定性。這種降溫措施的優點是成本低，不需要消耗大量的工業用水，但是由于減速器的外表面比較平整，散熱面積小，對減速器而言這種方式降溫效果有限。原減速器改造前的冷卻方式就是在減速器附近放置工業風扇，對著齒輪箱的箱體吹風，達到降溫目的。在熱牽伸機紡速提升前，使用工業風扇散熱可以達到降溫效果；紡速提升后，原有的風扇冷卻已不能滿足散熱要求，需對原有的冷卻系統進行改進。

(2)盤管冷卻是一種水冷降溫方式，與風冷相比只是降溫介質不同，而且盤管冷卻的換熱更快，降溫效果更好。冷卻水盤管安裝在減速器底部的油池中，通過冷卻水泵使盤管中流動的冷卻水與潤滑油進行換熱，帶走減速器運行過程中產生的多余熱量使減速器內潤滑油的溫度下降。這種方式降溫效果好、結構簡單且易于系列化，但由于該減速器在設計時沒有預留盤管位置，很難實施這種降溫方式。

(3)外部冷卻是指在減速器外部設置一個水冷或者風冷裝置，將減速器內的高溫潤滑油引入到外置散熱裝置中進行冷卻，冷卻后的潤滑油再回到減速器內進行潤滑，并不斷循環以達到降溫目的。與前兩種方式相比，這種冷卻方式在增加降溫成本的同時也會增加設備的故障率，但降溫效果比前兩種方式更好。

通過對3種降溫措施進行對比分析可知，前兩種方式都有各自的局限性，不能滿足降溫要求。雖然外部冷卻需要額外安裝冷卻設備增加成本，但使用外置冷卻設備所需要的停機時間更短，冷卻器的安裝技術難度小，具有更便捷的改造性。因此，采用外部冷卻來處理熱牽伸機減速器高溫是最為合適的方式[5-7]。

2.2 增加潤滑油冷卻系統

由于原減速器的高溫不能滿足熱牽伸機的安全運行要求，因此可以通過降低潤滑油的溫度來間接降低減速器的溫度。主要是將減速器內的潤滑油送到外部換熱器內用冷卻水進行循環冷卻，冷卻后的潤滑油重新回到減速器內，即增加了一個潤滑油冷卻系統。潤滑油冷卻系統主要由潤滑油管、磁性過濾器、擺線齒輪油泵、冷卻水管和列管式油冷卻器組成。列管式油冷卻器的換熱面積(F)計算如下：

F=Q/(K△Tm

(1)

Q=ρVCp△T

(2)

△Tm=[(T1+t2)-(T2+t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1)]

(3)

式中，Q為潤滑油換熱量，W；V為潤滑油油量，取油泵額定流量0.72 m3/h；ρ為潤滑油密度，取850 kg/m3；Cp為比熱容，取1.85 kJ/(kg·K)；△T是潤滑油溫差，△T=T2-T1；△Tm是對數平均溫差；T1是進油溫度，取70 ℃,T2是出油溫度，取50 ℃；t1是冷卻水進口溫度，取20 ℃，t2是冷卻水出口溫度，取30 ℃；K是換熱系數，根據資料取900 W/(m2·℃)。

由公式(1)～(3)計算可知:油冷卻器的換熱面積為0.20 m2，乘以1.10的裕量因子，算出的換熱面積為0.22 m2。對照廠家型號，選型如下：設計壓力殼程1.0 MPa，管程1.0 MPa，換熱面積0.23 m2。減速器潤滑油冷卻系統見圖1。

圖1 減速器潤滑油冷卻系統示意

潤滑油冷卻系統運行時，擺線齒輪油泵先將減速器內的潤滑油從減速器底部的排油孔抽出，經過一個磁性過濾器，再依次通過擺線齒輪油泵的進口和出口，然后進入油冷卻器與冷卻水進行熱量交換，最后從減速器頂部返回油池。

此系統有兩個特點：一是潤滑油在油泵的作用下，從齒輪的上部返回油池，潤滑油的潤滑方式由原來的油浸式飛濺潤滑變成強制潤滑，這樣可以保證齒輪的嚙合面有足夠的供油量，有利于油膜的形成；二是當潤滑油通過磁性過濾器時，潤滑油中的鐵屑等雜質就會吸附和沉淀在磁體周圍，保證潤滑油的清潔。

3 效果對比

潤滑油冷卻系統安裝投入使用后，減速器箱體溫度控制在50 ℃以下，潤滑油溫度明顯下降，未發現任何異常情況。同時減少了故障發生次數，降低了設備的檢修維護費用，提高了生產效率。表1分別選取了改造前后減速器箱體的5個溫度測量值。

表1 改造前后減速器箱體溫度對比

從表1可以看出：改造后箱體溫度平均降低了20 K，潤滑油油溫控制在正常狀態，設備運轉情況達到了改造的預期效果，實踐證明改造是成功的。

4 結論

通過對減速器冷卻系統進行改造，增加一套潤滑油冷卻系統，運用油冷卻器對運行過程中溫度升高的潤滑油進行熱量交換，取得了明顯的運行效果。

(1)改善了減速器齒輪齒面的潤滑。改造后已運行半年多時間，齒面未出現點蝕加劇和磨損加重情況，延長了減速器的安全運行時間。

(2)潤滑油冷卻效果明顯。改造后，減速器的箱體溫度未超過50 ℃，各類油封、軸承也沒有更換，潤滑得到了改善，極大地減少了檢維修的工作量，提高了運行效益。