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怎样提升轮式减速机的热阻率
发布时间:2011.09.10   新闻来源:  浏览次数:
 


    1齿轮箱热功率试验
  齿轮减速器自然散热的热功率按下式计算:
  P=KF(t-t0)[1000(1-Γ)]式中,t0为环境温度,一般取20℃;t为润滑油允许温度,对于煤矿用减速器取90℃;F为散热面积(m2),根据减速器箱体外形尺寸计算;K为导热系数(Jm2s℃),设计手册推荐值K=8.7~17.5;Γ为减速器总效率,它包括齿轮的啮合效率、轴承效率及搅油损失效率等。
  在上述参量中,散热面积F难以计算非常准确,手册推荐的导热系数K值不尽切实可靠,而效率Γ值的大小也难以判定,并且它对热功率的影响最为敏感。例如,对照国外减速器系列标准与《ZBJ19004-88》、《ZBJ19026-89》可以看出,国外三级齿轮减速器系列产品的热功率比国产减速器产品的热功率大得多,后者仅为前者的55~70,其主要原因是国外减速器的制造精度高,总效率可达到0.
  965,而国产减速器制造精度较低,总效率一般为0.94~0.
  95。所以,减速器的热功率应通过试验确定才是科学可靠的。对于减速器的系列化产品,特别是大型减速器,做热功率试验是难以实现的,但可以通过单级齿轮箱的热功率试验,确定有关参量换算出相应规格减速器的热功率,比较可靠。
  齿轮箱热功率试验是在DCS-150齿轮试验台上进行的,其齿轮参数。试验时,陪试齿轮箱采用循环油润滑并有盘状管通水冷却,试验齿轮箱采用油池润滑,采用自然散热,润滑油均为120中极压齿轮油。试验台的运转与加载采用第一种运行方式,即正向旋转正向加载,按试验齿轮的强度条件,最大加载的封闭扭矩折算到高速轴上[Mmax]=60kgm,分为四级加载,即15,30,45,60kgm,采用的主电机为1000rmin,则高速轴的转速1579rmin.
  试验时分别在不同级加载下,每隔15分钟记录试验齿轮箱润滑油的温度,直到热平衡为止。达到热平衡温度的标志是:在该温度下试验台连续运转20分钟,试验齿轮箱的润滑油温度不再上升。在每级载荷下试验达到热平衡时停止,等待试验箱润滑油温度自然降低至室温,再重复做2~3次,准确记录在该载荷下的热平衡温度,然后增加一级载荷再进行试验。在任何一级载荷下,若试验齿轮箱润滑油的温度超过90℃,则说明在该级载荷下热平衡超过允许值,应立即停止试验。
  齿轮箱热功率的测试可能会有两种情况:
  (1)达到热平衡温度为90℃时的加载量小于最大封闭扭矩[Mmax]=60kgm,这时可以在热平衡温度小于90℃与大于90℃的相邻级载荷之间,选定一合适载荷进行热功率测试,若第一次选择不当,反复进行则可得到在某载荷下热平衡温度恰为90℃,这时的功率就是试验齿轮箱的热功率。
  (2)若最大加载量Mmax=60kgm时,试验的热平衡温度还未达到90℃时,则说明试验齿轮箱的热功率大于60kgm载荷下的功率,这是应保持最大加载量Mmax=60kgm不变,而按档次1100、1200、1250rmin做多次试验,可测定其热功率。
  本试验在室温为25℃~28℃时,用最大加载量Mmax=60kgm,主电机转速为1000rmin做多次试验,其热平衡温度接近90℃。例如其中一试验的记录。
  按试验数据,在60kgm载荷下润滑油的温升为64℃,若按照环境温度为20℃、温升70℃折算,热平衡温度达到允许温度90℃时加载扭矩应为64kgm,于是可得试验齿轮箱自然散热的热功率为103kW。并测算出这时齿轮箱的总效率为0.98,折算出三级齿轮减速器的效率为0.941.2几种散热装置的散热效应试验选用减速器时,如果实际使用功率大于热功率,则必须利用相应的散热措施,否则润滑油温度超过允许温度过高时,会导致减速器机件受到热损伤,如齿轮的胶合和轴承烧伤咬死等,从而使传动失效,机器不能正常运行。常用的三级齿轮减速器,其机械功率及热功率的对照。
  从3、4看出,减速器的机械功率越大,其热功率所占的百分比越低,最低者仅占20.1。对于热功率比较低的这一类减速器,若不采取适当的散热措施,只能降低功率使用,处于“大马拉小车”或者不能连续工作的状态,结果是机械设备的能力得不到应有的发挥,使生产遭受损失。采取散热措施,就是在减速器内设置合理的散热装置。在国外减速器系列标准中,通常采用“风冷”,即在减速器的高速轴上设计安装风扇,工作时利用空气流动增加辐射散热。而在国产减速器系列标准《ZBJ19004-88》与《ZBJ19026-89》中,推荐采用“水冷”,在减速器的箱底设计安装盘状管,通水实现热交换降低润滑油的温度。
  采用风扇散热虽然简单,但在某些场合就不太适应,例如在煤矿井下使用风扇会严重污染周围的工作环境和机械设备,并且它是利用辐射散热所能散失的热量有限。而采用盘状管通水冷却,由于减速器箱体内的结构紧凑,盘状管的盘绕长度受到安装空间的限制,故而散热效果不好,例如煤矿用胶带输送机减速器与刮板输送机减速器就是如此。因此,研究并设计冷却效果佳、使用方便、结构简单而且能与减速器系列产品配套的新型散热装置,是非常重要并切合实际需要的。
  上一节是对齿轮箱自然散热的热功率试验,即在试验时齿轮用油池润滑,不采取任何的散热措施。在此试验的基础上,下面对电风扇,盘状管和新型冷油器的散热效应进行试验研究。
  2.1风扇散热的风冷效应试验
  试验时在离开试验齿轮轴端面150mm处放置一台电风扇,为使试验接近于工业风扇的工况,在电风扇叶片的外周装一特制的壳罩,控制进风与出风沿轴向流动。电风扇的转速有高、中、低三档,经过测试其风速分别为5.43,4.13,3.58ms,在每档风速下试验三至四次,其中高速档风速时齿轮箱的热功率试验结果的平均值为139kW,比自然散热的热功率提高35,可见采用风冷散热还是比较有效的。
  若在减速器高速轴上安装工业风扇,其散热效果比普通电风扇更好一些。
  2.2盘状管散热效应试验
  DCS-150齿轮试验台在正常使用情况下,其试验齿轮箱是采用油池润滑,现专门设计并制造一盘状管,并巧妙地利用了齿轮箱的透气孔与放油孔实现安装,可以通水直接冷却齿轮箱内润滑油。
  在冷却水不同流速和流量下,对盘状管的散热效应进行了多次试验,结果表明采用该盘状管,冷却水的最佳流速为0.75ms,相应的水流量为0.27m3h,进水与出水的温度差为5.5℃。试验齿轮箱采用盘状散热后,其热功率为165kW,比自然散热的热功率提高60,比风冷散热效果要好。
  2.3新型冷油器散热效应试验
  板块式与列管式冷油器是新型的散热装置,其特点是,散热效果好,能使大型减速器(80~850kW)的热功率接近额定的机械功率;安装空间小,可用于结构紧凑的各种类型齿轮减速器,蜗轮减速器和其他动力传动箱;根据《ZBJ19004-88》和《ZBJ19026-89》拟订的减速器外形尺寸与功率表,可以对新型冷油器进行系列化产品设计与制造,同相应的减速器配套使用;此外,它结构简单,加工方便,造价不高,冷却水用量也较小。因此这种冷油器用于减速器散热有着广泛的发展前景。
  板块式冷油器有铜质和铝质两种,列管式冷油器用铜和铜管制造。对这两种冷油器分别设计加工了试件,并装入DCS-150齿轮试验台的试验齿轮箱,经过多次的散热效应试验,其试验结果有关数据。
  从数据可以看出,列管式冷油器的散热效果最好,而铜质板块式冷油器又优于铝质。这都符合实际情况。
  综上所述,采取适当的散热措施对提高减速器的热功率明显有效。在各种散热装置中,风扇的散热效应较差,但设计制造与使用都较为方便,对于地面机械设备中的三级齿轮减速器机械功率不大于250kW时,采用风扇散热是可行的;盘状管的散热效应较好,但它很难作系列产品设计与制造同标准系列的减速器配套使用,尤其对于箱内结构紧凑的减速器则更是难于采用;而板块式与列管式冷油器优于风扇和盘状管,其中板块式适用于较小功率的减速器,列管式适用于大型减速器。
  3提高热功率的措施
  通过以上的试验和分析可知,提高减速器的热功率的途径有两条:
  一是提高减速器的效率,二是采用有效的散热措施。提高减速器的效率主要是通过优化几何参数、改进制造方法以及采用适当的润滑方式等,对于提高减速器的效率的方法将另文讨论,这里不再多述。本文主要就采用有效的散热措施来提高热功率的方法进行阐述,因为如果单纯从提高效率这一角度来谈论,提高减速器的热功率必须要增加减速器的设计和制造成本,而采用合理而有效的散热措施,从经济角度和实用性来讲都是非常行之有效的,具体的方法如下:
  3.1从箱体设计方面提高热功率
  对于非标准减器设计,在允许和可能条件下适当增大箱体的外形尺寸,并沿箱体外壁增加加强肋,或者采用浮动结构的箱体,以加大散热面积,可提高减速器的热功率。
  采用铸造箱体的大型减速器,设计时可考虑在上、下箱体的内部设置空心水套,用冷却水散热。根据实验室试验表明,这是提高齿轮箱热功率的最有效方法之一。
  3.2从使用方面提高热功率
  配用大型减速器的机械设备,应具有良好的工作环境,环境温度低,通风条件好,空气污染少并经常清除减速器外壳的油垢与灰尘,这样可以增大实际的导热系数,提高减速器的热功率。例如,某海边港口有一胶带输送机(皮带运输机的撒料的处理),配用250kW圆锥圆柱齿轮减速器而无任何散热装置,在满负荷连续运行下仍能正常工作,不发生过热问题,热功率较高。其主要原因就是通风条件特别好,环境温度较低,减速器外壳清洁。
  3.3采用散热装置提高热功率
  正如上一节所述,标准系列减速器的热功率,在其热功率表中均有规定数值。当机械功率较大总速比较大时,减速器的热功率就低。例如ZSY2250减速器,总速比为31.5时的机械功率为95kW,而它的热功率只有56kW。对于这一类大型减速器,必须采取技术措施增设散热装置来提高热功率,才能充分发挥其能力,取得经济效益。
  现用减速器的散热装置,通常有风冷和水冷两种。前者是在减速器的高速轴端设置风扇,利用空气对流辐射散热,国外减速器系列采用较多;后者是在减速器的箱体内设置盘状管,利用冷却水流动实现热交换散热,国内《ZBJ19004-88》与《ZBJ19026-90》两种减速器系列标准均推荐采用。
  淮南矿业学院与淮南煤矿机械厂合作研制的“板块式冷油器与列管式冷油器”已经取得国家专利,是一种新型的散热装置,它比传统的散热装置具有更广的用途和更优的性能。对于80~850kW三级齿轮减速器,采用板块式冷油器与列管式冷油器,可以提高减速器的热功率达到其机械功率。所以,采用这种新型的散热装置,是当前提高减速器热功率的最有效途径。
  3.4采用外循环润滑系统提高热功率
  对于1000kW以上的大型减速器,其热功率所占机械功率的百分比很低,采用一般的散热装置难于见效。同时这一类型减速器,通常是负荷大,转速也比较高,不适宜采用油池润滑。为了提高热功率并改善其润滑条件,这一类减速应采用循环油润滑,即在减速器机体之外设置专门的润滑油循环系统,并对油箱进行冷却。这样,可提高润滑油进油与出油的温度差,更好地实现热交换散热,提高减速器的热功率。最后我们还有一个设想,从发展高科技应用技术的角度来看,热管技术与制冷技术是否可以用于大型减速器的散热来提高其热功率,这是一个很值得试验研究的新课题,有待于同行专家们的进一步探讨。
  4结语
  本文提出选用减速机时,热功率是最重要的选用参数之一。提高减速机的热功率的途径有二:一是提高减速机的效率,二是采取有效合理的散热措施。而从经济和实用性角度来考虑,采用第二种措施更为合理可行。

 

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