呂海明

（南京高精齒輪集團(tuán)有限公司，南京 210000）

0 引言

鋸齒密封結(jié)構(gòu)是一種迷宮密封形式，它具有免維護(hù)、結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。某糖廠有一產(chǎn)品線升級(jí)改造項(xiàng)目，要求新齒輪箱能替換現(xiàn)場(chǎng)的老齒輪箱（現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)、榨糖機(jī)、地腳螺栓均不變）且新齒輪箱輸出力矩提高50%，因是在限定空間內(nèi)提升力矩，擔(dān)心內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置緊張，在前期的方案設(shè)計(jì)階段輸入采用了鋸齒密封結(jié)構(gòu)，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段也未改變。齒輪箱輸入功率為600 kW，輸入轉(zhuǎn)速為600～1300 r/min，潤(rùn)滑油品為ISO VG320，潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力為0.12～0.18 MPa，正常工作壓力為0.15 MPa。齒輪箱裝配完成后在試驗(yàn)臺(tái)空載試車，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到400 r/min時(shí)，輸入透蓋與甩油環(huán)間的縫隙出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。因榨期將至，交貨期很急，需要設(shè)計(jì)工程師給出簡(jiǎn)單快捷的解決方案。對(duì)應(yīng)迷宮密封漏油現(xiàn)象，本文提出的解決思路為：首先校核輸入軸承進(jìn)油量，然后計(jì)算輸入密封結(jié)構(gòu)的回油能力，最后分析密封結(jié)構(gòu)。通過上述方法找出導(dǎo)致漏油現(xiàn)象的原因，提出解決方案，再通過空載試車進(jìn)行驗(yàn)證。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

新齒輪箱采用的是一級(jí)平行齒輪減速+封閉差動(dòng)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，輸入為單斜齒軸與兩調(diào)心滾子軸承的支撐結(jié)構(gòu)。近輸入端軸承外側(cè)采用鋸齒甩油環(huán)與透蓋組合的鋸齒密封結(jié)構(gòu)，兩零件間的間隙導(dǎo)致回油腔與外部貫通，需防止?jié)櫥蛷耐干w與甩油環(huán)間的縫隙漏出。輸入軸頭尺寸為φ120 mm×210 mm，定位尺寸為80 mm，近輸入端軸承型號(hào)為23228CC/W33（內(nèi)徑為140 mm，外徑為250 mm，寬度為88 mm）。齒輪箱內(nèi)部一級(jí)平行齒輪減速結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 齒輪箱裝配圖（平行減速級(jí)）

近輸入端軸承潤(rùn)滑過程為：潤(rùn)滑油通過卡套式管接頭中的節(jié)流孔板進(jìn)入箱體軸承座上開的進(jìn)油通孔，經(jīng)過軸承外徑上的油槽和油孔進(jìn)入軸承內(nèi)部，潤(rùn)滑軸承后部分流入鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油腔，然后通過透蓋下側(cè)開的回油槽進(jìn)入箱體上的回油孔，最后流回箱體內(nèi)部。軸承進(jìn)油結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 近輸入端軸承進(jìn)油結(jié)構(gòu)

2 分析與解決方案

首先需要確定是否為非油路設(shè)計(jì)造成的鋸齒密封結(jié)構(gòu)漏油，排查影響漏油的外部因素：檢查潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度，查看油站出油口處的溫度計(jì)，顯示溫度為40 ℃，再用溫度槍測(cè)量齒輪箱進(jìn)油管處的溫度，測(cè)定同樣為40 ℃，進(jìn)油溫度沒有問題；檢查進(jìn)油壓力，查看油站出油口處壓力表，顯示壓力為0.15 MPa，再查看齒輪箱進(jìn)油管上耐震壓力表,同樣顯示壓力為0.15 MPa，確認(rèn)進(jìn)油壓力沒有問題；檢查潤(rùn)滑油品，到總控臺(tái)查看信息，顯示潤(rùn)滑油為ISO VG320，潤(rùn)滑油沒有問題；檢查齒輪箱上空氣過濾器是否堵塞，因?yàn)槿绻諝膺^濾器不通氣，會(huì)造成減速機(jī)內(nèi)部空間壓力升高，影響輸入軸密封結(jié)構(gòu)回油，拆下空氣過濾器檢查，空氣過濾器完好。通過上述排查，確定齒輪箱鋸齒密封結(jié)構(gòu)漏油是由油路設(shè)計(jì)造成的，需要分析潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。

2.1 校核潤(rùn)滑軸承的油量是否正確

軸承轉(zhuǎn)速n≤1500 r/min時(shí)，軸承潤(rùn)滑油量Q的經(jīng)驗(yàn)公式[1]為

式中：D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm；Q為軸承潤(rùn)滑油量，L/min。

將軸承23228CC/W33的外徑D=250 mm、寬度B=88 mm代入公式，計(jì)算得到軸承所需的潤(rùn)滑油量Q=0.88 L/min。潤(rùn)滑油量可通過進(jìn)油面積來控制，通常采用節(jié)流孔板來實(shí)現(xiàn)，節(jié)流孔板是利用圓形金屬薄板中間開圓形通孔制造而成。節(jié)流孔面積太小，則容易因潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)造成堵塞，從而引起軸承缺油損壞，造成重大損失。綜合考慮到齒輪箱現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境、油品清潔度和機(jī)構(gòu)可靠性等因素，重型工業(yè)齒輪箱節(jié)流孔板的最小開孔直徑d≥2 mm。介質(zhì)為ISO VG320的潤(rùn)滑油，進(jìn)油溫度為40℃，φ2 mm 噴油口流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噴油口壓力與噴油量對(duì)照表

根據(jù)表1，齒輪箱在工作壓力0.15 MPa時(shí)，輸入軸承φ2.0 mm噴油口的流量為2.11 L/min，大于所需的最小潤(rùn)滑油量0.88 L/min，確定輸入軸承的潤(rùn)滑油路應(yīng)該采用φ2.0節(jié)流孔板。拆開連接輸入軸承進(jìn)油孔的卡套式管接頭[2]，檢測(cè)里面的節(jié)流孔板開孔尺寸。檢測(cè)結(jié)果為：節(jié)流孔板開孔尺寸為φ2.0 mm，符合設(shè)計(jì)要求，軸承潤(rùn)滑油量Q沒有問題。

2.2 校核回油結(jié)構(gòu)的回油量

齒輪箱鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油[3]方式為自重回油，流速比較低，一般為0.2 m/s?；赜涂變?nèi)徑D的計(jì)算公式[4]為

式中：Q為軸承潤(rùn)滑油量，L/min；v為潤(rùn)滑油回流速度，取0.2 m/s。

齒輪箱潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力0.12～0.18 MPa，校核回油結(jié)構(gòu)的回油能力，需采取最大進(jìn)油量的情況，此軸承需選擇0.18 MPa進(jìn)油壓力的進(jìn)油量，查表1，Q取2.35 L/min。將上述數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算出當(dāng)量回油孔內(nèi)徑D≥15.81 mm。上述計(jì)算結(jié)果為保守情況，假設(shè)軸承的所有潤(rùn)滑油全部從軸承外側(cè)流出，忽略從軸承內(nèi)側(cè)直接流入箱體的部分。

校核箱體上的回油孔尺寸：拆下透蓋，測(cè)量此軸承處對(duì)應(yīng)箱體上開的回油孔尺寸，箱體回油結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 箱體回油結(jié)構(gòu)

檢測(cè)結(jié)果：箱體上開了2個(gè)φ20 mm的回油孔，換算成1個(gè)回油孔的當(dāng)量孔徑為Dhy=28.28 mm，大于所需的最小回油孔尺寸φ15.81 mm，此處結(jié)構(gòu)沒問題。

校核鋸齒密封結(jié)構(gòu)回油腔通往箱體回油孔的過油槽尺寸：鋸齒密封結(jié)構(gòu)通過輸入透蓋上開的回油槽連接箱體回油孔，先測(cè)量輸入透蓋回油槽的截面尺寸，然后換算成當(dāng)量孔徑進(jìn)行校核，透蓋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸入透蓋結(jié)構(gòu)

檢測(cè)結(jié)果為：回油槽長(zhǎng)度為60 mm、深度為25 mm。過油面積Sgy=60×25=1500 mm2，換算成當(dāng)量孔徑Dgy=43.7 mm，大于所需的最小回油孔尺寸φ15.81 mm，此處結(jié)構(gòu)沒問題。

2.3 密封結(jié)構(gòu)分析

因?yàn)殇忼X密封結(jié)構(gòu)的進(jìn)油與回油尺寸已被認(rèn)定為合理的，所以引起漏油現(xiàn)象的部位應(yīng)該是鋸齒密封結(jié)構(gòu)的回油腔。觀察分析此密封結(jié)構(gòu)：鋸齒甩油環(huán)和軸承均為旋轉(zhuǎn)件，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓和攪油現(xiàn)象，此處回油腔較小且甩油環(huán)與軸承間的距離較近。上述情況導(dǎo)致回油腔內(nèi)的潤(rùn)滑油受到兩側(cè)旋轉(zhuǎn)零件的影響較大，致使向回油孔的流動(dòng)不順暢，最后回油腔內(nèi)潤(rùn)滑油累積超過密封口產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。

1）解決方案一。減少進(jìn)入回油腔的潤(rùn)滑油量，這樣會(huì)減小回油壓力，抵消因回油腔小而造成的不利影響。希望在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行整改，盡量減少問題解決時(shí)間和工作量。整改結(jié)構(gòu)為：在透蓋與軸承間的軸承孔寬度方向上增加T形擋油環(huán)，T形擋油環(huán)由壁厚5 mm定距環(huán)在內(nèi)孔上焊一個(gè)2 mm厚的圓環(huán)制造而成。定距環(huán)可由與軸承孔相同直徑的鋼管切割而成，定距環(huán)寬度方向需要與軸承間留1 mm間隙，防止軸承過定位，因?yàn)榇颂庉S承為游動(dòng)端。圓環(huán)與甩油環(huán)間留2 mm間隙，圓環(huán)與軸承間形成一個(gè)密封腔，使?jié)櫥蛢H能從2 mm間隙擠入回油腔，增加了軸承中潤(rùn)滑油流向外側(cè)的阻力，迫使多半潤(rùn)滑油直接通過軸承內(nèi)半邊滾子流入箱體，達(dá)到減少潤(rùn)滑油進(jìn)入回油腔的目的。同時(shí)，因?yàn)樵黾拥腡形擋油環(huán)為靜止零件，避免了因?yàn)檩S承旋轉(zhuǎn)對(duì)回油腔內(nèi)潤(rùn)滑油的影響。T形擋油環(huán)與軸承間的密封腔空間不應(yīng)太小，否則會(huì)影響回油腔內(nèi)潤(rùn)滑油溫度傳遞，可能造成局部高溫并導(dǎo)致軸承損壞。T形擋油環(huán)圓環(huán)與甩油環(huán)間的2 mm間隙會(huì)影響進(jìn)入回油腔的潤(rùn)滑油量，可根據(jù)試車情況作相應(yīng)調(diào)整：如果軸承外側(cè)溫度較高，可將2 mm間隙增大，這樣會(huì)增加軸承外側(cè)流過的潤(rùn)滑油量，可增加冷卻能力；如果鋸齒密封結(jié)構(gòu)還是漏油，可將2 mm間隙繼續(xù)減小，這樣會(huì)進(jìn)一步減小流入回油腔的潤(rùn)滑油量。整改后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 增加T形擋油環(huán)的鋸齒密封結(jié)構(gòu)

將改造后的零件按圖5裝配，進(jìn)油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升到1300 r/min，在此過程中未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。將進(jìn)油壓力調(diào)到最大0.18 MPa運(yùn)行2 h，未出現(xiàn)泄漏情況，試車通過。此方案成功。

如果僅考慮減少進(jìn)入回油腔的潤(rùn)滑油量，還有一個(gè)更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)：鋸齒甩油環(huán)在軸承與透蓋間的合適軸向距離上焊一個(gè)薄圓環(huán)，圓環(huán)外徑與軸承孔徑向留2 mm間隙。此結(jié)構(gòu)無(wú)需制造新零件，整改時(shí)間短，很符合交貨期緊張的情況。本齒輪箱的第一次整改就采用了此結(jié)構(gòu)，將焊有薄圓環(huán)的鋸齒甩油環(huán)裝配好后進(jìn)行空載試車：進(jìn)油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升到600 r/min時(shí)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，此結(jié)構(gòu)失敗。分析原因?yàn)椋汉附拥谋A環(huán)雖然增加了一個(gè)密封腔，但是薄圓環(huán)是焊接在鋸齒甩油環(huán)上的，會(huì)隨著甩油環(huán)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，增加的薄圓環(huán)會(huì)加大回油腔內(nèi)的攪油等不利影響，產(chǎn)生漏油。此結(jié)構(gòu)雖然失敗，但說明增加密封腔是有效果的，隨后的第二次整改采用了增加T形擋油環(huán)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸取了第一次整改增加密封腔和減少攪油的經(jīng)驗(yàn)。

2）解決方案二。加大回油腔的體積，這樣能增加潤(rùn)滑油的存儲(chǔ)量，減小旋轉(zhuǎn)件攪油的影響。整改結(jié)構(gòu)為：用甩油盤密封結(jié)構(gòu)[5]代替鋸齒密封結(jié)構(gòu)，因?yàn)檩S頭定位尺寸為80 mm，軸向空間較大，與鋸齒密封結(jié)構(gòu)相比，軸向尺寸大的甩油盤密封結(jié)構(gòu)能被放入。甩油盤密封結(jié)構(gòu)有3個(gè)回油腔，靜止的集油罩有效隔離出1個(gè)內(nèi)腔和2個(gè)外腔，甩油盤的第一道封油結(jié)構(gòu)是與集油罩組成的間隙3 mm、長(zhǎng)20 mm配合面，此結(jié)構(gòu)有效阻止了大部分潤(rùn)滑油進(jìn)入外腔, 采用3 mm間隙是由于集油罩沒有止口定位，需要考慮加工和裝配誤差。甩油盤為定距環(huán)上焊2個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)只需高出15 mm，因?yàn)榇颂巿A環(huán)起的作用是防止?jié)櫥脱囟ň喹h(huán)爬出密封結(jié)構(gòu)而造成漏油，如果圓環(huán)高出太多，就可能接觸到回油腔內(nèi)潤(rùn)滑油并產(chǎn)生攪油現(xiàn)象，對(duì)密封產(chǎn)生不利影響，2個(gè)圓環(huán)與集油罩形成甩油盤密封結(jié)構(gòu)的2個(gè)外腔，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)潤(rùn)滑油流動(dòng)影響小。集油罩內(nèi)側(cè)的厚鋼板和中間的薄鋼板需要在與兩外腔相切的豎直最低處開φ10 mm的通孔，將3個(gè)腔體貫通，使兩外腔的少量潤(rùn)滑油流入厚鋼板上開的回油槽，甩油盤密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 甩油盤密封結(jié)構(gòu)

將改造后的零件按圖6裝配，進(jìn)油壓力調(diào)到正常工作壓力0.15 MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升到1300 r/min，在此過程中未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。將進(jìn)油壓力調(diào)到最大0.18 MPa運(yùn)行2 h，未出現(xiàn)泄漏情況，試車通過，此方案成功。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)輸入為鋸齒密封結(jié)構(gòu)齒輪箱的漏油問題進(jìn)行了分析與處理。給出了通常的解決思路：首先校核輸入軸承進(jìn)油量，然后計(jì)算輸入密封結(jié)構(gòu)的回油能力，最后分析密封結(jié)構(gòu)。通過上述方法找出導(dǎo)致該齒輪箱漏油現(xiàn)象的原因是回油腔較小且甩油環(huán)與軸承間的距離較近。給出了兩種解決方案：方案一是增加T形擋油環(huán)，以減少進(jìn)入回油腔中潤(rùn)滑油量；方案二是用甩油盤密封結(jié)構(gòu)替換鋸齒密封結(jié)構(gòu)，以加大回油腔體積。方案一用于本批次齒輪箱漏油問題的快速處理，以應(yīng)對(duì)交貨期的需求。方案二用在本型號(hào)齒輪箱的后續(xù)訂單中。兩種方案的齒輪箱均在客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好，未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。