锚绞机齿轮箱齿轮泵吸及困油效应损失功率分析

陈斌

摘要： 一对齿轮在高油位高速转动时会出现泵吸效应和齿间困油现象，这种现象会损失一定功率。为确定这种功率损失的大小，通过理论计算得出齿轮啮合损失功率和齿轮搅油因油阻损失功率，结合锚绞机三级齿轮箱试验得到齿轮总消耗功率，用差值可近似得到泵吸和困油效应损失的功率，分析了不同工况下功率损失的变化情况。结论表明，泵吸及困油效应损失功率随转速和油位的增大而增大。

Abstract： Gear pump effect and oil trapped effect may occur when gear pair running in high speed under high gear oil level. These effects can lead to power loss. In order to determine the value of the lost power， gear mesh power loss and churning power loss are calculated， the gear total loss are tested ， the valve of power loss caused by Pump effect and oil trapped effect under different condition can be approximate from the difference between test and calculate value. The result indicates the power loss increases along with revolving speed and oil level.

关键词：三级齿轮箱;高速齿轮;泵吸效应;齿轮困油

Key words： three step gear case;high speed gear;pump effect;trapped oil phenomena

0  引言

船用电动锚绞机通常通过电机配一级行星齿轮减速机加两级齿轮减速箱传动，从而减小齿轮箱输入转速，降低减速箱的制造精度。由于船舶市场在过去几年持续低迷，造船价格不断走低，船用配套设备商不得不舍弃成本高昂的行星齿轮减速机，改用三级齿轮箱代替原有传动方案。

船用锚绞机安装在船舶甲板上，使用过程中可能出现±5°的倾角及晃动，因此可能因晃动而造成高油位。三级齿轮箱为了降低齿轮箱噪声，高速级齿轮的重合度需大于1，在高油位时齿轮啮合处将出现泵吸现象，也会伴随着无法根除的齿间困油现象[1]，这种现象会带来一定的搅油功率损失。因次锚绞机改用三级齿轮箱方案后，在计算机械传动效率时，搅油损失的功率不能忽视。

1  齿轮副泵吸及齿间困油效应造成的功率损失

采用高油位浸油润滑的齿轮副在高速转动时，大量油液会随着齿轮转动被带到齿轮啮合处。此时齿轮传动损失的功率包括啮合啮合损失功率和齿轮搅油损失功率。齿轮啮合损失功率主要由齿面摩擦引起;搅油损失功率则较为复杂，分为齿轮搅动润滑油因油阻损失的功率、齿轮泵吸效应及困油现象损失的功率[2]。

润滑油液在泵吸效应下被齿轮从啮合区间高压高速挤出。此时，齿轮不仅起到傳动的作用，同时也作为一个液压泵在消耗着功率。图1是一个采用浸油润滑的齿轮箱。齿轮箱拆掉高速级小齿轮一端的支撑轴承以方便观察。小齿轮在450rpm空转时，齿轮油从齿轮啮合处向外喷射的情况。齿轮不是完全浸没于油液内，油液压力与流速也很难测得。目前这种功率损失没有可行的计算方法，难以直接用理论确定。另外这种泵吸效应会带来严重的困油现象。

齿轮重合度大于1时，部分齿轮油会被困在一对齿轮啮合区形成的封闭腔内。随着齿轮转动，突然减小的齿腔使齿轮润滑油产生高压，这就是齿间困油现象。由于液压有的粘性效应，该现象会产生功率损失[3]。目前针对齿轮困油的研究有很多，但困油引起的功率损失却缺少通用的计算方法。

传统齿轮搅油损失功率的计算只考虑两个单齿搅油损失功率——即齿轮在油液中搅动受油阻损失的功率，而没有考虑一对齿轮副的泵吸效应及困油效应。因此在分析齿轮搅油功率损失过程中，只要用试验得出齿轮的实际损失功率，再用传统方法计算出齿轮啮合及搅油损失功率，两数相减就能得出齿轮副泵吸及困油效应造成的损失功率PL。

2  传统齿轮损失功率计算

2.1 齿轮啮合损失功率

2.2 齿轮搅油因油阻损失的功率

齿轮搅油因油阻损失的功率包括齿轮轴搅油损失的功率PGW1、齿轮端面搅油损失的功率PGW2、齿轮齿面搅油损失的功率PGW3。可分别用式（4）、式（5）、式（6）计算[6]，三者之和为单个齿轮搅油因油阻的损失功率PGW。

2.3 传统齿轮损失功率计算结果分析

齿轮箱高速端为一级，齿轮采用斜齿轮，螺旋角为8°，其他级均为直齿轮。图2为锚绞机三级齿轮箱简图。润滑油运动粘度为320mm2/s，电机输入扭矩为齿轮箱在极低速情况下测得的电机扭矩，约为电机功率的2.5%。

根据式（1）-式（7），可计算出不同工况下三级齿轮箱各级齿轮损失的功率，得到如图3、图4、图5曲线图，图5上下横坐标为对应的油位高度与一级大齿轮浸入油液的深度。由图3可知，齿轮的啮合损失功率随着齿轮转速增大而增大;由图4、图5可知，齿轮搅油因油阻损失的功率随输入速度增大而增大，随齿轮浸油深度的增加而增大。对比三个图，可以看出空载情况下，啮合损失的功率数值非常小，几乎可忽略不计。而在高速下，搅油因油阻造成的功率损失可高达几千瓦。二级跟三级齿轮副速度较慢，与第一级齿轮副的损失的功率相比，同样可忽略不计。

3  齿轮功率损失试验数据分析

齿轮箱采用Marathon 51kW 4级变频电机进行驱动。齿轮箱在实验台上空转，通过变频器改变电机转速，记录变频器显示屏上的电机转矩，可得出电机功率损失，即该工况下整个齿轮箱消耗功率。在齿轮上涂上润滑油，齿轮未浸入油液内，当齿轮箱以极低的速度转动时，此时其电机损失功率P0为电机功率的2.5%，可认为这个功率是锚绞机卷筒自重、轴承油封摩擦及电机效率带来的功率损失。当油位在300mm时，在不同速度下测得的电机消耗的功率PL，减去计算得到的齿轮损失功率和初始电机消耗功率P0，可得出如图7所示曲线，此时可认为功率差值既是齿轮泵吸及困油效应损失的功率。电机在3000rpm时，在不同油位下测得的消耗的功率，并求差值，可得出如图8所示曲线。（图6）

试验时发现，二级、三级齿轮副转速较慢，难以将大量油液带到齿轮啮合处，无法形成泵吸效应。因此在讨论泵吸效应时可近似忽略二级、三级齿轮。电机正转时，一级齿轮副可以将油液带入齿轮啮合区，因此会产生严重的泵吸现象，电机消耗功率急剧增大;反转时，油液被甩离齿轮啮合区，电机消耗功率仅稍有增大。从图7可知齿轮泵吸及齿间困油损失的功率随转速增大而增大。图8显示，在齿轮浸入油液的深度小于一定值时（该试验为1.2个齿高），不会出现泵吸现象;随着油位增高，齿轮泵吸现象急速增加，在到达某个功率值后趋于稳定。

4  结论

通过试验与理论计算结合，分析船用锚绞机三级齿轮减速箱中齿轮泵吸效应及齿间困油的损失功率，得到以下结论：

①齿轮泵吸效应与齿轮转向相关，当齿轮的转向是将油液带入啮合区间的方向，则会产生泵吸效应，从而造成严重的功率损失;齿轮反向转动，则不会产生泵吸效应。

②齿轮泵吸及齿间困油损失的功率会随速度增大而增大，且与速度几乎成正比。

③齿轮泵吸及齿间困油效应随油位增高而加剧，但油位达到一定值后再增大油位，损失功率的上升趋势放缓，并逐渐向特定值趋近。

参考文献：

[1]高文捷，高尚，李吉中，等.斜齿齿轮泵困油机理与解除困油的方法[J].机械工程与自动化，2010，8（4）：168-170.

[2]沈林，阮登芳，涂攀.基于CFD方法的啮合齿轮搅油损失仿真分析[J].机械传动，2018，42（11）：114-115.

[3]唐敬来，邓斌，王国志，等.外啮合齿轮泵搅油损失的研究[J].机械传动，2016，40（12）：57-60.

[4]ISO/TR 14179-2 Gears-Thermal capacity part2：Thermal load-carrying capacity[S].2001：8-13.

[5]許翔，杨定富，索文超，等.基于时变载荷的齿轮摩擦功率损失计算研究[J].2010，17（3）：224-228.

[6]刘杰，刘世军，徐文博，等.高速列车齿轮箱润滑性能优化与热平衡温度分析[J].机械传动，2017，41（04）：89-94.