Làm mát và bôi trơn bánh răng xoắn tốc độ cao

Làm mát và bôi trơn bánh răng xoắn tốc độ cao

Bánh răng xoắn ốc được sử dụng để giảm tốc độ của máy nén ly tâm và tuabin để phù hợp với tốc độ động cơ và máy phát điện danh định. Việc bôi trơn và làm mát phù hợp rất quan trọng đối với hoạt động thành công của các bánh răng này. Khi bánh răng lưới, các bề mặt răng cuộn và trượt với nhau.

Việc chia lưới này tạo ra sự tiếp xúc rất lớn và ứng suất cắt. Dầu được sử dụng để bôi trơn các răng bánh răng giao phối và ngăn ngừa scuffing, mặc và rỗ thiệt hại cho các bề mặt răng bánh răng do tiếp xúc kim loại với kim loại.

Độ nhớt của dầu tăng theo áp suất; do đó dầu có thể tách các răng bánh răng giao phối mặc dù áp lực rất lớn. Dầu cũng được sử dụng để làm mát răng bánh răng và ngăn ngừa nhiệt độ răng quá mức và quá nóng của dầu.

Bài viết này trình bày các vấn đề khác nhau liên quan đến yêu cầu bôi trơn và làm mát thích hợp của bánh răng xoắn ốc tốc độ cao. Bánh răng xoắn ốc tốc độ cao được định nghĩa là những bánh răng vận hành vận tốc đường pitch lớn hơn 120 m / s.

Việc chia lưới này tạo ra sự tiếp xúc rất lớn và ứng suất cắt. Dầu được sử dụng để bôi trơn các răng bánh răng giao phối và ngăn ngừa scuffing, mặc và rỗ thiệt hại cho các bề mặt răng bánh răng do tiếp xúc kim loại với kim loại.

Độ nhớt của dầu tăng theo áp suất; do đó dầu có thể tách các răng bánh răng giao phối mặc dù áp lực rất lớn. Dầu cũng được sử dụng để làm mát răng bánh răng và ngăn ngừa nhiệt độ răng quá mức và quá nóng của dầu.

Bài viết này trình bày các vấn đề khác nhau liên quan đến yêu cầu bôi trơn và làm mát thích hợp của bánh răng xoắn ốc tốc độ cao. Bánh răng xoắn ốc tốc độ cao được định nghĩa là những bánh răng vận hành vận tốc đường pitch lớn hơn 120 m / s.

Mài bề mặt bánh răng

Các bề mặt giao phối của răng bánh răng không hoàn toàn trơn tru. Các bề mặt có đầy đủ các độ nhỏ nhỏ, chẳng hạn như các dấu gia công. Điều này được gọi là độ nhám bề mặt.

Nếu màng dầu đủ dày, độ cứng từ răng bánh răng giao phối không liên lạc với nhau. Dựa trên lý thuyết bôi trơn elastohydrodynamic (EHL), dầu bôi trơn rơi vào một trong ba chế độ. Trong chế độ 1 và 2 có một số liên lạc giữa răng bánh răng giao phối.

Hầu hết các bánh răng tốc độ cao đều rơi vào chế độ Regime 3, trong đó màng dầu EHL phát triển và độ nhám ở bề mặt răng không tiếp xúc với nhau.

Bánh răng đau khổ bao gồm scuffing, mặc và bề mặt mệt mỏi (micropitting và macropitting). ANSI / AGMA 1010-E95 (1995) cung cấp các mô tả và hình ảnh về các loại thiệt hại này.

Scuffing

Scuffing là thiệt hại cho một bề mặt răng do hàn và rách bề mặt răng bởi sườn của răng giao phối. Nó được đặc trưng như các đường rạch xuyên tâm. Scuffing xảy ra khi độ dày màng dầu nhỏ hơn độ nhám tổng hợp của bánh răng và bánh răng và tiếp xúc kim loại với kim loại.

Theo AGMA 925-A03 (2003), “Cơ chế scuffing cơ bản là do nhiệt ma sát dữ dội tạo ra bởi sự kết hợp của vận tốc trượt cao và ứng suất tiếp xúc cao”.

Scuffing thông thường sẽ không bắt đầu ở đường pitch vì vận tốc trượt là zero. Do đó, sự xáo trộn thường bắt đầu ở nửa trên hoặc nửa dưới, hoặc gốc, của răng. Nhiệt độ tiếp xúc bằng nhiệt độ flash cộng với nhiệt độ răng trước khi vào lưới. AGMA 925-A03 (2003) nêu rõ:

“Nhiệt độ chớp là sự gia tăng tính toán nhiệt độ bề mặt răng ở một điểm nhất định dọc theo dòng hành động do ảnh hưởng kết hợp của hình dạng răng bánh răng, tải trọng, ma sát, vận tốc và tính chất vật liệu trong quá trình hoạt động.”

Một số nguồn có thể gây ra nhiệt độ răng cao hơn ở tốc độ dòng cao. Theo AGMA 925-A03 (2003), “Đối với vận tốc đường pitch trên 80 m / s, sự thất thoát khuấy động, trục xuất dầu giữa việc chia lưới răng và mất gió trở thành nguồn nhiệt quan trọng phải được xem xét”.

Các yếu tố khác là làm thế nào có hiệu quả phun dầu làm mát răng. Khi phun lưới bánh răng, dầu phải bao phủ bề mặt răng trong một khoảng thời gian ngắn trước khi bị văng ra. Ở tốc độ đường cao, răng có thể di chuyển quá nhanh so với vận tốc dầu mà không phải tất cả răng đều được phủ dầu.

Mặc

Mang được định nghĩa là loại bỏ hoặc dịch chuyển kim loại từ bề mặt răng bánh răng. Thiệt hại do chùi hoặc rỗ thường không được coi là mặc. Mang làm giảm độ dày của răng và có thể thay đổi đường viền của răng.

Mặc có thể là do tác động cơ học, hóa học hoặc điện. Đối với các bánh răng được thiết kế tốt hoạt động trong chế độ bôi trơn Chế độ 3, tốc độ hao mòn phải quá nhỏ để có thể nhìn thấy các dấu gia công ban đầu sau một năm hoặc nhiều dịch vụ hơn.

Tỷ lệ hao mòn thấp này cũng giả định rằng dầu cung cấp được lọc tốt và không có mài mòn do các hạt cứng bị lơ lửng trong dầu.

Micropitting

Micropitting là một sự cố mệt mỏi tiếp xúc lăn cao xảy ra trong vùng băng liên lạc Hertzian. Nó là một chức năng kết hợp vận tốc lăn và trượt, tải, nhiệt độ, độ dày màng cụ thể và chính chất bôi trơn. AGMA 925-A03 (2003) nói: các hố thường có chiều sâu từ 10 đến 20 µm, dài khoảng 25 đến 100 µm và rộng 10 đến 20 µm.

Do kích thước của các hố, có thể khó nhìn thấy micropitting. Nếu micropitting tiến triển đủ xa, các micropits sẽ coalesce và bề mặt sẽ mất trên một mờ xỉn, xuất hiện mờ.

Micropitting có thể dẫn đến giảm độ chính xác của răng bánh răng, làm tăng tải răng, rung và tiếng ồn của răng. Micropitting có thể dẫn đến rụng răng và răng bị vỡ.

Có một sự thiếu hiểu biết cơ bản về cơ chế micropitting. Một giả thuyết cho rằng việc micropitting bắt đầu khi các asperities trên bề mặt răng bánh răng mang một phần đáng kể tải. Những asperities sau đó biến dạng, trong đó sản xuất địa phương căng thẳng căng thẳng.

Việc tải theo chu kỳ sau đó đủ cao để gây ra các vết nứt do mỏi cục bộ có hình dạng các hố nhỏ. Vì vậy, độ nhám bề mặt là một yếu tố lớn trong nguy cơ micropitting. Theo AGMA 925-A03 (2003), micropitting đã được loại bỏ trong một số trường hợp khi các bề mặt răng bánh răng được hoàn thành cho một kết thúc giống như gương.

Micropitting có thể xảy ra bất cứ nơi nào trên bề mặt răng bánh răng. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu Cardis và Webster, nó thường bắt đầu ở các khu vực liên quan đến vận tốc trượt cao, nằm ở phía dưới hoặc trên cùng của mặt cắt răng, không phải ở đường pitch nơi vận tốc trượt bằng không.

Dầu nhờn cũng đóng một khía cạnh quan trọng trong nguy cơ micropitting. Các nghiên cứu được hoàn thành bởi Cardis và Webster đã chỉ ra rằng micropitting có nhiều khả năng xảy ra trong các bánh răng sử dụng các loại dầu có phụ gia chống ăn mòn.

Ngoài ra, khả năng kháng micropitting có xu hướng giảm với nhiệt độ răng cao hơn, nhưng nó đã được báo cáo rằng các chất phụ gia khác thực sự cải thiện khả năng kháng micropitting ở nhiệt độ cao hơn.

Macropitting

Macropitting cũng là một hiện tượng mệt mỏi bề mặt. Các hố này thường có đường kính từ 0,5 đến 1,0 mm và đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt không được trông thấy.

Macropits thường xảy ra nếu có asperities cao và kim loại-to-kim loại liên lạc xảy ra giữa meshing răng. Tuy nhiên, trong bánh răng tốc độ cao, bề mặt hoàn thiện thường rất mịn và màng dầu đủ dày để ngăn tiếp xúc kim loại với kim loại.

Trong những trường hợp này, nguyên nhân của các macropits nói chung là một sự bao gồm hoặc khoảng trống nhỏ trong vật liệu cung cấp điểm khởi đầu cho vết nứt, và ứng suất cắt bên dưới truyền bá vết nứt.

Vấn đề về nhiệt

Một mục đích khác của dầu bôi trơn là làm mát bề mặt răng bánh răng. Thử nghiệm của Martinaglia cho thấy răng bánh răng xoắn ốc tốc độ cao có thể biến dạng do phân bố nhiệt độ không đồng dạng dọc theo chiều rộng mặt của bánh răng. Trong nhiều trường hợp, các sườn làm việc của bánh răng và bánh răng phải được sửa đổi để giải thích cho sự biến dạng này.

Ở vận tốc đường cao độ rất cao, vấn đề cũng có thể xảy ra với quá nóng của hỗn hợp không khí / dầu bị mắc kẹt trong lưới bánh răng. Varnish và tiền gửi carbon cũng có thể hình thành trên bề mặt răng bánh răng. Những tiền gửi đóng lên phản ứng dữ dội và gây ra tình trạng quá tải cục bộ và thất bại răng bánh răng.

Sắp xếp phun bánh răng

Dầu thường được phun vào lưới bánh răng từ một thanh phun. Thanh phun mở rộng trên bề rộng của các bánh răng và được trang bị các vòi phun nhỏ được sử dụng để tạo ra các tia dầu nhỏ phun dầu vào lưới. Dựa trên một cuộc khảo sát của một số nhà sản xuất thiết bị, không có thỏa thuận chung về việc liệu dầu có nên được phun vào lưới, lưới ngoài hay cả hai.

Nó phụ thuộc vào kinh nghiệm của nhà sản xuất thiết bị. Điều quan trọng là răng bánh răng được làm ướt bằng dầu để bôi trơn thích hợp và đủ dầu đi vào không gian răng để làm mát đủ.

Một số nhà sản xuất hộp số sử dụng các vách ngăn đặc biệt để giảm tổn thất gió trong hộp số. Không khí bên trong hộp số được tăng tốc vì tốc độ quay của bánh răng cao.

Năng lượng cần thiết để đẩy nhanh không khí là một mất mát. Bằng cách lắp các tấm gần các cạnh của bánh răng, lượng không khí được tăng tốc bị hạn chế và tổn thất này bị giảm. Những tấm này cũng có thể được sử dụng làm khiên để ngăn chặn dầu bị văng ra khỏi vòng bi do đánh các bánh răng, gây tăng tốc, dẫn đến mất thêm.

Cuối cùng, các nhà sản xuất thiết bị khác sử dụng đáy giả trong hộp số. Đây thường là một tấm đục lỗ được lắp giữa các bánh răng và đáy hộp số. Nó được sử dụng để giúp dầu xả bằng cách ngăn chặn dầu ở dưới cùng của hộp số từ được nâng lên trở lại và reaccelerated.

Thiết kế đặc biệt

Greiner và Langenbeck đã thực hiện các thử nghiệm với việc cung cấp dầu bôi trơn và làm mát riêng biệt để quan sát ảnh hưởng của sự sắp xếp này trên nhiệt độ bánh răng (khả năng chịu tải) và hiệu quả.

Một bộ vòi phun được sử dụng để phun hoặc trong lưới hoặc ngoài lưới để bôi trơn và một bộ vòi phun khác được sử dụng để phun các bánh răng để làm mát. Nhiệt độ, mất điện và đo lường mặc được thực hiện cho vô số các sắp xếp phun, dòng dầu và phân chia dòng chảy.

Dựa trên thử nghiệm, việc tách dầu bôi trơn và làm mát dẫn đến giảm 60% lưu lượng dầu (so với dòng dầu được đề xuất ban đầu), nhiệt độ răng thấp hơn và hiệu suất tăng nhẹ.

Một công ty có một hộp số được cấp bằng sáng chế hoạt động trong chân không và hầu như loại bỏ tổn thất gió. Sáng chế này đã báo cáo giảm tổn thất năng lượng hộp số lên tới 50% so với hộp số thông thường.

Một trường hợp được ghi lại là một so sánh của hai hộp số 90 MW: một hộp số có bánh răng truyền thống và hộp kia với hộp số chân không. Các tổn thất tính toán trong hộp số truyền thống ở mức đầy tải là 1.407 kw, trong khi các tổn thất trong hộp số chân không được đo ở 628 kw. Đây là một sự khác biệt của 779 kw, hoặc khoảng một phần trăm công suất định mức.

Một số công ty cũng chế tạo các bánh răng xoắn ốc tốc độ cao với các rãnh dọc trục đặc biệt.

Những rãnh này cung cấp một đường dẫn cho hỗn hợp không khí / dầu nóng thoát ra trước khi quá nhiệt và cho phép dầu mát, tươi được cung cấp cho lưới bánh răng tại một điểm trung gian trong lưới. Thông thường, các rãnh này được thêm vào bánh răng bò và đôi khi trên bánh răng bò và bánh răng. Các hộp số tốc độ cao khác nhau cũng được trang bị dàn phun loại áp suất cao / tốc độ cao đặc biệt được lắp đặt gần lưới răng.

Như đã nói ở trên, điều quan trọng là làm mát thích hợp cho dầu để che phủ bề mặt răng trong một khoảng thời gian ngắn trước khi bị văng ra. Ở tốc độ dòng cao, dầu vận tốc cao hơn có thể cần thiết để có đủ dầu làm mát vào không gian răng trước khi bị kẹt bởi chiếc răng tiếp theo và văng ra khỏi lưới bánh răng. Nói chung, cần thêm dầu để làm mát hơn là bôi trơn.

Vì vậy, trong khi có thể có đủ dầu trên bề mặt răng bánh răng để bôi trơn, có thể không đủ để làm mát.

Có nhiều nguồn tốt có sẵn cho người dùng cuối để hỗ trợ trong việc đánh giá thiết kế bánh răng xoắn tốc độ cao. Mặc dù vấn đề bôi trơn và làm mát rất hiếm, nhưng chúng có thể khó giải quyết. Khi đánh giá các bánh răng xoắn ốc tốc độ cao, điều quan trọng là phải hiểu trải nghiệm của nhà sản xuất. Bôi trơn và làm mát là những vấn đề phức tạp và phải xem xét một số thông số.

Bài viết liên quan