一种齿轮齿根温度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及齿轮检测技术领域，尤其涉及一种齿轮齿根温度测量方法。
【背景技术】
[0002] 现有齿轮温度的测量方法包括红外温度测量法、油温间接测量法等，但都具有一 定的局限性。红外温度测量法易受润滑油的影响，润滑油在齿轮箱内受热后会形成油雾，同 时飞溅的润滑油会飞溅到测温探头上，干扰测量结果；此外，由于齿轮的特殊结构，红外温 度传感器只能安装在齿轮箱体外部，需在箱体上开检测窗，无法测量到啮合齿面的温度。油 温间接测量法只能大概反映齿轮的平均温度，不具备实时性，同时更不能反映啮合齿面的 瞬时温度。啮合齿面的瞬时温度是齿轮啮合温度的实际反映，对啮合齿面温度的分析才能 准确判定齿轮的工作温度是否符合要求，啮合齿面温度过高，会导致齿轮胶合烧伤等。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种齿轮齿根温度测量方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种齿轮齿根温度测量方法， 包括以下步骤：
[0005] (1)预埋热电偶
[0006] 在受测齿轮的齿根两侧边打孔，将热电偶插入孔中，用硅橡胶密封，将引出线通过 集流环传输到数据采集系统；
[0007] 齿根温度采用预埋热电偶的方法进行测量，预埋K型热电偶后，用硅橡胶密封，将 引出线通过集流环传输到数据采集系统；热电偶尺寸小，动态响应速度高，只需在齿根两侧 边打孔后，将热电偶插入孔中，用硅橡胶密封；
[0008] (2)温度信号的采集和处理
[0009] 由于预埋在齿根的热电偶是随齿轮一起旋转的，要采集热电偶的信号，必须将信 号实时传输到上位机中，本发明采用高速集流环将齿根预埋热电偶的电信号实时传输到上 位机数据采集系统中。系统软件在检测前进行零点自动校准，消除零点温度影响，此外，软 件系统采取了自相关滤波的方法，对温度信号进行滤波，消除干扰。
[0010] (3)齿面瞬时温度计算
[0011] 在忽略轴承和油的流动引起的摩擦发热，系统的热源全部是啮合齿面间的摩擦热 功；根据Hertz接触理论，可以将接触区中心点处的热功率Q表示：
[0012]
[0013] 假定摩擦热在主动轮和被动轮间分配是均等的，则根据H. Blok理论及齿面传动 的理论，可得到接触区的最大瞬时温升为：
[0014]
[0015] 瞬时接触温度T是本体温度Tm瞬时温升T f之和，则：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] Tf:最大瞬时温升，T :瞬时接触温度，T M:齿轮本体温度，T。:润滑油温度，W t:单位 齿宽上的切向载荷，Uni:滑动摩擦系数，P 接触中心的最大单位应力，V2:齿轮在啮合 点处的滑动速度，a、b :啮合点处接触椭圆的长轴和短轴半径，Cl、c2:齿轮材料的比热，λ i、 λ 2:齿轮材料的导热系数，γ ρ γ2:齿轮材料的密度，F :齿面啮合点法向载荷；
[0020] 根据上述各式，及测得的润滑油温度和齿轮本体温度，可以计算齿面上个啮合位 置的瞬时温度，从而得到齿面的温度场。
[0021] 作为优选，所述热电偶是K型热电偶。
[0022] 本发明的有益效果是：
[0023] 本发明通过检测齿根温度，间接计算啮合齿面的瞬时温度，为齿轮设计提供的非 常有价值的参考。在传统的齿轮温度检测中，由于仅仅考虑了齿轮的平均温度，而忽略了啮 合齿面的瞬时温度，而啮合齿面的瞬时温度才是导致齿轮产生胶合烧伤的直接因素；尤其 对重载高速齿轮，齿面啮合的瞬时温度尤为重要，本发明解决了如何获取齿轮啮合齿面的 瞬时温度难题。
【具体实施方式】
[0024] (1)预埋热电偶
[0025] 在受测齿轮的齿根两侧边打孔，将K型热电偶插入孔中，用硅橡胶密封，将引出线 通过集流环传输到数据采集系统；
[0026] 齿根温度采用预埋热电偶的方法进行测量，热电偶尺寸小，动态响应速度高，而且 操作简单；
[0027] (2)齿面瞬时温度计算
[0028] 齿轮在啮合过程中，由于齿面间的相互摩擦而产生摩擦热。摩擦热使接触齿面的 表面温度上升。由于齿轮的转动，被瞬时加热的接触面迅速分离，在固定转速和载荷条件 下，瞬时加热和温升过程中将达到热平衡状态，此时齿轮的温度即为本体温度。齿轮的本体 温度基本不变，但轮齿的接触面在啮合瞬时仍然会在接触面产生大量的热，这一温度称为 瞬时温升。齿轮齿面的瞬时接触温度就是本体温度和瞬时温升的叠加。
[0029] 高速滚动并带有滑动的两齿轮接触面，因摩擦所产生的热量，会造成轮体温度升 高；而过高的轮齿温度必将造成啮合齿面间的润滑油膜发生破裂，金属直接接触并发生点 焊，在滑动速度的作用下焊点被撕开而形成胶合破坏。
[0030] 影响齿轮瞬时接触温度的主要因素有以下几种：
[0031] 1)齿轮几何参数的影响
[0032] 轮齿齿宽和模数的改变将引起轮齿尺寸、体积和承载能力的变化从而导致轮齿本 体温度的改变。当齿宽增加时，接触面的摩擦热流密度不容易通过齿轮接触面和轮齿端面 的润滑油冷却扩散；而且齿宽加大导致齿轮体积增加，也使摩擦热流密度在齿体中的热传 导更加困难，因此齿面本体温度升高。在相同的载荷和转速条件下，模数大的齿轮较模数小 的齿轮的齿面法向载荷低；齿面相对滑动速度高；对流换热系数大；而且体积增加。摩擦热 流密度的大小以及齿轮本体温度和齿面接触温度的高低将取决于上述因素的综合影响。
[0033] 2)齿面摩擦热流密度的影响
[0034] 轮齿接触面摩擦热流密度的大小取决于啮合面的接触压力、摩擦因数、相对滑动 速度和摩擦热流密度在主从动轮齿之间的分配系数以及摩擦能转换为热能的系数。其中齿 面接触压力的大小及分布将直接影响接触面摩擦热流密度的大小和分布，并对轮齿本体温 度和瞬时接触温度产生决定性的影响。接触面的摩擦因数和相对滑动速度也是影响摩擦热 流密度的主要因素。
[0035] 3)齿轮对流换热系数的影响
[0036] 高速齿轮传动一般采用齿面喷油润滑。在高速旋转条件下，齿轮端面采用单相液 体流动分析对流换热系数的方法需要修正，即需要确定由空气和润滑油混合流动在齿轮端 面产生的层流、过渡层流动和紊流。而轮齿接触面仅在啮合的瞬时获得一次喷油冷却，具有 间隙性瞬态强制对流冷却的特征，需要分析摩擦热流密度通过离心抛射冷却扩散的过程来 估计对流换热系数。齿轮端面和接触面的对流换热系数随着齿面啮合的位置、旋转的速度 以及操作条件而变化。
[0037] 在忽略轴承和油的流动引起的摩擦发热，系统的热源全部是啮合齿面间的摩擦热 功；根据Hertz接触理论，可以将接触区中心点处的热功率Q表示：
[0038]
[0039] 假定摩擦热在主动轮和被动轮间分配是均等的，则根据H. Blok理论及齿面传动 的理论，可得到接触区的最大瞬时温升为：
[0040]
[0041 ] 瞬时接触温度T是本体温度Tm瞬时温升T f之和，则：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] Tf:最大瞬时温升，T :瞬时接触温度，T M:齿轮本体温度，T。:润滑油温度，W t:单位 齿宽上的切向载荷，Uni:滑动摩擦系数，P 接触中心的最大单位应力，V2:齿轮在啮合 点处的滑动速度，a、b :啮合点处接触椭圆的长轴和短轴半径，Cl、c2:齿轮材料的比热，λ i、 λ 2:齿轮材料的导热系数，γ ρ γ2:齿轮材料的密度，F :齿面啮合点法向载荷；
[0046] 根据上述各式，及测得的润滑油温度和齿轮本体温度，可以计算齿面上个啮合位 置的瞬时温度，从而得到齿面的温度场。
[0047] 本实施例通过检测齿根温度，间接计算啮合齿面的瞬时温度，为齿轮设计提供的 非常有价值的参考。
[0048] 在传统的齿轮温度检测中，由于仅仅考虑了齿轮的平均温度，而忽略了啮合齿面 的瞬时温度，而啮合齿面的瞬时温度才是导致齿轮产生胶合烧伤的直接因素；尤其对重载 高速齿轮，齿面啮合的瞬时温度尤为重要，本发明解决了如何获取齿轮啮合齿面的瞬时温 度难题。
[0049] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种齿轮齿根温度测量方法，包括以下步骤： (1) 预埋热电偶 在受测齿轮的齿根两侧边打孔，将热电偶插入孔中，用硅橡胶密封，将引出线通过集流 环传输到数据采集系统； (2) 齿面瞬时温度计算 在忽略轴承和油的流动引起的摩擦发热，系统的热源全部是啮合齿面间的摩擦热功； 接触区中心点处的热功率Q可由下式表示： Q= ^mPmaxI^i-V2 假定摩擦热在主动轮和被动轮间分配是均等的，可得到接触区的最大瞬时温升为：瞬时接触温度T是本体温度Tm与瞬时温升Tf之和，则： T=TM+Tf Tm=To+0.IfftTf:最大瞬时温升，T:瞬时接触温度，TM:齿轮本体温度，T。:润滑油温度，Wt:单位齿宽 上的切向载荷，Uni:滑动摩擦系数，P接触中心的最大单位应力，VpV2:齿轮在啮合点处的 滑动速度，a、b:嗤合点处接触椭圆的长轴和短轴半径，Cl、c2:齿轮材料的比热，ApA2:齿 轮材料的导热系数，TpT2:齿轮材料的密度，F:齿面啮合点法向载荷； 根据上述各式，及测得的润滑油温度和齿轮本体温度，可以计算齿面上个啮合位置的 瞬时温度，从而得到齿面的温度场。2. 根据权利要求1所述的齿轮齿根温度测量方法，其特征在于，所述热电偶是K型热电 偶。
【专利摘要】本发明公开了一种齿轮齿根温度测量方法，该方法包括预埋热电偶和齿面瞬时温度计算2个步骤。本发明通过检测齿根温度，间接计算啮合齿面的瞬时温度，为齿轮设计提供的非常有价值的参考。在传统的齿轮温度检测设计中，仅仅考虑了齿轮的平均温度，而忽略了啮合齿面的瞬时温度，而啮合齿面的瞬时温度才是导致齿轮产生胶合烧伤的直接因素；尤其对重载高速齿轮，齿面啮合的瞬时温度尤为重要，本发明解决了如何获取齿轮啮合齿面的瞬时温度难题。
【IPC分类】G01K7/06
【公开号】CN105136322
【申请号】CN201510585817
【发明人】张余斌, 陈群, 徐志农, 布图格奇, 杨帅
【申请人】安徽精科检测技术有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月15日