CN110686069B - 一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，包括：油箱；油泵，其一端通过第一进油管与所述油箱连通；主动齿轮，其可转动支撑设置在所述油箱上方；从动齿轮，其与所述主动齿轮啮合，并可转动支撑设置在所述油箱上方；喷嘴，其通过第二进油管与所述油泵另一端连通，所述喷嘴支撑设置在所述主动齿轮和所述从动齿轮之间，用于将所述油箱内的润滑油喷射至所述主动齿轮和所述从动齿轮相啮合处。通过喷嘴对齿轮进行喷油润滑，使齿轮与润滑油界面分离，齿轮始终处于良好的润滑状态，减少搅油损失。本发明还提供一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法。

Description

一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统及其控制方法，属于齿轮润滑领域。

背景技术

齿轮传动是机械装备的重要组成部分，具有传递动力、变速换向功用。齿轮是啮合的齿面相互摩擦传递运动和动力的重要机械零件，齿轮传动一般是一对齿轮分别安装在主动轴和从动轴上利用两齿轮轮齿相互啮合以传递运动和动力，它广泛地运动在传动、变速、联接等各类现代机器中。在使用过程中，由于齿轮的损坏未能达到设计寿命就失效的形式虽然很多，而以润滑不当引起齿轮早期失效的形式占多数。随着齿轮传动向高速重负荷方向发展，齿轮传动的正确润滑显的越来越重要。

目前，闭式直齿齿轮传动装置大多采用飞溅润滑，通过齿轮旋转将润滑油带入齿轮啮合处进行润滑冷却，但是该润滑方式的润滑油量不易调节，还容易将润滑油中的杂质带入啮合位置造成齿轮损伤降低齿轮使用寿命。随着齿轮传动装置转速的提高，齿轮高速旋转时巨大的离心力使润滑油很难附着于齿轮，使得进入啮合区的润滑油量较少，造成润滑不充分，且高速旋转带来的搅油损失巨大，严重影响齿轮传动装置效率。

发明内容

本发明设计开发了一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，通过喷嘴对齿轮进行喷油润滑，使齿轮与润滑油界面分离，没有搅油损失，并使齿轮始终处于良好的润滑状态，减少摩擦损失。

本发明还设计开发了一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，能够根据油箱中润滑油的高度控制油泵的转速，进而调节喷油量，提高齿轮的润滑效率。

本发明提供的技术方案为：

一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，包括：

油箱；

油泵，其一端通过第一进油管与所述油箱连通；

主动齿轮，其可转动支撑设置在所述油箱上方；

从动齿轮，其与所述主动齿轮啮合，并可转动支撑设置在所述油箱上方；

喷嘴，其通过第二进油管与所述油泵另一端连通，所述喷嘴支撑设置在所述主动齿轮和所述从动齿轮之间，用于将所述油箱内的润滑油喷射至所述主动齿轮和所述从动齿轮相啮合处。

优选的是，还包括：

滤清器，其一端连通设置在所述油箱内，另一端通过所述第一进油管与所述油泵一端连通。

优选的是，所述第一进油管和所述第二进油管为高压油管。

优选的是，所述喷嘴为扇形结构。

优选的是，还包括：

齿轮转速传感器，其设置在所述主动齿轮上，用于监测所述主动齿轮转速；

转矩传感器，其设置在所述主动齿轮上，用于监测所述主动齿轮转矩；

液位计，其设置在所述油箱内，用于监测所述油箱内的液面高度；

油泵转速传感器，其设置在所述油泵上，用于检测所述油泵的转速；

控制器，其分别于所述转速传感器、所述转矩传感器、所述液位计、所述油泵电连接，用于接收所述转速传感器、所述转矩传感器、所述液位计、所述油泵的监测信号，控制油泵的转速。

一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，使用所述的高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，具体包括：

对油箱内润滑油的液面高度h进行判断：

当润滑油液面高度h＜0.01h₀时，油泵实际转速r为0.1n_p；

其中，h₀为油箱中润滑油的初始高度，n_p为油泵最大转速；

当润滑油液面高度h≥0.01h₀时，通过PID控制器控制油泵的实际转速r。

优选的是，还包括：

将主动齿轮转矩f、主动齿轮转速v₁输入到模糊控制器中，输出油泵的理想转速

其中，所述主动齿轮转矩f、所述主动齿轮转速v₁、所述油泵的理想转速分为四个等级，输入和输出的模糊集为：{VS，S，B，VB}；

将第i个控制过程的油泵实际转速r和油泵理想转速的偏差e、偏差变化率ec输入PID控制器中，通过PID控制器对油泵的实际转速r进行误差补偿控制。

优选的是，所述喷嘴出油流量Q的经验计算公式为：

其中，k_f为第一校正系数，T_i为测试油温，T₀为初始油温，r为油泵的实际转速，r₀为油泵设定的基础转速，k_Q为油量调节系数，S₁为第二进油管的横截面积，S₂为喷嘴出油口的横截面积，k_c为收缩系数，P₀为润滑油的初始压力，P_i为润滑油的测试压力，Q_v为设定的基础出油流量。

优选的是，所述油量调节系数k_Q的经验计算公式为：

其中，λ为第二校正系数，L₁为第一油管的长度，L₂为第二油管的长度，a₁为第一油管内润滑油的传播速度，a₂为第二油管内润滑油的传播速度，r为第二润滑油管的半径。

本发明所述的有益效果：本发明提出一种智能喷油润滑系统，齿轮与润滑油界面分离无搅油损失，通过检测齿轮传动装置的输入转速、输入转矩以及油箱中的润滑油量，智能的调节喷油量，使齿轮始终处于良好的润滑状态中，不会由于润滑油不足引起润滑不良且不会由于润滑油过多引起额外的功率损失。同时能够根据油箱中润滑油的高度控制油泵的转速，当油箱中油量很少时，降低油泵转速，避免油泵空转。

附图说明

图1为本发明所述的高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的结构示意图。

图2为本发明所述的喷嘴喷射示意图。

图3为本发明所述的高速齿轮传动装置智能喷油系统的控制逻辑图。

图4为本发明所述的PID控制器控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，包括：油箱100、润滑油110、滤清器130、主动齿轮210、从动齿轮220、油泵300、第一油管310、第二油管320、控制器400以及喷嘴500。

油箱100内设置有润滑油110，主动齿轮210可旋转支撑设置在油箱100上方，从动齿轮220可旋转支撑设置在油箱100的上方，并与主动齿轮210啮合，在主动齿轮210的转动下，带动从动齿轮220转动。

滤清器130的底部设置在油箱100内，用于对润滑油110进行过滤和提纯，滤清器130的底部通过第一油管310与油泵300一端的进油口相连通，通过滤清器130将过滤后的润滑油导入油泵300。油泵300另一端的出油口通过第二油管320与喷嘴500相连通，喷嘴500设置在主动齿轮210和从动齿轮220之间，位于主动齿轮210和从动齿轮220节圆的公切线上。通过油泵300将润滑油引入到喷嘴500中，再通过喷嘴500对主动齿轮210和从动齿轮220的啮合处进行润滑。在油箱100内，还设置有液位计120，用于对油箱内100内剩余的润滑油量进行测量。油泵300上还设置有油泵转速传感器，用于测量油泵300的转速。

在本发明中，作为一种优选，第一油管310和第二油管320均采用高压油管。

在本发明中，作为一种优选，喷嘴500采用扇形喷嘴。

在主动齿轮210上还设置有转速传感器211和转矩传感器212，用于测量主动齿轮210的转速和转矩，控制器400分别与转速传感器211、转矩传感器212、液位计以及油泵300和油泵转速传感器进行电连接，控制器400接收转速传感器211、转矩传感器212液位计120、油泵传递的信号，进而控制油泵300的油量。

本发明还提供一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，能够根据油箱300中润滑油的高度控制油泵的转速，进而调节喷油量，提高齿轮的润滑效率，具体包括：

如图3-4所示，设定油泵300的最大转速r_max为n_p，油箱100初始时的润滑油高度为h₀，通过控制油泵300的转速r来控制喷油量。

初始时，设定油泵转速r为0.1n_p，以保证齿轮传动装置冷启动时齿轮间的充分润滑，通过液位计120对油箱中润滑油的液面高度进行监测，

当液面高度h＜0.01h₀时，保持油泵转速r为0.1n_p，等待润滑油回流，避免油泵空转；

当液面高度h≥0.01h₀时，通过PID控制器控制油泵的实际转速r。

表1为油泵的模糊控制规则表，根据主动齿轮210的转速v和转矩f查询模糊控制规则表，得到油泵的理想转速使用PID控制器对油泵进行控制，使油泵满足转速要求，从而达到理想喷油量

其中，主动齿轮210的转矩f、主动齿轮210的转速v₁、所述油泵的理想转速均分为四个等级，输入和输出的模糊集为：{VS，S，B，VB}；

将第i个控制过程的油泵实际转速r和油泵理想转速的偏差e、偏差变化率ec输入PID控制器中，通过PID控制器对油泵的实际转速r进行误差补偿控制。

油泵转速的模糊控制规则如表1所示，转矩f升高时，齿面接触力较大，主动齿轮210和从动齿轮220处于混合润滑状态中，存在粗糙峰直接接触的情况，摩擦产生大量热，此时需要大量润滑油对主动齿轮210和从动齿轮220进行冷却；转速v₁升高时，齿面存在瞬时温升，需要润滑油对其进行冷却，但过多的润滑油会造成额外的摩擦损失，因此通过PID控制器对油泵的实际转速r进行误差补偿控制，提高润滑效率。

油泵实际转速r通过PID控制器进行控制，在第i个控制过程时，根据油泵理想转速和实际转速r_i之间的偏差e，与控制器中的比例系数K、积分系数I和微分系数D进行线性组合构成控制量，对油泵进行控制和校正，图4为PID控制器框图，/>为第i个控制过程查表1得出的理想油泵转速。控制偏差/>PID的控制规律为/>比例环节K的作用是提高系统响应速度，积分环节I的作用为消除系统的静态误差，微分环节D的作用为改善系统的动态特性。

对于控制器中的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的整定，本发明采用试凑法，首先仅选择比例校正，使系统闭环后满足稳定性指标，在此基础上根据控制偏差加入积分校正，积分环节的加入使系统的稳定裕量和快速性下降，此时在加入微分校正，以保证系统的稳定性和快速性。

表1油泵转速模糊控制表

在另一实施例中，喷嘴出油流量Q的经验计算公式为：

其中，k_f为第一校正系数，T_i为测试油温，T₀为初始油温，r为油泵的实际转速，r₀为油泵设定的基础转速，k_Q为油量调节系数，S₁为第二进油管的横截面积，S₂为喷嘴出油口的横截面积，k_c为收缩系数，P₀为润滑油的初始压力，P_i为润滑油的测试压力，Q_v为设定的基础出油流量。

油量调节系数k_Q的经验计算公式为：

其中，λ为第二校正系数，L₁为第一油管的长度，L₂为第二油管的长度，a₁为第一油管内润滑油的传播速度，a₂为第二油管内润滑油的传播速度，r为第二润滑油管的半径。

通过检测齿轮传动装置的输入转速、输入转矩以及油箱中的润滑油量，智能的调节喷油量，使齿轮始终处于良好的润滑状态中，且不会增加额外功率损失，同时能够根据油箱中润滑油的高度控制油泵的转速，进而调节喷油量，提高齿轮的润滑效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，

所述高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统，包括：

油箱；

油泵，其一端通过第一进油管与所述油箱连通；

主动齿轮，其可转动支撑设置在所述油箱上方；

从动齿轮，其与所述主动齿轮啮合，并可转动支撑设置在所述油箱上方；

喷嘴，其通过第二进油管与所述油泵另一端连通，所述喷嘴支撑设置在所述主动齿轮和所述从动齿轮之间，用于将所述油箱内的润滑油喷射至所述主动齿轮和所述从动齿轮相啮合处；

求所述的高速齿轮传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，包括：

对油箱内润滑油的液面高度h进行判断：

当润滑油液面高度h＜0.01h₀时，油泵实际转速r为0.1n_p；

其中，h₀为油箱中润滑油的初始高度，n_p为油泵最大转速；

当润滑油液面高度h≥0.01h₀时，通过PID控制器控制油泵的实际转速r；

将主动齿轮转矩f、主动齿轮转速v₁输入到模糊控制器中，输出油泵的理想转速

其中，所述主动齿轮转矩f、所述主动齿轮转速v₁、所述油泵的理想转速分为四个等级，输入和输出的模糊集为：{VS，S，B，VB}；

将第i个控制过程的油泵实际转速r和油泵理想转速的偏差e、偏差变化率ec输入PID控制器中，通过PID控制器对油泵的实际转速r进行误差补偿控制

所述喷嘴出油流量Q的经验计算公式为：

其中，k_f为第一校正系数，T_i为测试油温，T₀为初始油温，r为油泵的实际转速，r₀为油泵设定的基础转速，k_Q为油量调节系数，S₁为第二进油管的横截面积，S₂为喷嘴出油口的横截面积，k_c为收缩系数，P₀为润滑油的初始压力，P_i为润滑油的测试压力，Q_v为设定的基础出油流量

所述油量调节系数k_Q的经验计算公式为：

其中，λ为第二校正系数，L₁为第一油管的长度，L₂为第二油管的长度，a₁为第一油管内润滑油的传播速度，a₂为第二油管内润滑油的传播速度，r为第二润滑油管的半径。

2.根据权利要求1所述的传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，还包括：

滤清器，其一端连通设置在所述油箱内，另一端通过所述第一进油管与所述油泵一端连通。

3.根据权利要求2所述的传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，所述第一进油管和所述第二进油管为高压油管。

4.根据权利要求3所述的传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，所述喷嘴为扇形结构。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的传动装置智能喷油润滑系统的控制方法，其特征在于，还包括：

齿轮转速传感器，其设置在所述主动齿轮上，用于监测所述主动齿轮转速；

转矩传感器，其设置在所述主动齿轮上，用于监测所述主动齿轮转矩；

液位计，其设置在所述油箱内，用于监测所述油箱内的液面高度；

油泵转速传感器，其设置在所述油泵上，用于检测所述油泵的转速；

控制器，其分别于所述转速传感器、所述转矩传感器、所述液位计、所述油泵电连接，用于接收所述转速传感器、所述转矩传感器、所述液位计、所述油泵的监测信号，控制油泵的转速。