李洋子

（晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

采煤機(jī)是煤炭開采的關(guān)鍵裝備，截割齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)功率消耗大，故障頻繁，嚴(yán)重影響了煤礦的正常開采[1]。消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大大升高，從而影響了齒輪系統(tǒng)的使用壽命[2]。針對(duì)采煤機(jī)截割齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，分析了齒輪溫度升高熱量的來源，基于COMSOL軟件，建立了齒輪溫度場(chǎng)分析模型，分析了潤(rùn)滑油溫度、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著潤(rùn)滑油溫度、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，齒輪本體溫度都有不同程度的升高，尤其是潤(rùn)滑油溫度是齒輪本體溫度升高的關(guān)鍵因素，提出了降低齒輪工作溫度的措施，該研究對(duì)于改善齒輪的工作環(huán)境，提高采煤機(jī)截割傳動(dòng)部的可靠性和壽命具有重要意義。

1 采煤機(jī)截割傳動(dòng)部齒輪生熱原理

采煤機(jī)截割傳動(dòng)部主要由截割電機(jī)、齒輪系統(tǒng)、截割滾筒等組成，其中齒輪系統(tǒng)包括長(zhǎng)鏈齒輪和行星齒輪[3]，如圖1所示。齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)路徑較長(zhǎng)，級(jí)數(shù)較多，消耗的功率也較大，有數(shù)據(jù)表明，整機(jī)功率的80%都被傳動(dòng)系統(tǒng)所消耗[4]。而這些消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，被潤(rùn)滑油和齒輪等吸收，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高，嚴(yán)重影響齒輪和軸承的使用壽命。

圖1 采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)示意圖

齒輪副在嚙合傳動(dòng)過程中，由于主動(dòng)和被動(dòng)齒輪的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度存在差異，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)方向上，主動(dòng)和被動(dòng)齒輪的分解速度不一樣，在嚙合切線方向上，齒輪的絕對(duì)速度不同，從而導(dǎo)致齒輪副之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)[5]。齒輪嚙合面之間的接觸力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及摩擦，這3個(gè)要素導(dǎo)致齒輪副之間產(chǎn)生了摩擦生熱。摩擦熱一方面被齒輪本體吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，另一方面被潤(rùn)滑油吸收帶走[6]。經(jīng)過一段時(shí)間后，齒輪產(chǎn)生的摩擦熱和潤(rùn)滑油吸收帶走的熱量達(dá)到平衡后，齒輪表面的溫度還會(huì)隨著齒輪的嚙合不斷變化，但是齒輪本體的溫度已經(jīng)達(dá)到平衡[7]，可以認(rèn)為在一定周期內(nèi)，齒輪本體的溫度是恒定不變的。通過前期的研究得出，4號(hào)齒輪是齒輪系統(tǒng)中發(fā)生故障最高的，也是溫度場(chǎng)中溫度最高的齒輪。因此，本文以4號(hào)齒輪作為研究對(duì)象。

2 齒輪溫度場(chǎng)仿真模型建立

多物理耦合軟件COMSOL可以對(duì)多種物理場(chǎng)問題進(jìn)行分析，其中傳熱模塊可以解決熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流以及三者任意組合的問題[8]。利用COMSOL進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，與其他有限元仿真軟件一樣，需要進(jìn)行有限元模型建立、參數(shù)和材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解器設(shè)置和后處理等流程。

通過COMSOL建立了齒輪溫度場(chǎng)模型，選擇固體傳熱模塊，采用自由剖分四面體網(wǎng)格對(duì)齒輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。求解器設(shè)置是有限元分析中最關(guān)鍵的步驟之一，COMSOL軟件提供了直接式、迭代式等多種求解器方式，對(duì)于齒輪溫度場(chǎng)的求解，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)問題，因此選擇Newton迭代方法進(jìn)行迭代求解。

3 齒輪本體溫度特性分析

3.1 潤(rùn)滑油溫度對(duì)齒輪溫度場(chǎng)影響

在額定工況條件下，當(dāng)N460潤(rùn)滑油的輸入油溫分別為96℃和80℃時(shí)，通過COMSOL計(jì)算分析，得到了截割傳動(dòng)部4號(hào)齒輪的溫度場(chǎng)分布，如圖2所示。

圖2 不同潤(rùn)滑油溫度下齒輪本體溫度場(chǎng)分布

從圖中可以看出，不同潤(rùn)滑油的輸入油溫下，齒輪的溫度場(chǎng)分布極為相似，在齒輪的兩個(gè)端面溫度都相對(duì)較低，而在輪齒齒高方向的中部即靠近節(jié)圓附近溫度相對(duì)較高，并且靠近齒根處的溫度比靠近齒頂處的溫度高。同時(shí)，輪齒非工作面的溫度也相對(duì)端面溫度較高，但比工作齒面的溫度低。這是由于工作齒面的溫度升高后，通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給相鄰的非工作齒面，附近的潤(rùn)滑油溫度也隨之升高，也會(huì)給相鄰的非工作齒面帶來熱量，因此非工作齒面的溫度也相對(duì)較高。

對(duì)比兩種潤(rùn)滑油溫度下的齒輪溫度場(chǎng)，當(dāng)潤(rùn)滑油溫度為96℃時(shí)，齒輪的溫度范圍為98.2～119℃，當(dāng)潤(rùn)滑油溫度為80℃時(shí)，齒輪的溫度范圍下降到了82.6～103℃，齒輪的下降的溫度與潤(rùn)滑油下降的溫度接近，說明潤(rùn)滑油溫度是決定齒輪溫度的關(guān)鍵因素。

3.2 電機(jī)扭矩對(duì)齒輪溫度場(chǎng)的影響

為了研究齒輪負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，齒輪本體溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，設(shè)置不同的電機(jī)扭矩，當(dāng)N460潤(rùn)滑油的輸入油溫為96℃時(shí)，通過COMSOL計(jì)算分析，得到了截割傳動(dòng)部4號(hào)齒輪的溫度場(chǎng)分布，如圖3所示。

圖3 不同電機(jī)扭矩下齒輪本體溫度場(chǎng)分布

從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為1.1倍電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，齒輪的溫度范圍為98.5～121℃，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.9倍電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，齒輪的溫度范圍為98～117℃，說明隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩的降低，即負(fù)載的降低，齒輪本體的溫度也略微有所下降，負(fù)載是影響齒輪溫度的因素之一。

3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪溫度場(chǎng)的影響

齒輪轉(zhuǎn)速會(huì)影響齒輪副嚙合面之間的相對(duì)滑動(dòng)速度，從而對(duì)齒輪的溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。為了研究齒輪轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，齒輪本體溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，設(shè)置不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過COMSOL計(jì)算分析，得到了截割傳動(dòng)部4號(hào)齒輪的溫度場(chǎng)分布，如圖4所示。

圖4 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下齒輪本體溫度場(chǎng)分布

從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，齒輪的溫度范圍為98.5～117℃，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，齒輪的溫度范圍為98.2～119℃，說明隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，齒輪本體的溫度變化不大，電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪溫度的影響較少。

4 降低齒輪工作溫度措施

傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的工作溫度越高，齒輪越容易發(fā)生磨損、點(diǎn)蝕等問題，因此控制齒輪系統(tǒng)的溫度，對(duì)于提高齒輪的可靠性和壽命具有重要意義。為了降低齒輪的工作溫度，可以采取以下措施：

（1）適當(dāng)降低潤(rùn)滑油溫度，潤(rùn)滑油溫度是決定齒輪溫度的關(guān)鍵因素，當(dāng)潤(rùn)滑油溫度越低，帶走的熱量也越多，齒輪的工作溫度也越低；

（2）在保證軸承壽命的前提下，盡量增大齒輪的螺旋角，螺旋角越大，系統(tǒng)的功耗損失越小，齒輪工作產(chǎn)生的熱量也越小，溫度越低；

（3）增加外部散熱裝置或者系統(tǒng)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的散熱性能，達(dá)到降低潤(rùn)滑油和齒輪工作溫度的目的。

5 結(jié)束語

分析了齒輪溫度升高熱量的來源，基于COMSOL軟件，建立了齒輪溫度場(chǎng)分析模型，分析了潤(rùn)滑油溫度、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著潤(rùn)滑油溫度、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，齒輪本體溫度都有不同程度的升高，尤其是潤(rùn)滑油溫度是齒輪本體溫度升高的關(guān)鍵因素，提出了降低齒輪工作溫度的措施，該研究對(duì)于改善齒輪的工作環(huán)境，提高采煤機(jī)截割傳動(dòng)部的可靠性和壽命具有重要意義。