懸臂式掘進機行走減速器的溫度仿真分析

郭振華

（同煤集團北辛窯煤業有限責任公司， 山西 忻州 036702）

引言

懸臂式掘進機作為綜合性的掘進設備，可以進行截割、裝載、自行走等作業任務，其中行走機構作為懸臂式掘進機的重要組成部分，決定了懸臂式掘進機的移動性能，并且由于行走機構的負載較大，在進行工作移動過程中，其內部的行走減速器承受較大的載荷，溫度變化較大，對于內部的齒輪機構造成較大的磨損[1]，從而影響行走減速器的使用壽命。對行走減速器的溫度進行仿真分析，觀察工作過程中內部齒輪的溫度狀態，便于對減速器進行布置相應的降溫措施，從而提高行走減速器的壽命，保證巷道的掘進效率。

1 掘進機行走減速器建模

掘進機在進行掘進作業時，行走減速器內部的齒輪相互嚙合傳遞動力，同時，嚙合接觸產生大量的熱，這些熱量的產生是由減速器輸入軸傳遞的功率轉化而成的。進行行走減速器的溫度變化仿真分析，首先要建立行走減速器的三維模型，在進行建模的過程中，對于減速器上的微小結構，需要進行一定的簡化，從而可以加快系統分析的速度，同時減少分析對于硬件的要求。在不影響行走減速器的整體結構的基礎上，首先將齒輪與輸入軸進行合并，得到各個齒輪軸的模型。行走減速器內部采用的軸承為深溝球軸承及圓柱滾子軸承，進行簡化建模，并將減速器的機架、殼體等進行相應的簡化建模，得到行走減速器各組成部分的模型。

將行走減速器的各組成部分的模型進行裝配，其內部齒輪的嚙合模型如圖1 所示，整體模型如圖2 所示。在裝配的過程中，對于各部件之間的基礎要保證主動輪與從動輪之間的接觸，以及軸承內圈與軸表面的接觸[2]，從而保證進行溫度仿真時的熱傳導性。

圖1 減速器內部齒輪嚙合模型

圖2 減速器整體模型

2 行走減速器的溫度仿真分析

依據所建立的行走減速器模型，采用ANSYS Workbench 進行減速器的熱分析。采用穩態熱分析的方法，首先需要對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，采用SOLID70 單元模型進行網格劃分，滿足熱交換的仿真。設置各部件之間的接觸約束，加載相應的對流熱交換系數，保證熱傳導作用。加載的關鍵是各齒輪間的內核接觸、軸承內圈與齒輪軸表面的接觸、軸承外圈與減速器殼體之間的接觸[3]，對于系統進行加載運行溫度分析，得到減速器的溫度仿真分析結果。

行走減速器內部嚙合的齒輪及軸的溫度分布狀態如下頁圖3 所示，從圖3 中可以看出，在溫度的分布上，嚙合區域的齒輪溫度最高，并且沿著徑向方向溫度逐漸降低，這是由于傳熱過程中的熱損失，采用合金結構鋼作為齒輪的材料，散熱較快；在傳遞軸中，軸的溫度較低，這是由于軸只進行熱量的傳遞，不產生熱作用，軸上的最高溫度出現在靠近齒輪的位置[4]，這是熱量在軸上傳遞逐漸消失的過程。在軸的兩端位置處的溫度較低，這是由于軸承的轉速較低，相對于齒輪嚙合的發熱，不產生大的熱作用。

圖3 齒輪及軸的溫度（℃）分布

在相互轉動的不同齒輪軸中，溫度最高的并非輸入軸，而是與輸入軸相嚙合的Ⅱ軸，這是由于Ⅱ軸相對于輸入軸具有較多的齒數，在與輸入軸嚙合的過程中，與潤滑油接觸產生更多的熱量，并且Ⅱ軸的結構散熱性較差，使得Ⅱ軸的溫度最高。溫度最低的為輸出軸，這是由于在傳遞過程中，輸出軸的轉速最慢，產生的熱量最少，并且具有較大的散熱面積。在整體上，溫度由輸入軸向著輸出軸逐漸降低，符合熱力學的傳遞規律。

行走減速器的整體溫度分布如圖4 所示，從圖4 中可以看出，在減速器殼體的整體溫度分布上，與傳動軸及軸承接觸的區域溫度較高，向其他區域逐漸降低。在溫度的傳導上，殼體的溫度從輸入軸區域向著輸出軸區域逐漸降低，這與傳熱學規律是一致的[5]。在溫度的整體分布上，殼體的溫度要遠低于內部嚙合軸的溫度，并且由于軸承具有良好的散熱性，使得殼體的溫度較低。

通過對行走減速器的溫度進行仿真分析可知，減速器內部嚙合區域的溫度較高，并且輸入軸區域的溫度向著輸出軸區域逐漸降低，而外部殼體的溫度較低。對于改善行走減速器的整體溫度狀態，可以在減速器殼體上安裝一定的冷卻器，通過潤滑油的作用，將內部嚙合區域的溫度傳遞到外部，改善減速器整體的溫度狀態。其次，可以在減速器的殼體上，布設相應的冷卻水管路，通過熱交換作用，將內部的熱量傳遞的外部的殼體上，改善減速器整體的溫度狀態。這些措施的實施均可以降低內部嚙合區域的溫度，并且可以依據減速器內部嚙合區域溫度的高低，布置相應的冷卻器或者冷卻水路的不同密度，有針對性地降低行走減速器的溫度，從而提高行走減速器的壽命。

圖4 減速器整體溫度（℃）分布

3 結論

懸臂式掘進機的行走機構是掘進機的重要組成部分。行走機構作用負載大，內部傳動時產生較大的熱量，影響行走減速器的使用壽命，對掘進機的工作效率產生較大的影響。依據懸臂式掘進機，通過建立行走減速器的模型，采用ANSYS Workbench 對掘進機的行走減速器進行溫度分布的仿真分析。通過分析可知，行走減速器的內部嚙合區域的溫度較高，并且溫度由輸入軸區域向著輸出軸區域逐漸降低，而外部減速器殼體的溫度較低，這不利于減速器的長期使用，可以通過增加冷卻器或者冷卻水管路的方式，改善行走減速器的溫度狀態，并且針對性地布置冷卻器和冷水路的密度，從而可以延長行走減速器的使用壽命，提高掘進機設備的掘進效率，滿足煤礦高效率自動化的開采需求。