悬臂式掘进机行走减速器的温度仿真分析

郭振华

（同煤集团北辛窑煤业有限责任公司， 山西 忻州 036702）

引言

悬臂式掘进机作为综合性的掘进设备，可以进行截割、装载、自行走等作业任务，其中行走机构作为悬臂式掘进机的重要组成部分，决定了悬臂式掘进机的移动性能，并且由于行走机构的负载较大，在进行工作移动过程中，其内部的行走减速器承受较大的载荷，温度变化较大，对于内部的齿轮机构造成较大的磨损[1]，从而影响行走减速器的使用寿命。对行走减速器的温度进行仿真分析，观察工作过程中内部齿轮的温度状态，便于对减速器进行布置相应的降温措施，从而提高行走减速器的寿命，保证巷道的掘进效率。

1 掘进机行走减速器建模

掘进机在进行掘进作业时，行走减速器内部的齿轮相互啮合传递动力，同时，啮合接触产生大量的热，这些热量的产生是由减速器输入轴传递的功率转化而成的。进行行走减速器的温度变化仿真分析，首先要建立行走减速器的三维模型，在进行建模的过程中，对于减速器上的微小结构，需要进行一定的简化，从而可以加快系统分析的速度，同时减少分析对于硬件的要求。在不影响行走减速器的整体结构的基础上，首先将齿轮与输入轴进行合并，得到各个齿轮轴的模型。行走减速器内部采用的轴承为深沟球轴承及圆柱滚子轴承，进行简化建模，并将减速器的机架、壳体等进行相应的简化建模，得到行走减速器各组成部分的模型。

将行走减速器的各组成部分的模型进行装配，其内部齿轮的啮合模型如图1 所示，整体模型如图2 所示。在装配的过程中，对于各部件之间的基础要保证主动轮与从动轮之间的接触，以及轴承内圈与轴表面的接触[2]，从而保证进行温度仿真时的热传导性。

图1 减速器内部齿轮啮合模型

图2 减速器整体模型

2 行走减速器的温度仿真分析

依据所建立的行走减速器模型，采用ANSYS Workbench 进行减速器的热分析。采用稳态热分析的方法，首先需要对模型进行网格划分，在进行网格划分时，采用SOLID70 单元模型进行网格划分，满足热交换的仿真。设置各部件之间的接触约束，加载相应的对流热交换系数，保证热传导作用。加载的关键是各齿轮间的内核接触、轴承内圈与齿轮轴表面的接触、轴承外圈与减速器壳体之间的接触[3]，对于系统进行加载运行温度分析，得到减速器的温度仿真分析结果。

行走减速器内部啮合的齿轮及轴的温度分布状态如下页图3 所示，从图3 中可以看出，在温度的分布上，啮合区域的齿轮温度最高，并且沿着径向方向温度逐渐降低，这是由于传热过程中的热损失，采用合金结构钢作为齿轮的材料，散热较快；在传递轴中，轴的温度较低，这是由于轴只进行热量的传递，不产生热作用，轴上的最高温度出现在靠近齿轮的位置[4]，这是热量在轴上传递逐渐消失的过程。在轴的两端位置处的温度较低，这是由于轴承的转速较低，相对于齿轮啮合的发热，不产生大的热作用。

图3 齿轮及轴的温度（℃）分布

在相互转动的不同齿轮轴中，温度最高的并非输入轴，而是与输入轴相啮合的Ⅱ轴，这是由于Ⅱ轴相对于输入轴具有较多的齿数，在与输入轴啮合的过程中，与润滑油接触产生更多的热量，并且Ⅱ轴的结构散热性较差，使得Ⅱ轴的温度最高。温度最低的为输出轴，这是由于在传递过程中，输出轴的转速最慢，产生的热量最少，并且具有较大的散热面积。在整体上，温度由输入轴向着输出轴逐渐降低，符合热力学的传递规律。

行走减速器的整体温度分布如图4 所示，从图4 中可以看出，在减速器壳体的整体温度分布上，与传动轴及轴承接触的区域温度较高，向其他区域逐渐降低。在温度的传导上，壳体的温度从输入轴区域向着输出轴区域逐渐降低，这与传热学规律是一致的[5]。在温度的整体分布上，壳体的温度要远低于内部啮合轴的温度，并且由于轴承具有良好的散热性，使得壳体的温度较低。

通过对行走减速器的温度进行仿真分析可知，减速器内部啮合区域的温度较高，并且输入轴区域的温度向着输出轴区域逐渐降低，而外部壳体的温度较低。对于改善行走减速器的整体温度状态，可以在减速器壳体上安装一定的冷却器，通过润滑油的作用，将内部啮合区域的温度传递到外部，改善减速器整体的温度状态。其次，可以在减速器的壳体上，布设相应的冷却水管路，通过热交换作用，将内部的热量传递的外部的壳体上，改善减速器整体的温度状态。这些措施的实施均可以降低内部啮合区域的温度，并且可以依据减速器内部啮合区域温度的高低，布置相应的冷却器或者冷却水路的不同密度，有针对性地降低行走减速器的温度，从而提高行走减速器的寿命。

图4 减速器整体温度（℃）分布

3 结论

悬臂式掘进机的行走机构是掘进机的重要组成部分。行走机构作用负载大，内部传动时产生较大的热量，影响行走减速器的使用寿命，对掘进机的工作效率产生较大的影响。依据悬臂式掘进机，通过建立行走减速器的模型，采用ANSYS Workbench 对掘进机的行走减速器进行温度分布的仿真分析。通过分析可知，行走减速器的内部啮合区域的温度较高，并且温度由输入轴区域向着输出轴区域逐渐降低，而外部减速器壳体的温度较低，这不利于减速器的长期使用，可以通过增加冷却器或者冷却水管路的方式，改善行走减速器的温度状态，并且针对性地布置冷却器和冷水路的密度，从而可以延长行走减速器的使用寿命，提高掘进机设备的掘进效率，满足煤矿高效率自动化的开采需求。