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        懸臂式掘進(jìn)機(jī)行走減速器的溫度仿真分析

        2021-04-08 09:34:30郭振華
        機(jī)械管理開發(fā) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:掘進(jìn)機(jī)減速器懸臂

        郭振華

        (同煤集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 忻州 036702)

        引言

        懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為綜合性的掘進(jìn)設(shè)備,可以進(jìn)行截割、裝載、自行走等作業(yè)任務(wù),其中行走機(jī)構(gòu)作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分,決定了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的移動性能,并且由于行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載較大,在進(jìn)行工作移動過程中,其內(nèi)部的行走減速器承受較大的載荷,溫度變化較大,對于內(nèi)部的齒輪機(jī)構(gòu)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(jìn)行仿真分析,觀察工作過程中內(nèi)部齒輪的溫度狀態(tài),便于對減速器進(jìn)行布置相應(yīng)的降溫措施,從而提高行走減速器的壽命,保證巷道的掘進(jìn)效率。

        1 掘進(jìn)機(jī)行走減速器建模

        掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí),行走減速器內(nèi)部的齒輪相互嚙合傳遞動力,同時(shí),嚙合接觸產(chǎn)生大量的熱,這些熱量的產(chǎn)生是由減速器輸入軸傳遞的功率轉(zhuǎn)化而成的。進(jìn)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(jìn)行建模的過程中,對于減速器上的微小結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行一定的簡化,從而可以加快系統(tǒng)分析的速度,同時(shí)減少分析對于硬件的要求。在不影響行走減速器的整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,首先將齒輪與輸入軸進(jìn)行合并,得到各個(gè)齒輪軸的模型。行走減速器內(nèi)部采用的軸承為深溝球軸承及圓柱滾子軸承,進(jìn)行簡化建模,并將減速器的機(jī)架、殼體等進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行裝配,其內(nèi)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(chǔ)要保證主動輪與從動輪之間的接觸,以及軸承內(nèi)圈與軸表面的接觸[2],從而保證進(jìn)行溫度仿真時(shí)的熱傳導(dǎo)性。

        圖1 減速器內(nèi)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(jù)所建立的行走減速器模型,采用ANSYS Workbench 進(jìn)行減速器的熱分析。采用穩(wěn)態(tài)熱分析的方法,首先需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用SOLID70 單元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,滿足熱交換的仿真。設(shè)置各部件之間的接觸約束,加載相應(yīng)的對流熱交換系數(shù),保證熱傳導(dǎo)作用。加載的關(guān)鍵是各齒輪間的內(nèi)核接觸、軸承內(nèi)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(tǒng)進(jìn)行加載運(yùn)行溫度分析,得到減速器的溫度仿真分析結(jié)果。

        行走減速器內(nèi)部嚙合的齒輪及軸的溫度分布狀態(tài)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jìn)行熱量的傳遞,不產(chǎn)生熱作用,軸上的最高溫度出現(xiàn)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(zhuǎn)速較低,相對于齒輪嚙合的發(fā)熱,不產(chǎn)生大的熱作用。

        圖3 齒輪及軸的溫度(℃)分布

        在相互轉(zhuǎn)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(shù),在與輸入軸嚙合的過程中,與潤滑油接觸產(chǎn)生更多的熱量,并且Ⅱ軸的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速最慢,產(chǎn)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(xué)的傳遞規(guī)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(qū)域溫度較高,向其他區(qū)域逐漸降低。在溫度的傳導(dǎo)上,殼體的溫度從輸入軸區(qū)域向著輸出軸區(qū)域逐漸降低,這與傳熱學(xué)規(guī)律是一致的[5]。在溫度的整體分布上,殼體的溫度要遠(yuǎn)低于內(nèi)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(jìn)行仿真分析可知,減速器內(nèi)部嚙合區(qū)域的溫度較高,并且輸入軸區(qū)域的溫度向著輸出軸區(qū)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(tài),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(nèi)部嚙合區(qū)域的溫度傳遞到外部,改善減速器整體的溫度狀態(tài)。其次,可以在減速器的殼體上,布設(shè)相應(yīng)的冷卻水管路,通過熱交換作用,將內(nèi)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(tài)。這些措施的實(shí)施均可以降低內(nèi)部嚙合區(qū)域的溫度,并且可以依據(jù)減速器內(nèi)部嚙合區(qū)域溫度的高低,布置相應(yīng)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(jié)論

        懸臂式掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分。行走機(jī)構(gòu)作用負(fù)載大,內(nèi)部傳動時(shí)產(chǎn)生較大的熱量,影響行走減速器的使用壽命,對掘進(jìn)機(jī)的工作效率產(chǎn)生較大的影響。依據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī),通過建立行走減速器的模型,采用ANSYS Workbench 對掘進(jìn)機(jī)的行走減速器進(jìn)行溫度分布的仿真分析。通過分析可知,行走減速器的內(nèi)部嚙合區(qū)域的溫度較高,并且溫度由輸入軸區(qū)域向著輸出軸區(qū)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(tài),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(jìn)機(jī)設(shè)備的掘進(jìn)效率,滿足煤礦高效率自動化的開采需求。

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