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。