采煤機截割傳動部齒輪溫度影響因素分析

李洋子

（晉煤集團澤州天安恒源煤業有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

采煤機是煤炭開采的關鍵裝備，截割齒輪傳動系統功率消耗大，故障頻繁，嚴重影響了煤礦的正常開采[1]。消耗的功率全部轉化為熱量，導致系統溫度大大升高，從而影響了齒輪系統的使用壽命[2]。針對采煤機截割齒輪傳動系統，分析了齒輪溫度升高熱量的來源，基于COMSOL軟件，建立了齒輪溫度場分析模型，分析了潤滑油溫度、電機扭矩、電機轉速對齒輪溫度場的影響規律，結果表明，隨著潤滑油溫度、電機扭矩、電機轉速的增加，齒輪本體溫度都有不同程度的升高，尤其是潤滑油溫度是齒輪本體溫度升高的關鍵因素，提出了降低齒輪工作溫度的措施，該研究對于改善齒輪的工作環境，提高采煤機截割傳動部的可靠性和壽命具有重要意義。

1 采煤機截割傳動部齒輪生熱原理

采煤機截割傳動部主要由截割電機、齒輪系統、截割滾筒等組成，其中齒輪系統包括長鏈齒輪和行星齒輪[3]，如圖1所示。齒輪系統傳動路徑較長，級數較多，消耗的功率也較大，有數據表明，整機功率的80%都被傳動系統所消耗[4]。而這些消耗的功率全部轉化為熱量，被潤滑油和齒輪等吸收，導致系統溫度升高，嚴重影響齒輪和軸承的使用壽命。

圖1 采煤機截割部結構示意圖

齒輪副在嚙合傳動過程中，由于主動和被動齒輪的尺寸和旋轉速度存在差異，同時在運動方向上，主動和被動齒輪的分解速度不一樣，在嚙合切線方向上，齒輪的絕對速度不同，從而導致齒輪副之間存在相對運動[5]。齒輪嚙合面之間的接觸力、相對運動以及摩擦，這3個要素導致齒輪副之間產生了摩擦生熱。摩擦熱一方面被齒輪本體吸收轉化為內能，另一方面被潤滑油吸收帶走[6]。經過一段時間后，齒輪產生的摩擦熱和潤滑油吸收帶走的熱量達到平衡后，齒輪表面的溫度還會隨著齒輪的嚙合不斷變化，但是齒輪本體的溫度已經達到平衡[7]，可以認為在一定周期內，齒輪本體的溫度是恒定不變的。通過前期的研究得出，4號齒輪是齒輪系統中發生故障最高的，也是溫度場中溫度最高的齒輪。因此，本文以4號齒輪作為研究對象。

2 齒輪溫度場仿真模型建立

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

通過COMSOL建立了齒輪溫度場模型，選擇固體傳熱模塊，采用自由剖分四面體網格對齒輪模型進行網格劃分。求解器設置是有限元分析中最關鍵的步驟之一，COMSOL軟件提供了直接式、迭代式等多種求解器方式，對于齒輪溫度場的求解，是一個穩態問題，因此選擇Newton迭代方法進行迭代求解。

3 齒輪本體溫度特性分析

3.1 潤滑油溫度對齒輪溫度場影響

在額定工況條件下，當N460潤滑油的輸入油溫分別為96℃和80℃時，通過COMSOL計算分析，得到了截割傳動部4號齒輪的溫度場分布，如圖2所示。

圖2 不同潤滑油溫度下齒輪本體溫度場分布

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

對比兩種潤滑油溫度下的齒輪溫度場，當潤滑油溫度為96℃時，齒輪的溫度范圍為98.2～119℃，當潤滑油溫度為80℃時，齒輪的溫度范圍下降到了82.6～103℃，齒輪的下降的溫度與潤滑油下降的溫度接近，說明潤滑油溫度是決定齒輪溫度的關鍵因素。

3.2 電機扭矩對齒輪溫度場的影響

為了研究齒輪負載發生變化時，齒輪本體溫度場的變化規律，設置不同的電機扭矩，當N460潤滑油的輸入油溫為96℃時，通過COMSOL計算分析，得到了截割傳動部4號齒輪的溫度場分布，如圖3所示。

圖3 不同電機扭矩下齒輪本體溫度場分布

從圖中可以看出，當電機轉矩為1.1倍電機額定轉矩時，齒輪的溫度范圍為98.5～121℃，當電機轉矩為0.9倍電機額定轉矩時，齒輪的溫度范圍為98～117℃，說明隨著電機轉矩的降低，即負載的降低，齒輪本體的溫度也略微有所下降，負載是影響齒輪溫度的因素之一。

3.3 電機轉速對齒輪溫度場的影響

齒輪轉速會影響齒輪副嚙合面之間的相對滑動速度，從而對齒輪的溫度場產生影響。為了研究齒輪轉速發生變化時，齒輪本體溫度場的變化規律，設置不同的電機轉速，通過COMSOL計算分析，得到了截割傳動部4號齒輪的溫度場分布，如圖4所示。

圖4 不同電機轉速下齒輪本體溫度場分布

從圖中可以看出，當電機轉速為1 000 r/min時，齒輪的溫度范圍為98.5～117℃，當電機轉速為1 500 r/min時，齒輪的溫度范圍為98.2～119℃，說明隨著電機轉速的增加，齒輪本體的溫度變化不大，電機轉速對齒輪溫度的影響較少。

4 降低齒輪工作溫度措施

傳動系統中，齒輪的工作溫度越高，齒輪越容易發生磨損、點蝕等問題，因此控制齒輪系統的溫度，對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）適當降低潤滑油溫度，潤滑油溫度是決定齒輪溫度的關鍵因素，當潤滑油溫度越低，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，系統的功耗損失越小，齒輪工作產生的熱量也越小，溫度越低；

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

5 結束語

分析了齒輪溫度升高熱量的來源，基于COMSOL軟件，建立了齒輪溫度場分析模型，分析了潤滑油溫度、電機扭矩、電機轉速對齒輪溫度場的影響規律，結果表明，隨著潤滑油溫度、電機扭矩、電機轉速的增加，齒輪本體溫度都有不同程度的升高，尤其是潤滑油溫度是齒輪本體溫度升高的關鍵因素，提出了降低齒輪工作溫度的措施，該研究對于改善齒輪的工作環境，提高采煤機截割傳動部的可靠性和壽命具有重要意義。