采煤机截割传动部齿轮温度影响因素分析

李洋子

（晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司，山西晋城 048000）

0 引言

采煤机是煤炭开采的关键装备，截割齿轮传动系统功率消耗大，故障频繁，严重影响了煤矿的正常开采[1]。消耗的功率全部转化为热量，导致系统温度大大升高，从而影响了齿轮系统的使用寿命[2]。针对采煤机截割齿轮传动系统，分析了齿轮温度升高热量的来源，基于COMSOL软件，建立了齿轮温度场分析模型，分析了润滑油温度、电机扭矩、电机转速对齿轮温度场的影响规律，结果表明，随着润滑油温度、电机扭矩、电机转速的增加，齿轮本体温度都有不同程度的升高，尤其是润滑油温度是齿轮本体温度升高的关键因素，提出了降低齿轮工作温度的措施，该研究对于改善齿轮的工作环境，提高采煤机截割传动部的可靠性和寿命具有重要意义。

1 采煤机截割传动部齿轮生热原理

采煤机截割传动部主要由截割电机、齿轮系统、截割滚筒等组成，其中齿轮系统包括长链齿轮和行星齿轮[3]，如图1所示。齿轮系统传动路径较长，级数较多，消耗的功率也较大，有数据表明，整机功率的80%都被传动系统所消耗[4]。而这些消耗的功率全部转化为热量，被润滑油和齿轮等吸收，导致系统温度升高，严重影响齿轮和轴承的使用寿命。

图1 采煤机截割部结构示意图

齿轮副在啮合传动过程中，由于主动和被动齿轮的尺寸和旋转速度存在差异，同时在运动方向上，主动和被动齿轮的分解速度不一样，在啮合切线方向上，齿轮的绝对速度不同，从而导致齿轮副之间存在相对运动[5]。齿轮啮合面之间的接触力、相对运动以及摩擦，这3个要素导致齿轮副之间产生了摩擦生热。摩擦热一方面被齿轮本体吸收转化为内能，另一方面被润滑油吸收带走[6]。经过一段时间后，齿轮产生的摩擦热和润滑油吸收带走的热量达到平衡后，齿轮表面的温度还会随着齿轮的啮合不断变化，但是齿轮本体的温度已经达到平衡[7]，可以认为在一定周期内，齿轮本体的温度是恒定不变的。通过前期的研究得出，4号齿轮是齿轮系统中发生故障最高的，也是温度场中温度最高的齿轮。因此，本文以4号齿轮作为研究对象。

2 齿轮温度场仿真模型建立

多物理耦合软件COMSOL可以对多种物理场问题进行分析，其中传热模块可以解决热传导、热辐射、热对流以及三者任意组合的问题[8]。利用COMSOL进行温度场分析时，与其他有限元仿真软件一样，需要进行有限元模型建立、参数和材料属性设置、网格划分、边界条件设置、求解器设置和后处理等流程。

通过COMSOL建立了齿轮温度场模型，选择固体传热模块，采用自由剖分四面体网格对齿轮模型进行网格划分。求解器设置是有限元分析中最关键的步骤之一，COMSOL软件提供了直接式、迭代式等多种求解器方式，对于齿轮温度场的求解，是一个稳态问题，因此选择Newton迭代方法进行迭代求解。

3 齿轮本体温度特性分析

3.1 润滑油温度对齿轮温度场影响

在额定工况条件下，当N460润滑油的输入油温分别为96℃和80℃时，通过COMSOL计算分析，得到了截割传动部4号齿轮的温度场分布，如图2所示。

图2 不同润滑油温度下齿轮本体温度场分布

从图中可以看出，不同润滑油的输入油温下，齿轮的温度场分布极为相似，在齿轮的两个端面温度都相对较低，而在轮齿齿高方向的中部即靠近节圆附近温度相对较高，并且靠近齿根处的温度比靠近齿顶处的温度高。同时，轮齿非工作面的温度也相对端面温度较高，但比工作齿面的温度低。这是由于工作齿面的温度升高后，通过热传导的方式将热量传递给相邻的非工作齿面，附近的润滑油温度也随之升高，也会给相邻的非工作齿面带来热量，因此非工作齿面的温度也相对较高。

对比两种润滑油温度下的齿轮温度场，当润滑油温度为96℃时，齿轮的温度范围为98.2～119℃，当润滑油温度为80℃时，齿轮的温度范围下降到了82.6～103℃，齿轮的下降的温度与润滑油下降的温度接近，说明润滑油温度是决定齿轮温度的关键因素。

3.2 电机扭矩对齿轮温度场的影响

为了研究齿轮负载发生变化时，齿轮本体温度场的变化规律，设置不同的电机扭矩，当N460润滑油的输入油温为96℃时，通过COMSOL计算分析，得到了截割传动部4号齿轮的温度场分布，如图3所示。

图3 不同电机扭矩下齿轮本体温度场分布

从图中可以看出，当电机转矩为1.1倍电机额定转矩时，齿轮的温度范围为98.5～121℃，当电机转矩为0.9倍电机额定转矩时，齿轮的温度范围为98～117℃，说明随着电机转矩的降低，即负载的降低，齿轮本体的温度也略微有所下降，负载是影响齿轮温度的因素之一。

3.3 电机转速对齿轮温度场的影响

齿轮转速会影响齿轮副啮合面之间的相对滑动速度，从而对齿轮的温度场产生影响。为了研究齿轮转速发生变化时，齿轮本体温度场的变化规律，设置不同的电机转速，通过COMSOL计算分析，得到了截割传动部4号齿轮的温度场分布，如图4所示。

图4 不同电机转速下齿轮本体温度场分布

从图中可以看出，当电机转速为1 000 r/min时，齿轮的温度范围为98.5～117℃，当电机转速为1 500 r/min时，齿轮的温度范围为98.2～119℃，说明随着电机转速的增加，齿轮本体的温度变化不大，电机转速对齿轮温度的影响较少。

4 降低齿轮工作温度措施

传动系统中，齿轮的工作温度越高，齿轮越容易发生磨损、点蚀等问题，因此控制齿轮系统的温度，对于提高齿轮的可靠性和寿命具有重要意义。为了降低齿轮的工作温度，可以采取以下措施：

（1）适当降低润滑油温度，润滑油温度是决定齿轮温度的关键因素，当润滑油温度越低，带走的热量也越多，齿轮的工作温度也越低；

（2）在保证轴承寿命的前提下，尽量增大齿轮的螺旋角，螺旋角越大，系统的功耗损失越小，齿轮工作产生的热量也越小，温度越低；

（3）增加外部散热装置或者系统，提高传动系统的散热性能，达到降低润滑油和齿轮工作温度的目的。

5 结束语

分析了齿轮温度升高热量的来源，基于COMSOL软件，建立了齿轮温度场分析模型，分析了润滑油温度、电机扭矩、电机转速对齿轮温度场的影响规律，结果表明，随着润滑油温度、电机扭矩、电机转速的增加，齿轮本体温度都有不同程度的升高，尤其是润滑油温度是齿轮本体温度升高的关键因素，提出了降低齿轮工作温度的措施，该研究对于改善齿轮的工作环境，提高采煤机截割传动部的可靠性和寿命具有重要意义。