泰興減速機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2020年2月12日訊 針對(duì)減速機(jī)的潤滑特性優(yōu)良、溫升較低等需求，以某減速機(jī)為研究對(duì)象，建立簡化減速機(jī)三維模型，導(dǎo)入有限元仿真軟件中建立減速機(jī)熱固耦合溫度場仿真模型，對(duì)減速機(jī)潤滑油流速、齒輪溫度等特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：減速機(jī)潤滑油流速較小，流體分布比較均勻，潤滑較好；減速機(jī)齒輪溫度呈現(xiàn)沿著齒頂向中心圓內(nèi)側(cè)階梯式減小的趨勢；隨著仿真時(shí)間的增加，減速機(jī)小齒輪齒頂最高溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。該研究為減速機(jī)潤滑特性改善、溫升控制等方面提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 減速機(jī)；熱固耦合； 溫度場； 有限元仿真

0   引言

減速機(jī)作為機(jī)械設(shè)備中重要的減速增扭裝置，為運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞提供了重要基礎(chǔ)。有限元作為現(xiàn)代機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、優(yōu)化和校核等重要分析手段，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。減速機(jī)溫度對(duì)減速機(jī)潤滑和疲勞壽命等方面影響較大，因此對(duì)減速機(jī)溫度進(jìn)行研究尤為必要。

為了對(duì)減速機(jī)整體溫度場進(jìn)行更加深入的了解和分析，以某減速機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)減速機(jī)整體及內(nèi)部傳動(dòng)齒輪熱固耦合的溫度場進(jìn)行模擬仿真，為獲得潤滑特性優(yōu)良、溫升小的減速機(jī)提供參考。

1   減速機(jī)三維建模

減速機(jī)一般由減速機(jī)箱體、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、支撐軸承及軸承端蓋等主要零部件組成。減速機(jī)流體溫度場主要與減速機(jī)箱體與內(nèi)部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)，因此對(duì)減速機(jī)進(jìn)行簡化，對(duì)減速機(jī)流體溫度場影響較大的減速機(jī)箱體和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)予以保留，其余影響很小的復(fù)雜零部件進(jìn)行省略簡化處理。

簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場三維模型如圖 1 所示。

圖 1  簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場三維模型

 1.減速機(jī)下箱體 2.減速機(jī)上箱體 3. 輸出大齒輪 4. 流體流動(dòng)溫度變化區(qū)域 5.輸入小齒輪

由圖 1 可知，在簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場

三維模型中，減速機(jī)主要由減速機(jī)箱體（減速機(jī)上箱體、減速機(jī)下箱體），減速機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)（輸出大齒輪、輸入小齒輪）及減速機(jī)箱體和減速機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組成的流體流動(dòng)溫度變化區(qū)域組成。簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場三維模型主要關(guān)鍵參數(shù)如表 1 所示。

表1  簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場三維模型主要關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)簡化的減速機(jī)三維模型，選取輸入大齒輪、輸出小齒輪材料為 20Cr 鋼，減速機(jī)上、下箱體材料為灰鑄鐵 HT200，潤滑油為 SHC600 齒輪潤滑油。簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場仿真主要材料特性如表2 所示。

表 2  簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場仿真主要材料特性

2   減速機(jī)熱固耦合仿真有限元建模

將簡化的減速機(jī)熱固耦合溫度場三維模型保存為可被有限元仿真軟件識(shí)別的中間格式，對(duì)減速機(jī)中的減速機(jī)箱體和齒輪傳動(dòng)等零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分和流體網(wǎng)格劃分，再通過對(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格共享的方式獲得減速機(jī)熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型如圖 2 所示。

圖 2   減速機(jī)熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型

1. 減速機(jī)箱體 2. 輸入小齒輪 3. 輸出大齒輪

由圖 2 可知，在減速機(jī)熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型中，有 30 846 個(gè)單元，174 658 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格平均質(zhì)量為 0.285，網(wǎng)格最大偏斜為 0.801 26。在減速機(jī)熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型中，對(duì)減速機(jī)輸入小齒輪處施加轉(zhuǎn)速 1500 r/min，在輸出大齒輪端施加阻力矩2 000 Nm。 通過對(duì)由減速機(jī)箱體、減速機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)等組成的結(jié)構(gòu)固態(tài)和流體場流體耦合的熱固耦合系統(tǒng)的溫度進(jìn)行研究分析，獲得減速機(jī)熱固耦合溫度場特性，為減速機(jī)溫升控制及潤滑特性改善，提供重要的參考。

3   仿真結(jié)果與分析

根據(jù)減速機(jī)熱固耦合有限元仿真模型，加載減速機(jī)某一實(shí)際運(yùn)行工況條件，仿真計(jì)算得到減速機(jī)潤滑油流動(dòng)速度分布如圖 3 所示。

圖 3   減速機(jī)潤滑油流動(dòng)速度分布

1. 減速機(jī)箱體  2. 輸入小齒輪  3. 輸出大齒輪

由圖 3 可知，減速機(jī)在轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，力矩2 000 Nm 的運(yùn)行工況下工作時(shí)，減速機(jī)箱體內(nèi)部的潤滑油流速主要分布在大、小齒輪圓周，潤滑油整體流動(dòng)速度較為平穩(wěn)，但是還是存在紊流的現(xiàn)象，最大流動(dòng)速度為 0.872 8 m/s。

為了了解減速機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在熱固耦合條件下的溫度場分布情況，由于大小齒輪溫度分布場變化基本一致，因此以小齒輪溫度場分布為例，仿真計(jì)算得到減速機(jī)小齒輪在仿真時(shí)間為 0.3 s 時(shí)的溫度分布如圖 4 所示。

 圖4  減速機(jī)小齒輪在仿真時(shí)間為 0.3 s 時(shí)的溫度分布

由圖 4 可知，減速機(jī)小齒輪在轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，力矩 2 000 Nm 的工況下仿真 0.3 s 時(shí)，小齒輪最高溫度主要分布在齒頂部分，沿齒頂向中心圓內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)階梯式減小的趨勢，最大溫度為 60.85 ℃，最小溫度為 24.85 ℃。

仿真計(jì)算得到在不同仿真時(shí)間下，減速機(jī)小齒輪齒頂最高溫度分布如圖 5 所示。

由圖 5 可知，隨著仿真時(shí)間的增加，減速機(jī)小齒輪齒頂最高溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，齒頂最高溫度小于 80 ℃，滿足減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)整體溫升的要求。減速機(jī)齒輪在實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)載是逐漸增加的，且開始階段減速機(jī)潤滑油處于常溫狀態(tài)，油液在實(shí)際作用下不斷產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致溫度不斷上升，呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

圖 5   在不同仿真時(shí)間下，減速機(jī)小齒輪齒頂最高溫度分布

綜上減速機(jī)熱固耦合溫度場有限元仿真分析可知，減速機(jī)潤滑油整體比較均勻地分布在齒輪嚙合部位、兩齒輪圓周區(qū)域內(nèi)，部分地方存在紊流的情況；減速機(jī)齒輪溫度在仿真時(shí)間不變時(shí)沿著齒頂向中心圓內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)階梯式減??；隨著仿真時(shí)間的增加，減速機(jī)齒輪齒頂最高溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，減速機(jī)齒頂最高溫度小于 80 ℃，滿足減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)整體溫升的要求。

4   結(jié)語

減速機(jī)作為機(jī)械設(shè)備中重要的減速增扭設(shè)備，在各行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。減速機(jī)潤滑特性和溫升是減速機(jī)重要關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)系到減速機(jī)潤滑好壞及使用壽命。有限元仿真作為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、流體、振動(dòng)、噪聲、溫度、動(dòng)力學(xué)等眾多特性分析的方法之一，具有成本低、精度高、趨勢與實(shí)際貼合度高等優(yōu)良特點(diǎn)，是各行業(yè)產(chǎn)品仿真分析的必備工具。為了獲得傳動(dòng)、疲勞、溫升性能優(yōu)良的減速機(jī)，以某型減速機(jī)為研究對(duì)象，建立減速機(jī)熱固耦合溫度場仿真分析的有限元模型，研究了減速機(jī)流體場、溫度場等特性，為減速機(jī)疲勞壽命提升、溫度控制提供參考。

作者

鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院

劉樹杰