礦用車輛抬高箱熱平衡分析

徐 犇，鄭 勇，孫進(jìn)偉

(1.遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司，遼寧 沈陽 110122；2.遼寧煤機(jī)裝備制造(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110122)

0 引言

礦用車輛工作環(huán)境惡劣且長時(shí)間處于高負(fù)載工況，研究人員進(jìn)行傳動系統(tǒng)匹配工作時(shí)，容易忽略與元部件的可靠性。抬高箱的承載能力受機(jī)械強(qiáng)度和熱平衡許用功率兩方面的限制，選用抬高箱時(shí)必須通過這兩項(xiàng)功率的核算。由于煤礦井下巷道空間有限，使得礦用車輛在設(shè)計(jì)上對外形尺寸要求非常嚴(yán)格，因此減速器大都不配備輔助冷卻裝置，通常礦用車輛的抬高箱采用立式安裝，浸油潤滑的方式，為保證車輛在井下惡劣的環(huán)境中不受熱損傷，而且可以長時(shí)間連續(xù)正常工作，對其進(jìn)行熱平衡分析研究具有非常意義[1-2]。

1 抬高箱熱功率評估理論

1.1 熱平衡計(jì)算

在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量Ps等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量Pe的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi)[3-5]。

傳動工作中摩擦損耗的功率

Ps=P1(1-η)

(1)

此損耗功率變?yōu)闊崃亢螅箓鲃友b置溫度升高；傳動因溫差而需要散熱。

式中，P1為抬高箱需要輸入功率，kW；η為抬高箱傳動效率，η=0.978[2]。

產(chǎn)生的熱流量Ps=P1(1-η)。

自然冷卻時(shí)，箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中的熱流量

Pe=kA(t1-t2)

(2)

式中：k為箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，k=8.15～17.45,W/(m2·℃)；A為傳動裝置散熱面積A=A1+0.5A2；A1為內(nèi)表面能被潤滑油所飛濺到的面積，而為表面時(shí)又可為周圍空氣所冷卻的箱體表面面積,m2；A2為表面的補(bǔ)強(qiáng)肋和凸座的表面以及裝在金屬底座或機(jī)械框架上的箱殼底面積,m2；t1為油的工作溫度，℃；t2為周圍空氣溫度，20 ℃。

熱平衡條件Pe=Ps

求得既定工作條件下的油溫

(3)

既定條件下，保持正常工作溫度所需要的散熱面積

(4)

1.2 熱功率計(jì)算

抬高箱的熱功率大小，實(shí)際上是根據(jù)熱平衡溫升試驗(yàn)和效率試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得來。

抬高箱的散熱系數(shù)

抬高箱的熱功率

(5)

2 抬高箱熱平衡數(shù)值模擬

對抬高箱進(jìn)行幾何建模，主要分為幾部分，其中抬高箱箱體是靜止的，軸承和箱體相對旋轉(zhuǎn)有發(fā)熱，齒輪對為運(yùn)動部分，齒輪嚙合產(chǎn)生主要熱量，忽略密封件、軸承等發(fā)熱。

圖1 抬高箱平面Fig.1 Plane graph of heightening gearbox

由于該抬高箱結(jié)構(gòu)相對規(guī)則，可進(jìn)行簡化處理，忽略緊固件、油孔、油道等結(jié)構(gòu)，不考慮齒輪嚙合，將模型分為箱體、齒輪油、齒輪對3大部分，簡化為面單元，采用Plate 55單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，然后定義材料屬性及邊界條件，具體數(shù)值見表1。

表1 抬高箱材料屬性Table 1 Material properties of heightening gearbox

圖2 抬高箱簡化模擬Fig.2 Simplified model of heightening gearbox

齒輪對嚙合使得油池內(nèi)潤滑油發(fā)生粘性剪切，從而摩擦發(fā)熱，通過研究該箱的生熱機(jī)理，采用CFD數(shù)值模擬，同時(shí)該抬高箱完全封閉，不存在流量泄漏，大大降低了分析難度。如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為(以矩陣形式表示)

[K]{T}={Q}

(6)

式中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

圖3為抬高箱數(shù)值模擬溫度分布，箱體外壁最高溫度為79 ℃，潤滑油最高溫度為101 ℃，附著在齒輪對上，可以看出主要發(fā)熱源是齒輪對嚙合。

圖3 抬高箱數(shù)值模擬溫度分布Fig.3 Temperature distribution of heightening gearbox based on numerical simulation

3 抬高箱熱平衡試驗(yàn)

抬高箱熱平衡試驗(yàn)方案如圖4所示，主要由驅(qū)動單元、加載單元、控制單元、齒輪傳動安裝/固定工裝以及輔助部分組成。該方案采取“背對背”布置形式，同時(shí)選用了電能回饋節(jié)能技術(shù)，即動力和負(fù)載均采用電機(jī)，能量在直流母線之間循環(huán)，負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生的電能通過變頻器直接反饋到驅(qū)動電機(jī)。具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 試驗(yàn)方案及測點(diǎn)布置Fig.4 Test scheme and measuring point layout

試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器等多種傳感器采集。測功機(jī)通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采集陪試抬高箱與被試抬高箱輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，得到抬高箱的傳動效率，從而驗(yàn)證抬高箱的熱功率損失。溫度傳感器安裝位置分別在陪試抬高箱與被試抬高箱輸入軸和輸出軸軸承處，以及連接盤及電機(jī)法蘭連接處。在抬高箱運(yùn)行過程中，通過MDR測試儀對各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。試驗(yàn)系統(tǒng)電機(jī)輸入?yún)?shù)設(shè)置見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Test parameter setting

通過溫度傳感器連續(xù)采集各個(gè)被測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，得出試驗(yàn)系統(tǒng)各測試點(diǎn)的溫升變化。被試箱與陪試箱在最大扭矩條件下溫升變化曲線如圖5所示，二者的溫度增長趨勢基本吻合，且相差不大。試驗(yàn)系統(tǒng)中被試箱與陪試箱的溫度值隨著時(shí)間的增長，快速上升到一定溫度后，隨著時(shí)間變化緩慢增長，溫升曲線沒有劇烈突變，抬高箱油升變化較為合理。

圖5 最大扭矩條件下試驗(yàn)溫度變化Fig.5 Test temperature change under maximum torque condition

如圖5所示，主試機(jī)與陪試機(jī)在不同工況下的溫升變化，穩(wěn)定溫度相差不大，增長趨勢大致相同。不同工況下，抬高箱的穩(wěn)定溫度不同。如圖6所示，空載下測試點(diǎn)的穩(wěn)定溫度最小為76 ℃，加載到100%時(shí)測試點(diǎn)的穩(wěn)定溫度最大為120 ℃。這是因?yàn)榧虞d到100%時(shí)，輸入軸轉(zhuǎn)速高，在潤滑油粘度和高轉(zhuǎn)速的共同作用下，通過飛濺的損失大，生成的熱量增大，溫升比較快，穩(wěn)定溫度高，與理論分析一致。

圖6 不同工況下抬高箱外壁溫度Fig.6 Temperature of outer wall of heightening gearbox under different working conditions

通過數(shù)值模擬理論結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對比，穩(wěn)定溫度基本相同，且增長趨勢趨于一致，說明該數(shù)值方法可以合理反映抬高箱的溫升過程。

4 結(jié)論

(1)通過熱平衡計(jì)算得出抬高箱所需散熱面積，對其模型簡化后，采用數(shù)值方法對其溫度分布進(jìn)行分析，揭示了抬高箱熱生成和熱平衡規(guī)律。

(2)設(shè)計(jì)合理的熱平衡試驗(yàn)方案，通過對抬高箱箱體布置溫度傳感器，得出其真實(shí)溫度分布，試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比分析表明，該車輛的熱平衡數(shù)值模擬方法可近似合理地反映抬高箱實(shí)際熱平衡狀態(tài)。

(3)建立的數(shù)值模擬模型采用了簡化結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生一定的偏差，在進(jìn)一步研究中需要將模型細(xì)化，提高模擬計(jì)算精度；在熱平衡計(jì)算中采用經(jīng)驗(yàn)公式，沒有考慮到復(fù)雜工況以及不同負(fù)載情況下的熱平衡問題，需進(jìn)一步深入研究。