泰興減速機專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強減速機2020年2月12日訊 針對減速機的潤滑特性優(yōu)良、溫升較低等需求，以某減速機為研究對象，建立簡化減速機三維模型，導(dǎo)入有限元仿真軟件中建立減速機熱固耦合溫度場仿真模型，對減速機潤滑油流速、齒輪溫度等特性進行仿真分析。仿真結(jié)果表明：減速機潤滑油流速較小，流體分布比較均勻，潤滑較好；減速機齒輪溫度呈現(xiàn)沿著齒頂向中心圓內(nèi)側(cè)階梯式減小的趨勢；隨著仿真時間的增加，減速機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；熱固耦合； 溫度場； 有限元仿真

0   引言

減速機作為機械設(shè)備中重要的減速增扭裝置，為運動和動力的傳遞提供了重要基礎(chǔ)。有限元作為現(xiàn)代機械零部件設(shè)計、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。減速機溫度對減速機潤滑和疲勞壽命等方面影響較大，因此對減速機溫度進行研究尤為必要。

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

1   減速機三維建模

減速機一般由減速機箱體、齒輪傳動系統(tǒng)、傳動軸、支撐軸承及軸承端蓋等主要零部件組成。減速機流體溫度場主要與減速機箱體與內(nèi)部齒輪傳動系統(tǒng)有關(guān)，因此對減速機進行簡化，對減速機流體溫度場影響較大的減速機箱體和齒輪傳動系統(tǒng)予以保留，其余影響很小的復(fù)雜零部件進行省略簡化處理。

簡化的減速機熱固耦合溫度場三維模型如圖 1 所示。

圖 1  簡化的減速機熱固耦合溫度場三維模型

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

由圖 1 可知，在簡化的減速機熱固耦合溫度場

三維模型中，減速機主要由減速機箱體（減速機上箱體、減速機下箱體），減速機齒輪傳動系統(tǒng)（輸出大齒輪、輸入小齒輪）及減速機箱體和減速機齒輪傳動系統(tǒng)組成的流體流動溫度變化區(qū)域組成。簡化的減速機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)簡化的減速機三維模型，選取輸入大齒輪、輸出小齒輪材料為 20Cr 鋼，減速機上、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  簡化的減速機熱固耦合溫度場仿真主要材料特性

2   減速機熱固耦合仿真有限元建模

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

圖 2   減速機熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型

1. 減速機箱體 2. 輸入小齒輪 3. 輸出大齒輪

由圖 2 可知，在減速機熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型中，有 30 846 個單元，174 658 個節(jié)點，網(wǎng)格平均質(zhì)量為 0.285，網(wǎng)格最大偏斜為 0.801 26。在減速機熱固耦合仿真有限元網(wǎng)格模型中，對減速機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。 通過對由減速機箱體、減速機齒輪傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流體流動等組成的結(jié)構(gòu)固態(tài)和流體場流體耦合的熱固耦合系統(tǒng)的溫度進行研究分析，獲得減速機熱固耦合溫度場特性，為減速機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)減速機熱固耦合有限元仿真模型，加載減速機某一實際運行工況條件，仿真計算得到減速機潤滑油流動速度分布如圖 3 所示。

圖 3   減速機潤滑油流動速度分布

1. 減速機箱體  2. 輸入小齒輪  3. 輸出大齒輪

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

為了了解減速機齒輪傳動系統(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，仿真計算得到減速機小齒輪在仿真時間為 0.3 s 時的溫度分布如圖 4 所示。

 圖4  減速機小齒輪在仿真時間為 0.3 s 時的溫度分布

由圖 4 可知，減速機小齒輪在轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，力矩 2 000 Nm 的工況下仿真 0.3 s 時，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 ℃。

仿真計算得到在不同仿真時間下，減速機小齒輪齒頂最高溫度分布如圖 5 所示。

由圖 5 可知，隨著仿真時間的增加，減速機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 ℃，滿足減速機傳動系統(tǒng)整體溫升的要求。減速機齒輪在實際運行過程中，負載是逐漸增加的，且開始階段減速機潤滑油處于常溫狀態(tài)，油液在實際作用下不斷產(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   在不同仿真時間下，減速機小齒輪齒頂最高溫度分布

綜上減速機熱固耦合溫度場有限元仿真分析可知，減速機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；減速機齒輪溫度在仿真時間不變時沿著齒頂向中心圓內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)階梯式減?。浑S著仿真時間的增加，減速機齒輪齒頂最高溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，減速機齒頂最高溫度小于 80 ℃，滿足減速機傳動系統(tǒng)整體溫升的要求。

4   結(jié)語

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