电牵引采煤机摆动式齿轮传动箱热平衡研究.pdf

第 3 0卷第 1 O期 2 0 0 9年 l O月 煤 矿 机 械 Co a l Mi n e Ma c h i ne r y Vo 1 ． 3 O No ． 1 0 Oc t ． 2 o 9 电牵引采煤机摆动式齿轮传动箱热平衡研究 徐 卫鹏 ，汪 崇 建 ，周 常 飞 。 ，徐冰 1 ． 煤炭科学研 究总院 上海分院 ， 上海 2 0 0 0 3 0 ； 2 ． 日照职业技术学院 ， 山东 日照 2 7 6 8 2 6 摘 要 针对 电牵引采煤机 ， 分析 了摆动式齿轮传动箱的发热 、 散 热机理 ， 并以 MG 6 5 0 ／ 1 6 2 0 系列采煤 机 为 实例 计 算各 热 源的发 热量 和各 种 形式 的散 热量 。通 过对 热 平衡 方程 进行 迭代 计算 ， 得 到 了传动箱 温度 与时 间的 关 系曲线。 关键 词 齿轮 传动 箱 ； 热 平衡 ； 迭代 法 中图分类号T D 4 2 1 ． 6 文献标志码 A 文章编号1 0 0 30 7 9 4 2 0 0 9 1 00 0 3 60 4 Re s e a r c h f o r Th e r ma l Ba l a n c e o n S wi n g Ty p e Ge a r Tr a n s mi s s i o n Bo x o f El e c t r i c a l Ha ul a g e S he a r e r XU We i - p e n g ， WAN G C h o n g - j i a n ， Z H OU C h a n g - i ， XU B i n g f 1 ． S h a n g h a i B r a n c h 。 C h i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0， C h i n a ； 2 ． Ri z h a o P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， Ri z h a o 2 7 6 8 2 6， Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e e l e c t r i c a l h a u l a g e s h e a r e r ，a n a l y z e t h e h e a t i n g ，t h e h e a t r a d i a t i o n me c h a n i s m a n d t a k e t h e MG6 5 0 ／ 1 6 2 0 s e r i e s s h e a r e r a s a n e x a mp l e ，c a l c ul a t e s c a l o r i fic c a p a c i t y o f v a r i o us he a t s o u r e e s a n d c a pa c i t y o f e a c h f o r m h e a t d i s s i p a t i ng ．Ca r r y o n t h e i t e r a t i v e c o mp u t a t i o n t o t he t h e r ma l e q u i l i b r i u m e q u a t i o n，o b t a i n t h e r e l a t i o n a l c u r v e o f g e a r b o x t e mp e r a t u r e wi t h t h e t i me ． Ke y wo r ds g e a r wh e e l b o x； t h e r ma l b a l a n c e ；i t e r a t i o n me t h o d 1 采煤机摆 动式 齿轮传 动箱 发热分 析计 算 中的功 率损 失全 部 转换 为热 能 ， 传 动效 率 与输 入 功 1 齿轮啮合摩擦发热分析 率是决定其发热量 的关键冈素。工程计算 中， 传动 实验表 明， 一般在稳定工况下 ， 齿轮传动过程 过程 中的功率损失一般通过齿轮啮合效率来计算 。 施 工前 探 孔 。通过 打 钻 ， 探清 进 回风 窝 头正 前 煤层 3 二 运接 触器 线圈烧 1 次 。 产 状 变化 情 况 ， 分 析 窝 头前 方为 一 挤压 性褶 曲构 造 6 实验 结 果 挠 曲 ， 挠 曲形成 的 台阶高度 回风侧达 2 4 m， 进风侧 在 使 用 E B Z - 1 6 0型掘 进 机 后 不 仅 改善 了作 业 为 l 7 m， 挠 曲两侧 煤层 倾角 在 1 3 ～ 1 4 。 ，挠 曲处倾 角 人 员 的 劳 动 条件 ， 减 轻 了工 人 的 劳 动 强 度 ， 而 且 便 最大可达 6 8 。 ， 平均在 5 5 。 。 于巷道支护 ， 提高成巷质量 ， 降低了材料的消耗。 结合 挠 曲前 方 4 0 0 ～ 4 5 0 m 处 的 7 0 2 “ 、 7 0 Y 地 质 据 统 计 ， 使 用 E B Z - 1 6 0型 掘 进 机 ， 单 机 平均 月 钻孔 资 料做 图 分析 ， 挠 曲 至切 眼之 间 煤层 平 均坡 度 进 1 8 3 ． 8 m， 单机 月 进最 高 2 3 8 m， 班 进 最高 8 m， 效 在 1 4 。 左右 ． 但从 已揭露部分煤层赋存情况看 ， 不排 率上机掘 比相同断面炮掘煤巷提高了 1 ． 4倍 。如果 除挠曲前方煤层上下波动褶曲的可能。经集团公司 使 用炮掘 ， 实际掘 进 巷道 1 6 5 4 m， 按火 药 1 5 ． 6 5 对施工中出现 的问题及下一步施 工方案进行 了研 k g ／ m、 雷 管 3 0发／ m消耗 ， 按火药 6元／ k g 、 雷管 1 ． 3 究， 决定两顺槽停止掘进 ， 开始施工切眼。运输顺槽 元／ 发计算 ， 可节约火T品 2 1 9 8 1 6 ． 6元。 切 眼施 工 9 5 m后 遇到 断 层 ， 巷道 冒落无 法 掘进 ， 只 由于 海石 湾 矿地 质 条件 较 为 复 杂 ， 顶板 比较破 好运输顺槽退后 1 0 5 m重新施工切眼和回风顺槽 碎 ， 支护繁琐且 占用时间较长 ， 并且掘进机安装使 切眼相齐。贯通后 ， 切眼大断面扩掘， 最终具备综采 用时间比较短 ， 司机操作 生疏等各种原 因 ， 掘进 机 支架安装条件。实际掘进巷道 1 6 5 4 m 运输顺槽钻 的开机率较低 ， 掘进效率得不到充分发挥 ， 若是在 场 1 4个 、 回风顺 槽钻 场 1 2个 。 配 置 上 实 现 掘锚 一 体 化 ，司机 的操 作 再 能 跟 上 一 运输顺槽实际最大坡度为 1 5 。 ，截割 f 7的泥 步 ， 那么效率将会大大提高。 此次实验的成功， E B Z 一 灰 岩 7 5 m 回风顺 槽 实际最 大坡度 为 1 6 O m 截割 f 7 1 6 0型 掘 进 机 在 海 石 湾 矿 煤 一 层 掘 进 中 应 大 力 推 的泥灰岩 9 3 m， 切 眼最大坡 度 为 1 0 。 ～ 5掘 进 机 掘 进 过 程 中 出 现 的 故 障 于 窑 霎 幸 辈 毒 1 右耙 爪马达 更换 1 次 ； 运输部部长 ．电子信箱 v h 6 6 6 2 0 0 3 v h ⋯ ． 2 电气 系统综 合转换 板损 坏 1 次 ； 收稿 日 期 2 0 0 9 0 5 0 6 3 6 第 3 0 卷第 1 0 期 电牵引采煤机摆动式齿轮传动箱热平衡研究徐卫鹏 ， 等 V o 1 ． 3 0 N o ． 1 0 所 以传 动过程 中齿 轮摩 擦 产生 的热 量 表 3 小圆柱直径 Q l 1 7 7 1 P l t 1 齿轮 。 ， 幻 式中叼 齿轮啮合传动效率 ； P l 输 入轴 输 入功 率 。 2 轴承摩擦发热分析 在采煤机摆 动式齿轮传动箱 中， 采用很多轴承 来支承载荷。 和齿轮啮合一样 ． 轴承在工作过程 中的 摩擦同样是传动箱温升的主要热源 。 当轴承在正常润滑状态下工作时 ， 产生的热量 Q 2 1 一 叼 2 P 2 t 2 式中 r 7 厂轴承效率 ； 一 传递功率。 现 以 天 地 科 技 股 份 有 限 公 司 生 产 的 MG 6 5 0 ／ 1 6 2 0系 列 电牵 引采 煤 机为 例进 行 齿 轮 、 轴承 摩 擦 的 发热分析计算 。MG 6 5 0 ／ 1 6 2 0系列采煤 机摆 动式齿 轮传动箱内选用直齿 圆柱齿轮 ， 轴承选用 圆柱滚子 轴承 。根据 T 程 实验 积 累数 据 ， 直齿 圆柱 齿 轮外 啮 合传 动效率为 0 ． 9 7 ，圆柱滚子轴 承的传动效率 为 0 ． 9 9 5 。选用齿轮具体参数见表 1 。 表 1齿 轮 参数 齿轮 1 z 2 旬 2 “4 Z 5 Z 6 Z 7 0 R Z 9 10 Z 1 1 Z I2 0 I3 1 4 齿数 2 5 4 1 4 2 2 7 3 7 3 7 3 7 4 0 l 9 2 9 7 7 2 l 2 7 7 5 模数8 9 1 O 传动 比 1 ． 6 8 1 ． 4 8 5 ．5 O 3 4 ． 5 7 l MG 6 5 0 ／ 1 6 2 0系 列 采 煤 机 选 用 Y B C S 一 7 5 0型 号 电机 ， 功率为 6 5 0 k W， 根据表 l中齿轮啮合传动 比 计算得传递功率见表 2 。 表 2齿轮 传 递 功 率 功 齿轮副 率 l z 2 r 旬 Z ,f “ Z 5 Z f “ Z 6 z 。 7 r 10 l z l _ z lr 。 I3 }r l4 6 2 4 ．3 2 5 9 9 ．6 6 5 7 5 ．9 7 5 5 3 ．2 2 5 3 1 ．3 7 5 1 0 ．3 8 4 9 0 ．2 2 4 7 0 ．8 5 4 5 2 2 5 4 3 4 ．3 9 丝垒 鱼 齿轮、 轴承机械传递功率损失产生的热量 1 4 Q 1 2 3 6 0 0 ∑ 1 7 7 7 ．7 4 7 x 1 0 s k J ／ h l 3 齿轮搅动油液产生热量分析 根据浸没在油液 中的圆柱体绕平行其 自身轴线 旋转时的摩擦功率损失计算原理 ， 将齿轮转动时搅 动 油 液 转 化 为 小 圆柱 搅 动 油 液 。首 先 做 出 齿 形 图 见图 1 ，从齿顶做齿根网的切线交相邻齿廓于一 点 ， 该点到该齿顶的距离就是小圆柱体直径 d ， 计算 测量 得小 圆柱 直径 见 表 3 。 图 1 齿轮齿形图 l O ． 2 9 ．9 9 ． 9 9 ． 9 9 ． 8 9 ． 7 8 ． 8 l 1 -4 1 l - 3 直径 d ／ mm 1 0 ． 5 9 ． 1 9 ． 1 考虑到摩擦阻力与形状阻力时，圆柱体在液体 中的运 动 阻力 0． 5 v 8 l d C p 3 式 中／3 圆柱 体 的运 动速 度 ， m ／ s f 运动物体与油液相接触的长度 ， i n P 油液 的密度 ， k g ／ m ； C 阻力 系数 ， 1 ． 2 。 选用 Y B C S 一 7 5 0型电机 ， 转速为 l 4 8 5 r ／ m i n 。 计 算结果如表 4 。 、 表 4传 动 箱 中各 齿 轮 转 速 齿轮 I z 2 幻 z 4 5 6 z 7 z 8 z 9 z l o z l 2 转 萼 ／ ． 1 4 8 5 9 0 5 8 8 4 8 8 4 6 4 5 6 4 5 6 4 5 5 9 7 5 9 7 4 3 2 1 1 8 r‘m ln ’ 传动箱中油液的密度为 8 5 9 k g ／ m ， 齿轮本身参 数及 式 3 计算 得 各齿 轮运 动 阻力见 表 5 。 表 5各 齿 轮 运 动 阻 力 加载试验时，根据以往经验给摆动式齿轮传动 箱加满油 ， 齿轮组全部浸泡在油液中， 这时各齿轮的 齿数就是其搅油模型小圆柱体 的个数 。所以克服阻 】 2 力T 所需功率P z ∑K 1 9 1 ．4 2 k W k 为齿轮的 i 1 齿数 。 显然 ， 摆动式齿轮传动箱注满油液时， 齿轮组 搅动油液消耗了 1 9 1 ． 4 2 k W 的截割 电机功率 ，产生 大量的热。 根据飞溅原理和使用经验 ， 注入 1 ／ 4油箱 的油量就能满足正常工作需求 ．从 而消耗的功率为 ／ 4 4 7 ． 8 5 5 k W ， 产 生 的热量 p3 3 6 0 0 4 7 ． 8 5 5 1 ． 7 2 1 0 k J ／ h 4 油封 功 率损 失分 析 接触式油封功率损失是轴速 、轴尺寸 、油箱温 度 、 油黏度 、 油封浸入油中的深度及油封设计等的函 数。油封功率损失 卫 4 9 5 49 ’ 式 中 一油封转 矩 ， N m； n 轴 速 ， r ／ m i n 。 图 2可以用于计算油封的摩擦转矩 ， 该转矩是 一 般使用的油封轴径 的函数。 一 3 7～ 苗 m m 删 伽 撕 懈他 一 5 8 9 他 m 舵 哪 幻 一 嘶渤 唧锄 蹴 一 厶 V o 1 ． 3 0 N o ． 1 0 电牵引采煤机摆动式齿轮传动箱热平衡研究 徐卫鹏 ， 等 第 3 0 卷第 1 O 期 轴直径 d Jmm 图 2摩擦转矩和轴颈关 系图 ． 1 ． 氟橡胶 2 ． 腈纶橡胶 根据各轴颈参数计算得 Q 4 3 6 0 O P t 9 5 4 k J ／ h 2采煤机摆 动式齿 轮传 动箱 散热分 析 由传热学理论知识可知， 传动箱散热过程中， 主 要散热形式为传导和对流。傅立叶基本定律是分析 传导散热的理论基础． 传导散热 l q f l - t 2 0 式 中t l 箱体 内表 面 的温度 ； ￡ 厂箱体外表面的温度。 对流散热分析计算 的基础是牛顿公式 ，散热量 用 q h t 一 t 计算。 1 传动箱壳体表面散热分析 传动箱壳体表面散热形式主要有传导和对流 ， 其 实质为传热学中稳态传热问题。传热模型可以视为 2种不同介质被平壁分开后的热交换。根据稳态传 热理论 ， 设平壁表面积为A， 可以得到相应传热数学 方程 Q A h l t 一 t w 1 Q 旷 睨 Q Ah z t 一 5 6 7 式 5 、 式 6 、 式 7 相 加 ， 消 去 温 度 t 、 t w 2 ， 整 理 得 Q A k t j q t Ak A t 8 蕊1 。 A 。 ， 2 摆动式齿轮传动箱的冷却水散热 设 计时要求摆动式齿轮传 动箱水冷 管中水 的 流量 为 1 0 0 L ／ mi n6 0 0 0 L ／ h ． 则 流水 的质量 m 6 0 0 0 k g ／ h 。试验 测得 水管 人 口水温 为 2 5℃ ， 出 口水温为 3 2 ℃。 即温差 A t 3 2 2 5 7 o C 。计算得水 冷散热量 Q C mA t 1 7 6 5 5 5 ． 6 k J ／ h 。 3 传动箱内润滑油液吸收的热量 Q C mA t 1 7 0 0 x l 8 7 0 A t 3 1 7 9 A t 4 传动箱体吸收的热量 Q C mA t 4 8 0 x 1 3 3 0 0 A t 6 3 8 4 A t 3 仿真迭代法计算传动箱热平衡温度 当采煤机正常工作一段时间后， 其摆动式齿轮 传动箱 内发热量和散热量处于平衡状态 ． 箱 内齿轮 油以及箱体壁面的温度达到一个平衡值 。忽略箱体 发 热 与 散热 空 间不 均 匀性 ， 根 据 能 量 守 恒 定律 ， 得 热 平衡 方程 ∑Q Q Q Q Q 解 此方 程就 可得 到平衡 温 度 t 。 在工程计算 中， 一般采用简化计算公式来计算 平衡温度 t ， 误差大 、 效率低 。仿真迭代法采用传热 系数计算壳体散热 ． 迭代数学方程 ∑ Q Q h t j 1 1 Q k t j ．1 t i - g t i - h t i - k t i 虽 然所 使用 的 N 3 2 0极压 工 业 齿轮 油 在 1 2 0 o C 高温仍然可以正常使用 。但是系统温度超过 1 0 0 o C 时 ， 传动箱体的密封件就有发生膨胀导致密封性能 变 坏 的危 险 ，所 以在迭 代 过程 中设 置 1 0 0℃。 经迭 代计 算 ， 0 ． 8 8 h后 系统 处 于热 平衡 状态 。 平衡 温 度 T -- 9 7 ． 8 6 9 3 ， 如 图 3 初 始温 度 为 2 5℃ 。 式中|i} 传热系数 ， W／ m K 。 根据传热学稳态传热理论 。 流体的流速 、 物理 特性和箱体的材质 、 结构 、 壁厚 等参数是决定对流 换热系数基本因素。摆动式齿轮传动箱内壁面与齿 轮 油之 间的换 热系数 1 0 ． 6 6 4 R e 1 ／2 e r 1 1 ／ 3 A 1 ／ 1 1 9 摆动式齿轮传动箱体外表面与空气的换热系数 2 0 ． 3 2 e 2 n 卵 2 0 A 2 ／ Z 2 1 0 ‘ t 经计算得 1 0 0 90 80 70 6 0 5 0 40 30 1 5 7 8 w／ m 2 “ K 2 传动箱 的散 热 主要 由水 冷 组件 完成 ，并且 ． 传动箱进行热平衡分析。 Q 5 ． 7 8 x 2 7 ． 2 A t 3 6 0 0 5 6 6 A t 环境温度对采煤机散热的有很大的影响。 一 3 8 第 3 O卷第 1 O期 2 0 0 9年 1 0月 煤 矿 机 械 Co a l Mi ne Ma c h i n e r y V 0 I ．3 0 No ． 1 0 0c t ． 2 0 0 9 基于 C o s m o s mo t i o n同步齿轮泵的啮合仿真 阮 进 华 安徽理工大学， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 用三 维实体软件 S o l i d w o r k s 对 同步齿轮 泵主 体部 分进行 了实体 建模 并利 用其插 件 C 0 s ． mo s mo t i o n进行 了同步齿轮泵的啮合仿真 ， 得 出了传动齿轮分担 了吸排液齿轮约 4 5 ％的啮合力。 关 键 词 同步齿轮 泵 ； 齿 轮 啮合 力 ；仿 真 ；C o s m s mo t i o n 中图 分类 号 T H3 2 5 文献标 志码 A 文章 编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 0 9 1 00 0 3 90 3 M e s hi ng Si mul a t i o n o f S y nc hr o ni z a t i o n Ge a r Pum p Bas e d o n Co s m o s m o t i o n RUAN J i n - h u a A n h u i S c i e n c e T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1， C h i n a Abs t r ac tI n Or d e r t o e s t a b l i s h t he s o l i d mo d e l i n g o f t he ma i n pa r t o f s y n c h r o n i z a t i o n g e a r pu mp， t h r e e -d i me n s i o n a l e n t i t i e s s o f t wa r e S o l i d wo r k s ha s b e e n u s e d．An d e x p l o i t t h e p l u g -i n s -- Co s mo s mo t i o n t o s i mu l a t e t he o f me s h i ng s y nc hr o n i z a t i o n g e a r p ump． The r e s u l t o f t h e t r a n s mi s s i o n g e a r c o me t o s ha r e a b o u t 4 5 ％o f t h e g e a r me s h i n g f o r c e o f l i q u i d a b s o r p t i o n g e a r h a s b e e n o b t a i n e d ． Ke y wo r d s s y n c h r o n i z a t i o n g e a r p u mp；g e a r me s h i n g f o r c e ；s i mu l a t i o n；Co s ms mo t i o n 0概述 同步齿轮泵是在齿轮传动与齿 轮泵工作原理 相结合的基础上提 出的一种新型液压动力元件 。 将 动力传递与吸排液分开设计 ， 使传递动力的啮合力 由同步齿轮承担 ， 而吸排液齿轮仅承受液压力 。本 文用三维实体软件 S o l i d w o r k s 对 同步齿轮泵主体部 分进行 了实体建模并利用其插 件 C o s mo s m o t i o n进 行了同步齿轮泵的啮合仿真。 1 啮合 齿轮 的 实体 建 模 1 生成一个轮齿的实体模 型 打开 S o l i d w o r k s 插件 G e a r T r a x ，输入齿轮的相 关参 数 ，点 击确定 ， G e a f F r a x自动转 到 S o l i d w o r k s 中 ， 生成 一个 轮齿 的实 体模 型 ． 如 图 1所示 。 基准轴 1 图 1轮 齿 模 型 ◆● ◆， ◆◆◆ ◆I i ， ●◆◆II ◆ ●◆ ● ●I I◆◆◆◆ 一- ● ● ● 3 油箱内润滑油液的多少是影响采煤机摆动 式齿轮传动箱发热的关键 因素。 4 在计算平衡温度时候 ， 一改传统的简化计 算法 ， 采用仿真迭代法， 建立更符合实际的数学模 型并将传动箱热平衡的动态性体现出来 。 参考文献 [ 1 ] 赵宏梅 ， 刘贵新 ． 电机横 向布置液压牵引采煤机摇 臂发热 问题研 究 f J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 0 2， 2 3 1 2 0 2 1 ． 2 生成齿轮的实体模型 选择圆周 阵列 ， 输人相应的参数 ， 点击确定 ， 则 得到齿轮的实体模型 ， 如 图 2所示。 图 2齿轮 模 型 再通过 S o l i d w o r k s中的草图绘制 、 拉伸 、 切除等 功能建立该齿轮轴的完整实体模型。 3 生成齿轮的主体部分 在 S o l i d w o r k s中生成 同步齿轮泵主体部分的装 配体并添加配合 。建立基准面后 ， 依次插入主动轴 、 从动轴和一对传动齿轮。同步齿轮泵主体部分装配 体如 图 3所示 。 ，◆， , 1 1- ●r ll◆ ◆ ●1 - ◆- 性 分析[ J ] ． 工程 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 3 9 3 2 3 6 ． [ 3 ] 杨世铭 ， 陶文铨． 传热 学[ M] ． 3版． 北京 高等教育 出版社， 1 9 9 8 ． [ 4] ／ E开宝． Z L 8 0型轮式装载机 变速箱稳 态热特性分 析 [ D] ． 长春 吉林大学 ， 2 o 0 7 ． [ 5 ] 王敬 ， 邵朋 礼 ， 魏来生 ， 等． 车辆传动 系统 热平衡计算与仿 真研 究 [ J ] ． 工程 设计学报 ，2 0 0 3 6 3 1 5 3 2 0 ． 作者简介 徐卫鹏 1 9 8 3 一 ， 山东菏泽 人 ， 2 0 0 7年毕业于 山东 科 技大学机械设计 制造及其 自动化 ， 现煤 炭科学研究 总院上海分 院在 读硕士研究生 ， 电子信箱 w e i p e n g l 3 1 6 1 6 3 ．c o rn． [ 2 ] EY F ， 秦四成 ， 王雪莲 ， 等． Z L S O型轮式装载机变速器T作热 特 收 稿 日期 2 0 0 9 0 4 ． 一 3 0 3 9