基于热分析的低速重载齿轮传动冷却方法研究

收稿日期:2009-08-27

基金项目:湖北省重点实验室开放基金重点项目(200704B)

作者简介:何毅斌(1966-),男,江西玉山人,博士(后),副教授,主要从事齿轮减速器设计、制造等研究工作,E -mail:hua -yuanhe66@y aho o.co 。

文章编号:1001-3482(2010)02-0076-03

基于热分析的低速重载齿轮传动冷却方法研究

何毅斌1,陈定方2,何小华1

(1.武汉工程大学机电工程学院,武汉430073;2.武汉理工大学智能制造与控制研究所,武汉430063)

摘要:海上平台行星减速器中的低速重载齿轮传动由于摩擦生成热量较大,不仅影响到减速器的整体温度,而且轮齿间相互接触处由于摩擦引起的高温引起附加热应力,严重影响轮齿间的传动性能、工作可靠性及其使用寿命。结合齿轮传动的传热学、摩擦学及有限元原理,建立了行星减速器

三维热分析有限元模型,计算了不同环境温度和相同环境温度但冷却位置不同时,处于热平衡状态下的齿轮零件热力图,分析了减小热应力应该采取的有效方法。研究结果表明,采用有限元法求解齿轮传动温度分布、热应力等问题,比较精确、方便、直观,便于采用更有效、更有针对性的措施。关键词:热分析;低速重载;齿轮传动;冷却中图分类号:T E951 文献标识码:A

Study of the Cooling Method of Low -S peed Heavy -Load

Gear Transmission Based on Thermal Analysis

H E Y-i bin 1,CH EN Ding -fang 2,H E Xiao -hua 1

(1.Co llege of M echanical and Electrical Eng ineer ing ,W uhan I nstitute of T echnolog y ,Wuhan 430073,China;

2.I CA D CS,Wuhan Univer sity of T echnology ,W uhan 430063,China)

Abstract:In the planetary gear r educer w ith low -speed and heavy -lo ad o n offsho re platforms,its

frictio n generates a larger heat as a result it no t only affects the ov erall temper ature of the reduc -er,and cause additional therm al stress as w ell.It is sever ely affected by to oth transmission per -form ance,reliability and service life.Ther efore,the com bination of the heat transfer theory,tr-i bolo gy and finite elem ent theory ,a planetar y reducer three -dim ensional finite elem ent mo del of thermal analysis w as established.T he therm al map of g ear parts in a state o f ther mal equilibrium w as calculated and the different am bient tem perature and the sam e ambient temperature but dif -ferent coo ling lo catio n w as analyzed.The effective w ay of reducing the ther mal stress sho uld be analyzed.T he results show ed that using finite element m ethod for solv ing the tem perature distr-i bution of gear ,thermal str ess and other issues w ould be mo re precise,convenient,intuitive,easy to ado pt.

Key words:therm al analy sis;low -speed and heavy -load;gear transm ission;coo ling 齿轮传动系统中轮齿表面温度的大小对齿轮传动的可靠性与安全性以及齿轮润滑系统的设计与操作控制等有着重要的影响。研究大型重载齿轮轮齿

的温度分布特征并应用于工程实际,将有助于重载齿轮传动装置及润滑冷却系统的设计,并降低设计

所需的周期和费用。

2010年第39卷 石油矿场机械

第2期第76页 OIL FIELD EQUIPMENT 2010,39(2):76~78

本文以海洋钻井平台提升行星减速器中齿轮为研究对象,运用理论分析和有限元数值模拟分析相结合为手段,建立具有高精度且适用于工业实际应用的低速重载轮齿齿面本体温度的分析和数值模拟模型,系统地研究、分析了轮齿表面温度的分布情况,并提出了相应的齿轮冷却方法。

1 齿轮齿面摩擦热计算

热量传递按其不同机理可归纳为热传导、热对流和热辐射3种基本方式。其中,热传导是指相互接触且温度不同的物体之间,或物体内部温度不同的各部分之间热量传递的现象。工程上的对流换热通常是指固体壁面与其接触的流体之间的热量交换过程,它是热传导和热对流综合作用的结果。所研究齿轮间由于摩擦引起的热传递符合这种形式。两齿轮间的由于摩擦产生的热量与温度变化满足傅里叶定律[1],即

<=-K A

d T

d x

(1)

式中,<为导热热流量,W,单位时间内通过某一给定面积的热量,也是单位时间内齿轮的功率损失;A 为与热流方向垂直的面积,m 2;d T /d x 为该截面上沿热流方向的温度增量,简称为温度梯度,K/m;K 为比例系数,称为导热系数或热导率,W/(m #K),它是物体热物性参数,其值的大小反映了物体导热能力的强弱。

根据摩擦理论,摩擦力与速度的乘积是摩擦功耗,而摩擦力等于摩擦因数与载荷的乘积,因此摩擦功耗P f 为[2]

P f =f Qv =f Q(X 1+X 2)E P m cos A /4(2)

式中,f 为材料的摩擦因数;Q 为两物体间的法向作用力,N;v 为两物体之间的相对滑动速度,m /s;E 为重合度;m 为齿轮模数;A 为齿轮压力角。

则两齿轮间的热流密度q 为

q =

P f A

(3)

2 实例计算和分析

已知某海洋石油钻井平台爬升用减速器的输出传动转矩为1.8M N #m ,输出轴转速为0.2r/m in,设计最短寿命为150h 。根据设计得4级定轴传动和3级行星传动[3-4],其中的一级行星传动中行星轮模数14mm,齿数27,转速1.55r/min,齿厚115

mm,材料选用合金钢,渗碳淬火,齿面硬度56~60

H RC,接触面节圆上的圆周力为208508.7N 。由于轮齿的温度主要是由具有周期性作用的摩

擦热和介质散热决定,齿轮传动连续运行一段时间后,就已经达到了热平衡状态,为方便分析和求解,先作如下相关近似假设

[5]

:

a) 齿轮啮合时产生的热量只传给接触物体轮齿,没有向接触面周围介质散热。热源沿表面移动速度足够快,大于热传导速度。

b) 啮合接触区的发热强度分布呈抛物线。c) 和齿轮本体温度发生变化所需的时间相比,轮齿转动一周的时间相对较短。因此,任意瞬时轮齿啮合时的温度分布状况相同。

e) 可以将轮齿体积温度看作是稳态热交换问题,齿轮啮合时齿面间生成的摩擦热可以看成是一个旋转一周中的平均输入热。

该行星轮的有限元热分析流程如图1。

图1 齿轮有限元热分析流程

按照图1的流程和已知条件,对环境温度为295K 和335K 时,轮齿上的温度分布进行了模拟计算,其结果如图2~3;对环境温度为335K 时,采用不同冷却方法时轮齿上的温度分布进行了模拟计算,其结果如图4~5,其中图4为环境温度为335K,并在接触齿的另一面采用降温措施使其为305K 时的温度图,图5为环境温度为335K,并在接触齿齿面采用降温措施使其为305K 时的温度图。

从图2中看到,此时齿轮的最高温度为383.4K,它位于两齿轮啮合处,最高温度与环境温度之差为383.4-295=88.4K;从图3中看到,此时齿轮的最高温度为423.4K,它位于两齿轮啮合

#

77# 第39卷 第2期 何毅斌,等:基于热分析的低速重载齿轮传动冷却方法研究