泰兴减速机专业生产厂家泰强减速机2020年2月12日讯 针对减速机的润滑特性优良、温升较低等需求，以某减速机为研究对象，建立简化减速机三维模型，导入有限元仿真软件中建立减速机热固耦合温度场仿真模型，对减速机润滑油流速、齿轮温度等特性进行仿真分析。仿真结果表明：减速机润滑油流速较小，流体分布比较均匀，润滑较好；减速机齿轮温度呈现沿着齿顶向中心圆内侧阶梯式减小的趋势；随着仿真时间的增加，减速机小齿轮齿顶最高温度呈现逐渐增加的趋势。该研究为减速机润滑特性改善、温升控制等方面提供依据。

关键词： 减速机；热固耦合； 温度场； 有限元仿真

0   引言

减速机作为机械设备中重要的减速增扭装置，为运动和动力的传递提供了重要基础。有限元作为现代机械零部件设计、优化和校核等重要分析手段，在各行各业中得到了广泛的应用。减速机温度对减速机润滑和疲劳寿命等方面影响较大，因此对减速机温度进行研究尤为必要。

为了对减速机整体温度场进行更加深入的了解和分析，以某减速机为研究对象，对减速机整体及内部传动齿轮热固耦合的温度场进行模拟仿真，为获得润滑特性优良、温升小的减速机提供参考。

1   减速机三维建模

减速机一般由减速机箱体、齿轮传动系统、传动轴、支撑轴承及轴承端盖等主要零部件组成。减速机流体温度场主要与减速机箱体与内部齿轮传动系统有关，因此对减速机进行简化，对减速机流体温度场影响较大的减速机箱体和齿轮传动系统予以保留，其余影响很小的复杂零部件进行省略简化处理。

简化的减速机热固耦合温度场三维模型如图 1 所示。

图 1  简化的减速机热固耦合温度场三维模型

 1.减速机下箱体 2.减速机上箱体 3. 输出大齿轮 4. 流体流动温度变化区域 5.输入小齿轮

由图 1 可知，在简化的减速机热固耦合温度场

三维模型中，减速机主要由减速机箱体（减速机上箱体、减速机下箱体），减速机齿轮传动系统（输出大齿轮、输入小齿轮）及减速机箱体和减速机齿轮传动系统组成的流体流动温度变化区域组成。简化的减速机热固耦合温度场三维模型主要关键参数如表 1 所示。

表1  简化的减速机热固耦合温度场三维模型主要关键参数

根据简化的减速机三维模型，选取输入大齿轮、输出小齿轮材料为 20Cr 钢，减速机上、下箱体材料为灰铸铁 HT200，润滑油为 SHC600 齿轮润滑油。简化的减速机热固耦合温度场仿真主要材料特性如表2 所示。

表 2  简化的减速机热固耦合温度场仿真主要材料特性

2   减速机热固耦合仿真有限元建模

将简化的减速机热固耦合温度场三维模型保存为可被有限元仿真软件识别的中间格式，对减速机中的减速机箱体和齿轮传动等零部件进行结构网格划分和流体网格划分，再通过对结构网格和流体网格共享的方式获得减速机热固耦合仿真有限元网格模型如图 2 所示。

图 2   减速机热固耦合仿真有限元网格模型

1. 减速机箱体 2. 输入小齿轮 3. 输出大齿轮

由图 2 可知，在减速机热固耦合仿真有限元网格模型中，有 30 846 个单元，174 658 个节点，网格平均质量为 0.285，网格最大偏斜为 0.801 26。在减速机热固耦合仿真有限元网格模型中，对减速机输入小齿轮处施加转速 1500 r/min，在输出大齿轮端施加阻力矩2 000 Nm。 通过对由减速机箱体、减速机齿轮传动系统结构和流体流动等组成的结构固态和流体场流体耦合的热固耦合系统的温度进行研究分析，获得减速机热固耦合温度场特性，为减速机温升控制及润滑特性改善，提供重要的参考。

3   仿真结果与分析

根据减速机热固耦合有限元仿真模型，加载减速机某一实际运行工况条件，仿真计算得到减速机润滑油流动速度分布如图 3 所示。

图 3   减速机润滑油流动速度分布

1. 减速机箱体  2. 输入小齿轮  3. 输出大齿轮

由图 3 可知，减速机在转速 1 500 r/min，力矩2 000 Nm 的运行工况下工作时，减速机箱体内部的润滑油流速主要分布在大、小齿轮圆周，润滑油整体流动速度较为平稳，但是还是存在紊流的现象，最大流动速度为 0.872 8 m/s。

为了了解减速机齿轮传动系统在热固耦合条件下的温度场分布情况，由于大小齿轮温度分布场变化基本一致，因此以小齿轮温度场分布为例，仿真计算得到减速机小齿轮在仿真时间为 0.3 s 时的温度分布如图 4 所示。

 图4  减速机小齿轮在仿真时间为 0.3 s 时的温度分布

由图 4 可知，减速机小齿轮在转速 1 500 r/min，力矩 2 000 Nm 的工况下仿真 0.3 s 时，小齿轮最高温度主要分布在齿顶部分，沿齿顶向中心圆内侧呈现阶梯式减小的趋势，最大温度为 60.85 ℃，最小温度为 24.85 ℃。

仿真计算得到在不同仿真时间下，减速机小齿轮齿顶最高温度分布如图 5 所示。

由图 5 可知，随着仿真时间的增加，减速机小齿轮齿顶最高温度呈现逐渐增加的趋势，齿顶最高温度小于 80 ℃，满足减速机传动系统整体温升的要求。减速机齿轮在实际运行过程中，负载是逐渐增加的，且开始阶段减速机润滑油处于常温状态，油液在实际作用下不断产热，从而导致温度不断上升，呈现逐渐增加的趋势。

图 5   在不同仿真时间下，减速机小齿轮齿顶最高温度分布

综上减速机热固耦合温度场有限元仿真分析可知，减速机润滑油整体比较均匀地分布在齿轮啮合部位、两齿轮圆周区域内，部分地方存在紊流的情况；减速机齿轮温度在仿真时间不变时沿着齿顶向中心圆内侧呈现阶梯式减小；随着仿真时间的增加，减速机齿轮齿顶最高温度呈现逐渐增加的趋势，减速机齿顶最高温度小于 80 ℃，满足减速机传动系统整体温升的要求。

4   结语

减速机作为机械设备中重要的减速增扭设备，在各行业的机械设备中得到了广泛的应用。减速机润滑特性和温升是减速机重要关键参数，关系到减速机润滑好坏及使用寿命。有限元仿真作为现代机械设备结构、流体、振动、噪声、温度、动力学等众多特性分析的方法之一，具有成本低、精度高、趋势与实际贴合度高等优良特点，是各行业产品仿真分析的必备工具。为了获得传动、疲劳、温升性能优良的减速机，以某型减速机为研究对象，建立减速机热固耦合温度场仿真分析的有限元模型，研究了减速机流体场、温度场等特性，为减速机疲劳寿命提升、温度控制提供参考。

作者

鹤壁汽车工程职业学院

刘树杰