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[ 摘 要]对采煤机截割系统进行温度场分析，通过计算机模拟采煤机截割部温度场并与采煤机截割部加载试验相结合，将摇臂加载试验结果作为热平衡分析的检验标准，最终实现在设计的初期以计算机模拟为主，少量加载试验为检验标准的设计模式，并为为优化摇臂冷却系统提供理论基础。
[关键词] 热流耦合 采煤机 截割部 冷却系统 热平衡分析 温度场分析 加载试验
中图分类号：T311 文献标识码：C 文章编号：
1项目背景
在运用计算机模拟技术对3000kW大功率采煤机变频器冷却散热系统进行热平衡分析并优化取得成功应用之后，对3000kW采煤机摇臂冷却散热系统进行热平衡拓展分析，将计算机模拟热平衡分析技术用于摇臂散热的应用上来，随着采煤机功率的增大，摇臂过热问题越来越突出，摇臂加载试验费时费力，在设计方案还在开发验证阶段时运用该技术进行模拟分析，通过分析结果来指导设计，为摇臂冷却散热设计提供重要的理论依据，减少方案定型前的试制试验，降低成本，提高开发效率。
2项目内容
运用热流耦合技术对采煤机摇臂进行热平衡分析，通过计算机模拟对摇臂散热系统进行计算分析，计算结果和摇臂加载试验数据进行对比校核，积累分析数据，为以后新产品开发打基础做准备，提供可靠的分析依据。
3模型准备
采煤机摇臂散热系统主要由摇臂壳体，传动齿轮及行星减速装置、齿轮油、以及冷却水套以及冷却水组成。
运用NX8.0对采煤机摇臂散热系统进行三维建模，并按1：1的比例进行装配，采煤机截割部采用摇臂壳体上的冷却水套来降低摇臂内油池的温度，保证截割部正常运行，截割部几何模型如图1所示。
图1 截割部几何模型
4有限元模型
4.1理想化几何模型
设计模型不是分析所需要的模型，在进行分析计算时可根据分析的类型以及目的对几何模型进行简化。本次分析中，主要对几何模型进行了如下简化：
（1）本次分析为热平衡分析，主要分析截割部的散热能力，并不计算齿轮轮齿的强度，不考虑应力集中、变形等因素，只考虑温度的影响，因此将传动齿轮进行简化，将传动齿轮简化为等分度圆直径的圆柱。
（2）为了保正网格的连续性，降低网格的不连续性给计算结果带来不稳定的影响，将连接螺栓简化掉，有螺纹孔的平面将螺纹孔也简化掉，同时将一些影响计算精度的倒角圆角都简化掉。
4.2有限元模型
分别对传动齿轮、行星减速机构、冷却水套、齿轮油以及冷却水进行网格划分，并进行有限元装配。截割部冷却散热方案共有1538574个单元，382506个节点，其中流体网格三个，1个齿轮油网格，1个冷却水网格，1个空气网格，单元类型、大小以及数量如表1所示，有限元模型如图2所示。
图2截割部有限元模型 4.3流边界条件及热载荷
边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在各级传动齿轮之间建立热传递面对面接触，并假设完全接触。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义摇臂壳体与外界大气的热交换边界条件，外界大气环境温度定义为20℃。
（4）定义摇臂壳体对流到环境的对流系数4.2W/㎡-C。
（5）定义摇臂壳体对环境的辐射边界条件，有效辐射率0.8。
热载荷：
表2 热载荷
热功率PR/W
1轴 19206
2轴 18821
3轴 18445
惰轮轴1 18076
惰轮轴2 17715
惰轮轴3 17360
截五轴 17010
一级行星减速 16673
二级行星减速 16339
5热平衡分析结果
当加载电流为192A时计算结果显示一轴最高温度为109.4℃，二轴最高温度为104.5℃，三轴温度为98.6℃，惰轮（一）最高温度为60℃，惰轮（二）最高温度为61.7℃，惰轮（三）最高温度为58.8℃，太阳轮最高温度为55.5℃，一级行星机构最高温度为56.3℃，二级行星机构最高温度为52.2℃，摇臂壳体最高温度为一轴处109.4℃，摇臂二级行星头处的温度为48℃。计算结果详见图3、图4。
图3 截割部温度云图
图4 冷却水、空气和齿轮油速度云图
冷却水进水温度20℃，出水温度28℃，最高温度40.98℃。
车间加载试验记录结果一轴测量温度为104.2℃，误差4.7%，二轴温度测量结果为100.5℃，误差3.8%，三轴测量温度为100.7℃，误差2.1%，行星头测量温度为44.2℃，误差7.9%，计算结果与车间加载试验结果非常吻合可以为设计做验证参考。
6参考文献
[1] 童钧耕，王平阳，苏永康.热工
基础[M].上海：上海交通大学出
版社，2008：149-184.
[2] 徐卫鹏，周常飞.基于ANSYS的
采煤机摇臂温度场分析[J].煤
矿机电，2010（5）：36-39.
[3] 李阳，蒋正友，石婷婷.一种适
用于变频器的电机热保护算法
的研究[J].变频器世界，2010
（5）：71-73.
[4] 叶茂盛.通过热平衡试验探讨冷
却系统的设计改善[J].合肥工
业大学学报，2007，12（30）：
26-32.
[5] 陆海峰，王石刚，曹家勇.变频
器電动机过载保护的算法及其
实现[J].工况自动化，2008（4）：
33-35.
作者简介：暴庆宝（1973.2），男，汉族，山西长治长子人，工程师，毕业于太原理工大学机械制造专业，本科工学学士，研究方向为煤矿机械设计。
[关键词] 热流耦合 采煤机 截割部 冷却系统 热平衡分析 温度场分析 加载试验
中图分类号：T311 文献标识码：C 文章编号：
1项目背景
在运用计算机模拟技术对3000kW大功率采煤机变频器冷却散热系统进行热平衡分析并优化取得成功应用之后，对3000kW采煤机摇臂冷却散热系统进行热平衡拓展分析，将计算机模拟热平衡分析技术用于摇臂散热的应用上来，随着采煤机功率的增大，摇臂过热问题越来越突出，摇臂加载试验费时费力，在设计方案还在开发验证阶段时运用该技术进行模拟分析，通过分析结果来指导设计，为摇臂冷却散热设计提供重要的理论依据，减少方案定型前的试制试验，降低成本，提高开发效率。
2项目内容
运用热流耦合技术对采煤机摇臂进行热平衡分析，通过计算机模拟对摇臂散热系统进行计算分析，计算结果和摇臂加载试验数据进行对比校核，积累分析数据，为以后新产品开发打基础做准备，提供可靠的分析依据。
3模型准备
采煤机摇臂散热系统主要由摇臂壳体，传动齿轮及行星减速装置、齿轮油、以及冷却水套以及冷却水组成。
运用NX8.0对采煤机摇臂散热系统进行三维建模，并按1：1的比例进行装配，采煤机截割部采用摇臂壳体上的冷却水套来降低摇臂内油池的温度，保证截割部正常运行，截割部几何模型如图1所示。
图1 截割部几何模型
4有限元模型
4.1理想化几何模型
设计模型不是分析所需要的模型，在进行分析计算时可根据分析的类型以及目的对几何模型进行简化。本次分析中，主要对几何模型进行了如下简化：
（1）本次分析为热平衡分析，主要分析截割部的散热能力，并不计算齿轮轮齿的强度，不考虑应力集中、变形等因素，只考虑温度的影响，因此将传动齿轮进行简化，将传动齿轮简化为等分度圆直径的圆柱。
（2）为了保正网格的连续性，降低网格的不连续性给计算结果带来不稳定的影响，将连接螺栓简化掉，有螺纹孔的平面将螺纹孔也简化掉，同时将一些影响计算精度的倒角圆角都简化掉。
4.2有限元模型
分别对传动齿轮、行星减速机构、冷却水套、齿轮油以及冷却水进行网格划分，并进行有限元装配。截割部冷却散热方案共有1538574个单元，382506个节点，其中流体网格三个，1个齿轮油网格，1个冷却水网格，1个空气网格，单元类型、大小以及数量如表1所示，有限元模型如图2所示。
图2截割部有限元模型 4.3流边界条件及热载荷
边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在各级传动齿轮之间建立热传递面对面接触，并假设完全接触。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义摇臂壳体与外界大气的热交换边界条件，外界大气环境温度定义为20℃。
（4）定义摇臂壳体对流到环境的对流系数4.2W/㎡-C。
（5）定义摇臂壳体对环境的辐射边界条件，有效辐射率0.8。
热载荷：
表2 热载荷
热功率PR/W
1轴 19206
2轴 18821
3轴 18445
惰轮轴1 18076
惰轮轴2 17715
惰轮轴3 17360
截五轴 17010
一级行星减速 16673
二级行星减速 16339
5热平衡分析结果
当加载电流为192A时计算结果显示一轴最高温度为109.4℃，二轴最高温度为104.5℃，三轴温度为98.6℃，惰轮（一）最高温度为60℃，惰轮（二）最高温度为61.7℃，惰轮（三）最高温度为58.8℃，太阳轮最高温度为55.5℃，一级行星机构最高温度为56.3℃，二级行星机构最高温度为52.2℃，摇臂壳体最高温度为一轴处109.4℃，摇臂二级行星头处的温度为48℃。计算结果详见图3、图4。
图3 截割部温度云图
图4 冷却水、空气和齿轮油速度云图
冷却水进水温度20℃，出水温度28℃，最高温度40.98℃。
车间加载试验记录结果一轴测量温度为104.2℃，误差4.7%，二轴温度测量结果为100.5℃，误差3.8%，三轴测量温度为100.7℃，误差2.1%，行星头测量温度为44.2℃，误差7.9%，计算结果与车间加载试验结果非常吻合可以为设计做验证参考。
6参考文献
[1] 童钧耕，王平阳，苏永康.热工
基础[M].上海：上海交通大学出
版社，2008：149-184.
[2] 徐卫鹏，周常飞.基于ANSYS的
采煤机摇臂温度场分析[J].煤
矿机电，2010（5）：36-39.
[3] 李阳，蒋正友，石婷婷.一种适
用于变频器的电机热保护算法
的研究[J].变频器世界，2010
（5）：71-73.
[4] 叶茂盛.通过热平衡试验探讨冷
却系统的设计改善[J].合肥工
业大学学报，2007，12（30）：
26-32.
[5] 陆海峰，王石刚，曹家勇.变频
器電动机过载保护的算法及其
实现[J].工况自动化，2008（4）：
33-35.
作者简介：暴庆宝（1973.2），男，汉族，山西长治长子人，工程师，毕业于太原理工大学机械制造专业，本科工学学士，研究方向为煤矿机械设计。