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《基于Fluent的齿轮啮合散热分析》
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[摘 要]针对以往齿轮啮合散热工程算法计算准确不高的问题,本文提出了一种新的散热分析有限元计算方法,该方法基于Fluent对齿轮喷油润滑进行有限元分析,本文首先建立齿轮喷油润滑的多相流模型,然后采用动网格技术进行瞬态喷油过程分析,研究齿轮在啮合过程中的温度变化规律.
[关键字]齿轮,Fluent,有限元分析,温度场
中图分类号：TH325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0135-01
1 引言
我司齿轮箱主要采用喷油润滑方式進行润滑和冷却,齿轮啮合过程中会产生大量的热量,热量在工作过程中会通过润滑油带走一部分,剩下的一部分热量形成最终的齿轮接触温度.润滑油带走的温度多少最终决定了齿轮接触部位的最终温度,并且决定了齿轮接触部位是否会发生胶合,因此有必要对齿轮啮合过程中的每一个啮合点的润滑和散热状态进行研究.
本文针对一级外啮合直齿圆柱齿轮在喷油润滑下的啮合全过程,运用计算流体动力学的方法和软件建立齿轮流体的计算模型,并且基于动网格技术,进行润滑油、空气两相流体仿真分析,并对不同啮合点位置下的流场、温度场情况进行模拟,分析齿轮上不同位置的温度变化情况,为研究齿轮啮合全过程中的弹性流体动力润滑分析奠定基础.
2 齿轮啮合分析
齿轮温度场涉及到摩擦学、传热学、机械传动理论和有限元分析等多学科领域的知识.国内外都对齿轮的温度场做了很多研究,但是这些研究大多集中在稳态热分析中,而瞬态热分析相关的研究则做的非常少,本文则主要为了更加符合实际,从瞬态分析中考虑润滑油对齿轮温度场的影响.在瞬态分析中要考虑齿轮转动和润滑油之间的相互影响,这就需要用到耦合场分析.
齿轮在工作时候,轮齿的旋转位置及其较小的啮合间隙都会对润滑油在啮合区域内的流动造成阻碍,从而使啮合齿面润滑油不足,使齿轮啮合处的温度过高,从而降低了齿轮啮合处的工作性能.对于喷油过程中的分析及参数的选择需要考虑其理论和实践来进行设置.为了确定齿轮转动的相互关系、齿轮润滑油流体及齿轮转动过程中对润滑油膜、温度的性能及齿轮啮合性能的影响,对于齿轮周围的流体润滑场的研究就变的十分重要.
齿轮的润滑方式通常采用油浴润滑和飞溅润滑,由于我司齿轮箱转速较高,采用油浴润滑不能对齿轮进行充分的润滑,因此我司采用喷油润滑的方式进行润滑.由于喷油润滑本身为非稳态并且具有两相流的特点,因此很难通过理论来分析润滑油的流动过程.随着技术流体力学（CFD）以及计算机软硬件的不断发展和优化,为我们采用数值仿真提供了强有力的支持.因此本文在这里采用FlUENT软件进行数值模拟仿真,分析齿轮旋转时啮合处两相流体的瞬时分布情况及温度变化规律.
3 案例分析
本文以我司某系列齿轮箱1级行星传动外啮合齿轮为研究对象,利用KISSSIFT软件构造齿轮副的模型,并利用布尔运算得到齿轮内流体的计算模型.模型的中齿轮的基本参数为：模数为16,压力角为22.5°,太阳轮齿数为29,行星轮齿数为35.
通过工程方法[1]可以计算出齿轮在啮合位置不同时刻的温度,齿轮啮合在A点的温度为212.4℃；齿轮啮合在B点的温度为197.3℃；齿轮啮合在C点的温度为175.19℃；齿轮啮合在D点的温度为208.62℃；齿轮啮合在E点的温度为274.18℃；
采用KISSSOFT对齿轮的齿形进行建模.再将CAD模型导入到Hypermsh中进行建模划分网格,然后将划分后的网格导入到Fluent中进行边界条件的设置及初始条件的设置如图1和图2所示.由于流场边界是复杂的齿轮齿形,鉴于动网格更新需要,采用四面体建立网格单元,所得到的有限元模型如图所示,齿轮内部流场为润滑油和空气的气液两相流模拟,润滑油和空气的参数条件采用FLUENT材料库中的材料参数特性设置.
由于齿轮啮合处每一点的接触温度已经通过工程计算得出,因此在这里只需要将上一步计算出来的温度在齿轮啮合的相应位置进行设置并且进行赋值,然后计算0.1e-2s,查看啮合点的接触温度就可以得到考虑润滑以后齿轮啮合接触点的最终温度.
由于齿轮箱的额定转速为15.8 rpm.根据机械设计手册上的理论可以计算出来：额定转速下行星轮的角速度为6.146rad/s,太阳轮的角速度为7.417rad/s.将行星轮的角速度和太阳轮的角速度作为输入条件输入到有限元模型中进行求解.
由于MySE系列齿轮箱1级外啮合采用的是啮入侧和啮出侧同时喷油润滑,因此在设置边界条件时候需要在啮入和啮出侧分别设置一润滑油进口,进口的压力为0.06MPa,出口为一个标准大气压.同时设置润滑油和空气的初始液相分布.
齿轮匀速转动,本文在这里采用动网格设置来实现转动.齿轮的固体边界保持不变,通过采用profile文件来定义网格的运动,从而模拟齿轮的转动.
求解方法包括设置实际步长、迭代步数、能量方程、动量方程、差分格式等.对于本文分析而言,尽管研究对象复杂,网格数目较多,难于收敛,宜选择精度稍低但是能够保证收敛的方程.
通过计算得到齿轮啮合不同时刻的温度分布图,考虑润滑油的润滑效果以后,齿轮啮合在A点的最高接触温度从212.4℃降低到197℃,齿轮啮合在B点的最高接触温度从197.3℃降低到194℃,齿轮啮合在C点的最高接触温度从175.19℃降低到173℃,齿轮啮合在D点的最高接触温度从208.623℃降低到207℃,齿轮啮合在E点的最高接触温度从274.18℃降低到225℃.
从上述对比中可以看出,考虑润滑油的冷却效果以后,齿轮接触点的温度均有不同程度的降低.温度降低的多少根齿轮的啮合位置有很大关系,当齿轮啮合位于A点和E点时,由于润滑的充分,所以冷却降温效果最好.
4 结论
本文提出了一种针对齿轮啮合散热的有限元计算方法,该方法基于Fluent对齿轮喷油润滑进行有限元分析,可以分析齿轮啮合在每一瞬时的温度变化情况.
参考文献
[1]GB-Z 6413.1-2003.
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