新型軟啟動(dòng)行星減速器結(jié)構(gòu)分析

齊秀麗，鞠彬，王軍，劉洋

1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590 2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械數(shù)控部，山東棗莊 277500

新型軟啟動(dòng)行星減速器結(jié)構(gòu)分析

齊秀麗1，鞠彬1，王軍2，劉洋1

1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590 2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械數(shù)控部，山東棗莊 277500

軟啟動(dòng)技術(shù)主要是指機(jī)械系統(tǒng)在滿載的狀況下能夠按照要求解決整個(gè)系統(tǒng)的慣性并且平穩(wěn)地啟動(dòng)或停車，以緩解電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)輸帶的啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)各個(gè)部件的使用壽命。利用汽車差速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理對(duì)軟啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中行星輪系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)ANSYS軟件分析方法對(duì)錐齒輪嚙合部分進(jìn)行了彎曲應(yīng)力分析，滿足生產(chǎn)要求。

行星減速器；軟啟動(dòng)；差速器；彎曲應(yīng)力；ANSYS

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，煤礦生產(chǎn)能力的不斷提高，礦用帶式輸送機(jī)的運(yùn)量不斷加大、重載機(jī)械設(shè)備不斷大型化。雖然國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)機(jī)械設(shè)備在大功率、可靠性等方面有著一些成熟的研究和理論，但是相對(duì)國(guó)外的產(chǎn)品還有很大差距，尤其是在大型的帶式輸送機(jī)的負(fù)載起動(dòng)時(shí)，引起的沖擊對(duì)設(shè)備的壽命及其穩(wěn)定性造成了極大的影響［1］。目前國(guó)內(nèi)外都是采用軟啟動(dòng)的方法來(lái)克服大型設(shè)備負(fù)載起動(dòng)時(shí)所造成的破壞性沖擊，使機(jī)器能安全平穩(wěn)的啟動(dòng)運(yùn)行。軟啟動(dòng)裝置的主要功能是使電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的工況下能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，緩解了電流沖擊對(duì)電動(dòng)機(jī)造成的損壞；因此研究更加穩(wěn)定可靠的軟啟動(dòng)裝置是提高煤礦生產(chǎn)能力和保障煤炭安全生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題所在［2～3］。

1 行星減速器的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的軟啟動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)體積較大，運(yùn)輸安裝不方便，功能上存在應(yīng)急能力差、轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、噪聲大等方面的缺陷，無(wú)法滿足一些企業(yè)的特定要求。本文通過(guò)對(duì)差速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的效果。汽車差速器工作原理如圖1所示，輸入軸提供動(dòng)力，帶動(dòng)差速器側(cè)面錐形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)行星齒輪既可以圍繞自身中心線自轉(zhuǎn)，又可以圍繞兩輸出軸線公轉(zhuǎn)。利用兩行星輪的這一轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩輸出軸輸出不同的轉(zhuǎn)速，從而避免了汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖1 汽車差速器工作原理

利用汽車差速器的工作原理，設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)行星減速器裝置，工作原理圖如圖2所示［4］。輸出軸3連接負(fù)載，啟動(dòng)前處于靜止?fàn)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，由于輸出軸3處于負(fù)載狀態(tài)，輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致行星輪4既自轉(zhuǎn)，又圍繞太陽(yáng)輪5中心線公轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)控制軸2轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然輸出軸3處于負(fù)載狀態(tài)，但電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)卻相當(dāng)于空載啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)起后，利用液壓裝置逐漸壓緊控制軸2端部的摩擦片，致使控制軸的旋轉(zhuǎn)速由最高減小到零。此時(shí)，輸出軸3的轉(zhuǎn)速隨著控制軸2的轉(zhuǎn)速減小而增大，直至最高轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了在負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速由零到正常轉(zhuǎn)速的功能，達(dá)到軟啟動(dòng)效果。

圖2 軟啟動(dòng)行星減速器工作原理

圖3 各軸轉(zhuǎn)速

在整個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)軸的轉(zhuǎn)速方向和大小如圖3所示。0～t1是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，t1～t2是輸出軸啟動(dòng)階段。在0～t1階段，輸入軸、控制軸以及行星輪（自轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)速分別達(dá)從0到達(dá)最高轉(zhuǎn)速；在t1時(shí)刻時(shí)，啟動(dòng)液壓裝置壓緊控制軸端部的摩擦片，使控制軸的轉(zhuǎn)速開(kāi)始降低，直至減小到0；與此同時(shí)，行星輪自轉(zhuǎn)速度開(kāi)始降低，輸出軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)行星輪自轉(zhuǎn)速度減小到0時(shí)，控制軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速相等；之后，行星輪轉(zhuǎn)速變向，并隨著控制軸的轉(zhuǎn)速降低而增加，直至輸出軸達(dá)到最高速，至此，整個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。由圖3可知，在t1～t2階段，負(fù)載開(kāi)始啟動(dòng)，但輸入軸的轉(zhuǎn)速幾乎保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證了電動(dòng)機(jī)在負(fù)載狀態(tài)啟動(dòng)下不會(huì)受到?jīng)_擊振蕩的影響。

2 錐齒齒根彎曲強(qiáng)度分析

行星齒輪尺寸受結(jié)構(gòu)限制，承受的載荷較大，在承受載荷時(shí)，在齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大。當(dāng)輪齒工作時(shí)受到交變應(yīng)力重復(fù)作用，受拉一側(cè)的齒根處會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)疲勞裂紋將不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪彎曲疲勞折斷。因此文中利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)行星齒輪齒根彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核［5］。

文中選定錐齒輪材料為剛性材料45鋼，彈性模量為Ex＝2.1e×105MPa，泊松比取μ＝0.3。整個(gè)模型劃分為148 850個(gè)節(jié)點(diǎn)和37 886個(gè)單元，其中在輪齒的嚙合線上自由劃分了546個(gè)節(jié)點(diǎn)。為使結(jié)果更加精確，在兩齒輪嚙合處的重點(diǎn)部位即齒根處進(jìn)行了網(wǎng)格的細(xì)化，細(xì)化的節(jié)點(diǎn)都分布在齒輪之間的嚙合線處，模型劃分的網(wǎng)格如圖4所示［6～8］。

圖4 錐齒輪對(duì)網(wǎng)格劃分模型

行星齒輪有限元模型嚙合時(shí)的受力包含3個(gè)部分（集中力、面力和體力），根據(jù)錐齒輪之間的嚙合受力情況，為了使得計(jì)算簡(jiǎn)化，假定載荷在齒寬中點(diǎn)處加載，并選取模數(shù)為中點(diǎn)處的模數(shù)，在齒輪嚙合線處加載為33 369.6 N·m。文中齒輪嚙合接觸面處選擇接觸單元為CONTA173，目標(biāo)單元為TARGE170。

分析結(jié)束后，從ANSYS后處理模塊中調(diào)取行星錐齒輪嚙合時(shí)齒輪彎曲應(yīng)力和應(yīng)變相關(guān)的圖形、數(shù)據(jù)，如圖5、6所示。

圖5 彎曲應(yīng)力分布

圖6 應(yīng)變分布

由圖5彎曲應(yīng)力分布圖可知，行星錐齒輪輪齒的最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在齒輪的嚙合線處且最大彎曲應(yīng)力為1 225.7 MPa。

錐齒輪齒根許用彎曲疲勞計(jì)算公式：

式中：δFlim為齒輪材料彎曲疲勞強(qiáng)度值，取550 MPa；YSF為尺寸系數(shù)，取2；Yn為輪齒的壽命系數(shù)，取2.5；δFmin為輪齒齒根最小抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)，取1.3。

將上述取值代入公式計(jì)算行星齒輪齒根的許用彎曲疲勞應(yīng)力δFw＝2 115.38 MPa。

實(shí)際齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式：

計(jì)算得：

因此文中利用ANSYS分析所得彎曲應(yīng)力1 225.7 MPa，而通過(guò)傳統(tǒng)方法計(jì)算的最大彎曲校核強(qiáng)度為1 141.428 MPa，兩者非常吻合。

在圖6錐齒輪對(duì)的應(yīng)變分布云圖中，應(yīng)變最大量發(fā)生在行星錐齒輪齒頂位移處，最大應(yīng)變?yōu)?.193 37 mm，仍在許用應(yīng)變范圍內(nèi)，符合技術(shù)要求。［9～10］。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)差速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)行星減速器，該軟啟動(dòng)裝置具有體積小、調(diào)速平衡、調(diào)節(jié)靈敏、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限元ANASYS軟件對(duì)行星錐齒輪進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核，結(jié)果符合技術(shù)要求。利用有限元分析軟件進(jìn)行分析，為今后軟啟動(dòng)減速器設(shè)計(jì)分析提供了重要的參考依據(jù)。

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Structural analysis of a new type of soft start planetary reducer

QI Xiuli1，JU Bin1，WANG Jun2，LIU Yang1
1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China 2.Mechanical CNC Department，Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，Zaozhuang 277500，China

The soft start technology mainly refers to a mechanical system，which is able to solve the inertia of the whole system，and start or stop smoothly as requested in full load condition.The soft start device can alleviate the impact brought by electromotor on the mechanical transmission system and conveyor belt during the starting process，and prolong the service life of the parts.Combining structural characteristics and working principle of automobile differential mechanism，an optimization design was carried out on the planetary gear train in this paper.Bend stress analysis using ANSYS software shows that the soft start reducer can meet the production requirement well.

planetary reducer；soft start technology；differential；bend stress；ANSYS

TD403

A

1009-671X（2014）05-067-03

10.3969／j.issn.1009-671X.201403004

2014-03-11.

日期：2014-09-26.

齊秀麗（1957-），女，教授；

鞠彬（1988-），男，碩士研究生.

鞠彬，E-mail：skdjubin2008＠163.com.

?http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201403004.html