RPG行星減速器齒面應(yīng)力均化分析

孔 霞，蔡云龍

(江蘇泰隆減速機(jī)股份有限公司，江蘇 泰興 225400)

RPG行星減速器齒面應(yīng)力均化分析

孔 霞，蔡云龍

(江蘇泰隆減速機(jī)股份有限公司，江蘇 泰興 225400)

為避免RPG行星減速器因齒面應(yīng)力分布不均導(dǎo)致的齒面接觸應(yīng)力增加、齒根彎曲強(qiáng)度下降、行星輪軸承受力不均等問(wèn)題，以RPG39-50型行星減速器為例，利用有限元方法，構(gòu)建該型減速器的系統(tǒng)柔性模型，依托行星排框架、行星輪銷軸、行星輪軸承及輸出排齒輪等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的變形分析，進(jìn)行了針對(duì)性的齒面優(yōu)化修形，從而實(shí)現(xiàn)了齒面應(yīng)力均化，有效提高了該齒輪系統(tǒng)的壽命與可靠性。

RPG；行星減速器；應(yīng)力均化；齒面修形；有限元法

RPG行星減速器是一種大功率、低速、大扭矩輸出的專用減速器，該減速器傳遞功率可達(dá)3 150kW，峰值輸出扭矩可達(dá)3 800kN·m[1]。該減速器的結(jié)構(gòu)，采用了一級(jí)定軸齒輪串聯(lián)兩級(jí)行星齒輪的傳動(dòng)形式[2]。由于RPG行星減速器的輸出級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)的NGW行星傳動(dòng)，在輸出大扭矩時(shí)，行星排框架、行星輪銷軸、行星輪軸承及輸出排齒輪等結(jié)構(gòu)件容易產(chǎn)生變形，不可避免地造成齒面偏載、齒面接觸應(yīng)力增加、齒根彎曲強(qiáng)度下降、行星輪軸承受力不均等不利因素[3-4]，因此對(duì)齒面進(jìn)行優(yōu)化修形，實(shí)現(xiàn)齒面應(yīng)力均化，就成為提高齒輪系統(tǒng)壽命與可靠性的可行性。

1 基本強(qiáng)度分析

RPG行星減速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。造成RPG行星傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞失效的主要誘因?yàn)榕ぞ剌d荷值和疲勞循環(huán)次數(shù)，而轉(zhuǎn)速對(duì)疲勞失效的影響則可以忽略不計(jì)[5]。為實(shí)現(xiàn)RPG行星減速器高可靠性的設(shè)計(jì)，應(yīng)首先對(duì)其疲勞強(qiáng)度進(jìn)行初步分析。不失一般性，本文以RPG39-50型減速器為分析對(duì)象，利用有限元方法對(duì)其輸出排齒輪系統(tǒng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析[6]。分析中以峰值扭矩作為載荷邊界條件，其數(shù)值取3 800kN·m，以無(wú)限壽命作為齒輪循環(huán)條件，其數(shù)值取107次，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

從初步分析結(jié)果可知，輸出排齒輪系統(tǒng)有足夠的承載能力,滿足減速器功率、扭矩等功能需求。

2 系統(tǒng)變形分析

表1給出的疲勞分析結(jié)果是在忽略系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件變形的基礎(chǔ)上得到的。由于輸出級(jí)的NGW型行星傳動(dòng)中各結(jié)構(gòu)件變形使輸出排齒輪副產(chǎn)生錯(cuò)位量，嚴(yán)重影響齒輪系統(tǒng)的壽命、可靠性與傳動(dòng)性能。因此，要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行變形分析，明確各結(jié)構(gòu)件的實(shí)際位移分布狀態(tài)與影響因素。

由圖1中RPG行星減速器結(jié)構(gòu)可知，對(duì)輸出排齒輪錯(cuò)位量有直接影響的變形結(jié)構(gòu)件包括行星排框架、行星輪銷軸、行星輪軸承等。通過(guò)分析上述3類基本結(jié)構(gòu)件的變形，進(jìn)而結(jié)合輸出級(jí)的空間結(jié)構(gòu)得到輸出排齒輪副的嚙合錯(cuò)位量，可為齒輪的精細(xì)化分析與齒面結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

2.1行星排框架變形分析

仍以RPG39-50型減速器為分析對(duì)象，借助ANYSYS和MASTA軟件為分析手段，建立減速器輸出級(jí)的有限元模型，計(jì)算得到輸出級(jí)行星排框架的綜合位移分布狀態(tài),如圖2所示。

行星排框架與行星輪銷軸連接節(jié)點(diǎn)處的變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

2.2行星輪銷軸變形分析

利用相同的同理，得到的行星輪銷軸線位移分析結(jié)果如圖3所示。

2.3行星輪軸承變形分析

輸出級(jí)行星排中含有10個(gè)型號(hào)為23244 CC/W33的行星輪軸承，以及型號(hào)為NCF 29/1000V、NCF 28/800V的2個(gè)框架軸承[7]，相關(guān)軸承的壽命分析結(jié)果如圖4所示。

2.4輸出排齒輪錯(cuò)位量計(jì)算

綜合行星排框架、行星輪銷軸、行星輪軸承的變形計(jì)算結(jié)果，求得輸出排齒輪副的錯(cuò)位量計(jì)算結(jié)果(表4)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可知，輸出排齒輪錯(cuò)位量依行星輪位置、變形及載荷分布而變化。

3 齒面優(yōu)化修形

由于上述嚙合處齒輪錯(cuò)位量的存在(如圖5所示)，在齒面優(yōu)化修形前，齒面存在嚴(yán)重的偏載接觸。從接觸應(yīng)力可以看出，在齒面的一端甚至已脫離接觸狀態(tài)，而另一端應(yīng)力急劇增加，達(dá)到了2 380MPa。

以嚙合處的齒輪錯(cuò)位量為基本數(shù)據(jù)條件，沿齒面的齒向和齒廓2個(gè)方向進(jìn)行修形。優(yōu)化修形后的齒面接觸應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示，齒面接觸應(yīng)力從2 380MPa減低到了1 728MPa，最小應(yīng)力從0增加到了797MPa，實(shí)現(xiàn)了輪齒的正常嚙合與齒面應(yīng)力均化，提高了齒面承載能力。

另一方面，從齒面接觸應(yīng)力狀態(tài)可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化修形后的齒面，在齒寬方向應(yīng)力分布均勻，極大降低了齒寬方向的附加彎矩，從而有效地降低了齒根應(yīng)力，改善了軸承的受力狀態(tài)，提高了齒輪系統(tǒng)的壽命和可靠性[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用有限元方法對(duì)RPG行星減速器基本強(qiáng)度、系統(tǒng)變形和齒面優(yōu)化修形進(jìn)行分析研究，能為今后開(kāi)發(fā)同類型產(chǎn)品在縮短開(kāi)發(fā)周期、節(jié)省樣機(jī)試驗(yàn)成本方面提供便利，同時(shí)對(duì)提高低速、大扭矩行星減速器的壽命和可靠性有一定的參考意義。

[1] 劉鳳麟．一種行星減速機(jī)噪聲探究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011，35(5)：63-65.

[2] 譚援強(qiáng)，何娟，楊世平，等．NGW型兩級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2013，37(11)：18-23.

[3] 洪雷，李學(xué)明，王進(jìn)戈．多級(jí)NGW型行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011，35(6)：52-55.

[4] 魏靜，呂程，孫偉，等．NGW型行星輪系模態(tài)特性及參數(shù)敏感性研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2013，26(5)：654-664.

[5] 朱有利，王燕禮，邊飛龍，等．漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪接觸疲勞失效成因再分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(6)：722-728.

[6] 黃永榮．基于有限元法的正交面齒輪疲勞特性探究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2014，38(8)：51-55.

[7] 蔣冬青，錢書(shū)琨，劉明紅．輥壓機(jī)配用RPG23減速機(jī)的使用與維護(hù)[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2013，19(4)：29-32.

[8] 徐向陽(yáng)，朱才朝，劉懷舉，等．柔性銷軸式風(fēng)電齒輪箱行星傳動(dòng)均載研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(11)：43-49.

The homogenization analysis for tooth surface stress of RPG planetary reductor

KONG Xia, CAI Yunlong

(Jiangsu Tailong Machinery Group Company Co. , Ltd., Jiangsu Taixing, 225400, China)

The RPG planetary redactor is a special redactor with the conditions of large power, low speed and large torque output. The output structure of the RPG planetary redactor is easy to deform of many components, and the unbalanced distribution of tooth surface stress is inevitable. All these problems may cause the worse transmission conditions such as the raise of tooth surface contact stress, the drop of tooth flexural strength and the unbalanced loads of planetary gear bears. Taking RPG39-50 planetary redactor as an example, it uses the finite element method to build the flexible model of the redactor, analyzes the deformation of the components such as the planetary gear frame, the planetary gear shafts, the planetary gear bears and the output gears. At last, it realizes the tooth optimization repair. The result homogenizes the tooth surface stress and improves the reliability of the gear transmission system.

RPG; planetary redactor; stress homogenization; tooth surface repair; finite element method

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.018

2015-01-29

孔霞(1971—)，女，江蘇泰興人，江蘇泰隆減速機(jī)股份有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。

TH132.4

A

2095-509X(2015)03-0079-04