某NGW型減速器行星輪支撐軸承承載能力擴(kuò)容設(shè)計(jì)

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

NGW 型齒輪傳動(dòng)采用數(shù)個(gè)行星齒輪同時(shí)傳遞載荷，使功率分流并合理地使用了內(nèi)嚙合，因此，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功重比大、傳動(dòng)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，其在冶金、航空、船舶等動(dòng)力設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。行星齒輪箱由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，特別是高速 NGW 型行星齒輪傳動(dòng)裝置，在多行星輪均載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行星輪支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面具有較嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，其中，行星輪支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到該類傳動(dòng)裝置能否安全運(yùn)行[3-4]。本文針對(duì)某NGW型齒輪箱的功率擴(kuò)容要求，對(duì)其行星輪支撐軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整及復(fù)核計(jì)算，使該齒輪箱的傳遞功率實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)容。

本文中的NGW型齒輪箱原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中，行星輪支撐軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯觯涸搫?dòng)壓滑動(dòng)軸承中，外表面澆注了巴氏合金層的行星軸與行星輪內(nèi)孔表面之間形成動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，從而達(dá)到潤(rùn)滑的目的。該類滑動(dòng)軸承不同于一般圓瓦滑動(dòng)軸承，由于行星架高速旋轉(zhuǎn)，行星輪產(chǎn)生的離心力與齒輪傳動(dòng)的嚙合力共同作用，使行星輪支撐軸承承受較大負(fù)荷。

圖1 某NGW型齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 行星輪支撐軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

按照原設(shè)計(jì)，該齒輪箱在額定功率下行星輪支撐軸承比壓p為4.2 MPa。根據(jù)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及齒輪手冊(cè)上的推薦值[5]，該處比壓許用值一般取3 MPa～4 MPa，最大為Pmax=4.5 MPa。因此，該齒輪箱在原設(shè)計(jì)時(shí)就存在比壓略偏大的情況，但根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況，其在當(dāng)前額定功率下振動(dòng)、溫升等各項(xiàng)指標(biāo)均正常，減速器運(yùn)行狀態(tài)良好。

1 齒輪箱功率擴(kuò)容說(shuō)明

根據(jù)該齒輪箱后續(xù)應(yīng)用需求，要求其應(yīng)具有原額定工況下 30%的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力提升，即需要將該齒輪箱的額定運(yùn)行功率提高 30%。按照此要求，需對(duì)齒輪箱進(jìn)行以下幾個(gè)方面的承載能力核算：1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度核算；2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度核算；3）各承載結(jié)構(gòu)件及聯(lián)軸器的強(qiáng)度核算；4）行星輪均載浮動(dòng)組件的綜合變形影響分析；5）行星輪支撐軸承的承載能力核算。

根據(jù)初步核算，在齒輪箱額定功率擴(kuò)容到原來(lái)的130%后，其齒輪強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度以及均載結(jié)構(gòu)均能滿足擴(kuò)容要求，但其行星輪支撐軸承的比壓值p將到達(dá)4.53 MPa，超過(guò)了最大比壓4.5 MPa的控制上限值。

為了保證行星輪支撐軸承的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并使其具有足夠的疲勞壽命，需對(duì)行星輪支撐軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以滿足齒輪箱功率擴(kuò)容的要求。

2 行星輪支撐軸承結(jié)構(gòu)調(diào)整

根據(jù)擴(kuò)容要求以及齒輪箱原本結(jié)構(gòu)尺寸，擬通過(guò)調(diào)整行星輪支撐軸外徑和長(zhǎng)度，使軸承載荷投影面積增大，從而降低行星輪軸承比壓。軸承比壓p的計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：Fw為作用在行星軸上的總徑向力，N；D為軸承直徑，mm；L為軸承長(zhǎng)度，mm。

從式（1）可以看出：軸承直徑D與軸承長(zhǎng)度L均對(duì)比壓值p有影響，當(dāng)軸承直徑D增大時(shí)，由于行星輪內(nèi)孔需相應(yīng)增大而使行星輪質(zhì)量減小，從而減小了由行星輪質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力，作用在行星軸上的總徑向力Fw同時(shí)也在減小。軸承直徑D與軸承長(zhǎng)度L這兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)軸承比壓的影響曲線如圖3所示。由圖3可以看出：增加軸承直徑D對(duì)降低軸承比壓有較明顯的效果，所以本次擴(kuò)容改造將通過(guò)行星軸直徑的增大來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 行星輪內(nèi)孔直徑D、長(zhǎng)度L對(duì)軸承比壓的影響對(duì)比

調(diào)整行星軸直徑的尺寸時(shí)，考慮到行星輪輪緣強(qiáng)度裕度以及其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件對(duì)行星軸安裝尺寸的限制，初步確定將行星軸直徑D由原來(lái)的150 mm增加為155 mm。從圖3中虛線對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)可以看出：軸承外徑增加后，其對(duì)應(yīng)的軸承比壓值約為4.2 MPa，基本滿足功率擴(kuò)容后行星輪支撐軸承比壓常規(guī)計(jì)算的要求值。

3 行星輪支撐軸承結(jié)構(gòu)有限元校核

雖然在調(diào)整行星軸外徑后，使該減速器在功率擴(kuò)容30%的工況下，軸承比壓仍控制在4.2 MPa，不大于4.5 MPa的最大比壓推薦值，但鑒于該處設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要性，還需從結(jié)構(gòu)調(diào)整后的油膜壓力分布、最小油膜厚度以及行星軸在總徑向力作用的撓度變形等方面對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 軸承油膜壓力分布及最小油膜厚度等參數(shù)細(xì)化分析

計(jì)算調(diào)整軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)及功率擴(kuò)容后的載荷值，使用專用軸承計(jì)算軟件對(duì)該處軸承的油膜壓力分布情況以及油膜厚度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。功率擴(kuò)容后，行星輪支撐軸承在額定工況下的主要特征參數(shù)如如表1所示。

圖4 軸承油膜壓力分布圖

表1 行星輪支撐軸承各主要承載參數(shù)表

從表 1可以看出：行星輪支撐軸承平均比壓、偏心率、局部最大比壓值以及溫升等參數(shù)均在合理區(qū)間內(nèi)。至于最小油膜厚度值是否合理，需對(duì)行星軸的撓度變形進(jìn)行計(jì)算后進(jìn)行界定。

3.2 行星軸撓度變形分析

為了確定行星軸在齒輪嚙合力以及行星輪離心力作用下的變形量，使用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，有限元計(jì)算中采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，約束行星軸兩端軸頭與其他結(jié)構(gòu)件的安裝部位，載荷均勻分布在其他各節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算用有限元模型如圖5所示，計(jì)算得到的行星軸變形云圖如圖6所示。從圖6可以看出：行星軸的最大變形約為0.0116 mm，位于行星軸的中間部位。

圖5 行星軸有限元計(jì)算模型

圖6 行星軸變形云圖

3.3 行星輪支撐軸承最小油膜厚度校核

根據(jù)行星輪支撐軸承最小油膜厚度計(jì)算以及行星軸彎曲變形計(jì)算要求，結(jié)合行星輪內(nèi)孔以及行星軸表面的粗糙度要求，認(rèn)為該軸承的最小油膜厚度應(yīng)為

式中：RZc為行星輪內(nèi)孔表面粗糙度；RZo為行星軸表面粗糙度；yo為額定載荷下行星軸撓度。

軸承油膜的安全系數(shù)為

式中：[k]為軸承油膜最小安全系統(tǒng)，一般取1.1。按式（3）計(jì)算，其安全系數(shù)到達(dá) 3.2，遠(yuǎn)大于一般的要求值1.1。

4 行星軸運(yùn)行后的拆檢情況

調(diào)整該行星軸的結(jié)構(gòu)后，開始進(jìn)行齒輪箱試車，按要求進(jìn)行 8小時(shí)滿載運(yùn)行及相應(yīng)的超載運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中，齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)，溫升正常，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足性能要求。運(yùn)行后，對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆檢，拆檢后的行星軸巴氏合金表面狀況良好。行星軸出廠試驗(yàn)后的拆檢實(shí)物如圖7所示。

圖7 行星軸出廠試驗(yàn)后的拆檢情況

5 結(jié)論

本文根據(jù)某齒輪箱的功率擴(kuò)容要求，對(duì)行星輪支撐軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過(guò)加大軸承直徑，有效降低了軸承比壓。同時(shí)，對(duì)該軸承的油膜壓力分布、油膜厚度等進(jìn)行了詳細(xì)的校核計(jì)算。在各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，進(jìn)行了實(shí)物運(yùn)行驗(yàn)證和拆檢檢查，結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)調(diào)整后的行星軸狀態(tài)良好，滿足對(duì)該齒輪箱功率擴(kuò)容后的運(yùn)行要求。

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