淺析高溫氣冷堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器錐齒輪優(yōu)化

郭云龍，王勇慧，金東杰

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆的重要組成部分，主要作用是在正常工況下調(diào)節(jié)反應(yīng)堆運(yùn)行功率，事故工況下快速落棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆安全停堆?？刂瓢糁鳒p速器就是為了保證在事故工況下控制棒能夠安全下落的重要設(shè)備。由于主減速器在純氦氣環(huán)境中工作，不能使用潤(rùn)滑油等可能污染環(huán)境的物質(zhì)，零件表面不可能形成具有保護(hù)作用的氧化膜，所以對(duì)主減速器齒輪的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。適當(dāng)齒輪變位（徑向和切向方向）可以提高齒輪齒根抗彎疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度。因此，本文以控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器錐齒輪為基礎(chǔ)，以控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)樣機(jī)主減速器錐齒輪變位系數(shù)為依據(jù)，通過改變錐齒輪變位系數(shù)分析齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力及最小安全系數(shù)，得出最優(yōu)變位系數(shù)，從而優(yōu)化主減速器錐齒輪。

1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器

圓錐齒輪傳動(dòng)常用于輸入軸和輸出軸需要相交成一定角度的場(chǎng)合，可用來(lái)傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，降低轉(zhuǎn)速并增大轉(zhuǎn)矩，一般與圓柱齒輪組成圓錐-圓柱齒輪減速器?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器采用三級(jí)圓錐-圓柱齒輪組，具體結(jié)構(gòu)見圖1；考慮錐齒輪承受負(fù)載較大，錐齒輪采用格里森零度弧齒。

圖1 主減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 錐齒輪變位

錐齒輪的變位可分為切向變位（齒厚變位）和徑向變位（齒高變位），如圖2所示。

圖2 錐齒輪徑向變位（左）和切向變位（右）

用展成法加工錐齒時(shí)，當(dāng)加工輪齒的兩側(cè)刀刃在其所構(gòu)成的產(chǎn)形齒輪的分度面上的距離為πm/2時(shí)，加工出來(lái)的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪；若改變兩刀刃之間的距離，則加工出來(lái)的齒輪為切向變位齒輪，變位系數(shù)為xt。

用展成法加工錐齒時(shí)，若刀具所構(gòu)成的產(chǎn)形齒輪的齒條中線與被加工錐齒輪的當(dāng)量圓柱齒輪的分度圓相切，加工出來(lái)的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪；當(dāng)齒條中線沿當(dāng)量圓柱齒輪的徑向移開一段距離xm時(shí)，加工出來(lái)的齒輪為徑向變位齒輪，變位系數(shù)為x。

齒輪變位一般選擇高-切綜合變位，即x1+x2=0；xt1+xt2=0。

在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)樣機(jī)中，主減速器錐齒輪徑向變位系數(shù)x為0.38、切向變位系數(shù)xt為0.003；適當(dāng)增大徑向變位系數(shù)可減小齒面接觸應(yīng)力，增大最小安全系數(shù)；適當(dāng)增大切向變位系數(shù)可減小齒根彎曲應(yīng)力。因此以樣機(jī)主減速器錐齒輪變位系數(shù)為依據(jù)，錐齒輪徑向變位系數(shù)x分別取0.38～0.42，切向變位系數(shù)xt分別取0.003～0.007，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì)錐齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出錐齒輪-受力情況，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析得出最優(yōu)變位系數(shù)。

2.2 錐齒輪傳動(dòng)計(jì)算

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)。錐齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖見圖3；錐齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 錐齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 錐齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

（2）齒輪主要參數(shù)計(jì)算。

（3）錐齒輪重合度計(jì)算。

（4）錐齒輪受力分析。

小錐齒寬中點(diǎn)處的徑向力：

大錐齒寬中點(diǎn)處的徑向力：

小錐齒寬中點(diǎn)處的軸向力：

大錐齒寬中點(diǎn)處的軸向力：

式中，齒寬中點(diǎn)處分度圓上的切向力：

錐齒輪齒寬中點(diǎn)分度圓直徑：dm1；齒寬中點(diǎn)螺旋角：βm=0°；錐齒輪轉(zhuǎn)矩：T1由減速機(jī)傳動(dòng)比分配得知，包含3倍安全系數(shù)，取T1=14。

3 錐齒輪強(qiáng)度校核

3.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核

適當(dāng)增大徑向變位系數(shù)可減小齒面接觸應(yīng)力并增大最小安全系數(shù)，計(jì)算不同徑向變位系數(shù)下最小安全系數(shù)和齒面接觸應(yīng)力。

最小安全系數(shù)：

式中各項(xiàng)參數(shù)表示如下：

（1）齒面接觸應(yīng)力：

（2）接觸疲勞極限σHlim：材料質(zhì)量等級(jí)選用MQ，表示齒輪材料質(zhì)量和熱處理質(zhì)量達(dá)到中等要求時(shí)的疲勞極限。

（3）重合度系數(shù)

重合度系數(shù)：

式中，

嚙合線長(zhǎng)度：

式中，齒頂圓直徑：

dva1=dv+2·(ha1-0.5·b·tanθa1)；

dva2=dv+2·(ha2-0.5·b·tanθa2)；

（4）動(dòng)載系數(shù)。

通過強(qiáng)度校核計(jì)算得到不同徑向變位系數(shù)下，齒面接觸應(yīng)力和最小安全系數(shù)見表2。

表2 不同徑向變位系數(shù)下齒面接觸應(yīng)力值和最小安全系數(shù)

3.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

適當(dāng)增大切向變位系數(shù)，可減小齒根彎曲應(yīng)力。計(jì)算不同切向變位系數(shù)下齒根彎曲應(yīng)力；

小錐齒根應(yīng)力：

大錐齒根應(yīng)力：

通過強(qiáng)度校核計(jì)算得到齒根許用彎曲應(yīng)力，不同切向變位系數(shù)下，齒根彎曲應(yīng)力值見表3。

表3 不同切向變位系數(shù)下齒根彎曲應(yīng)力值

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)工程用控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器錐齒輪進(jìn)行尺寸計(jì)算和強(qiáng)度校核，得出主減速器錐齒輪不同徑向變位系數(shù)下的齒面接觸應(yīng)力、最小安全系數(shù)和不同切向變位系數(shù)下的齒根彎曲應(yīng)力，得到如下結(jié)論：

（1）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器錐齒輪在徑向變位系數(shù)為0.4，切向變位系數(shù)在0.005時(shí)，錐齒輪齒面接觸應(yīng)力σH和齒根彎曲應(yīng)力σF最小，并均小于許用應(yīng)力；最小安全系數(shù)最大。

（2）對(duì)比控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)樣機(jī)中在徑向變位系數(shù)為0.38和切向變位系數(shù)為0.003時(shí)的齒面接觸應(yīng)力σH和齒根彎曲應(yīng)力σF，錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和最小安全系數(shù)均有所增強(qiáng)，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。此優(yōu)化后的變位系數(shù)已經(jīng)應(yīng)用到目前工程用控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主減速器錐齒輪中，滿足設(shè)計(jì)及高可靠度要求。