張小峰

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

行星傳動(dòng)以功率體積比大的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類減速器，行星傳動(dòng)主要構(gòu)件有太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、行星架等。行星架為行星傳動(dòng)的主要構(gòu)件，承受外力矩最大，其結(jié)構(gòu)形式和制造質(zhì)量對(duì)行星輪間載荷分配及傳動(dòng)裝置承載能力、噪音和振動(dòng)等有很大影響。合理的行星架結(jié)構(gòu)應(yīng)該質(zhì)量輕、剛性好、便于加工和裝配。目前，常見的行星架結(jié)構(gòu)形式有雙壁整體式、雙壁剖分式和單壁式，本文主要對(duì)礦用NGW 型雙壁整體式行星架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，雙壁整體式行星架剛性好，受載后變形較小，有利于行星輪上載荷均勻分布，有效減小振動(dòng)和噪聲。

1 結(jié)構(gòu)形式

NGW 型雙壁整體式行星架由兩側(cè)壁通過中間連接梁連接在一起，調(diào)研結(jié)果表明，目前國(guó)內(nèi)礦用NGW 型行星架常用圖1所示的四種結(jié)構(gòu)，圖1（a）屬于基本結(jié)構(gòu)， 廣泛應(yīng)用于各種行星減速裝置， 圖 1（b）、（c）、（d）為不同制造商的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。比較各結(jié)構(gòu)可見，四種行星架兩側(cè)壁及輸出部分結(jié)構(gòu)基本一致， 圖（b）、（c）、（d）三種行星架優(yōu)化點(diǎn)均在連接梁結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)分析

本文選用一型礦用運(yùn)輸減速器行星架為藍(lán)本，按圖1所示的四種不同的結(jié)構(gòu)建立三維實(shí)體模型進(jìn)行分析。減速器行星級(jí)輸入功率P0=45 kW，輸入轉(zhuǎn)速n0=1453 r/min，輸入扭矩T0=295.8N·m， 太陽輪/行星輪/內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為19/22/65，模數(shù)為3mm，中心距64 mm，行星輪數(shù)目為3，行星架輸出。

圖1 礦用NGW 型行星架結(jié)構(gòu)

2.1 行星架受力分析

行星架受力源自行星輪，不考慮均載系數(shù)情況下：Ftac=Ftbc=1000Ta/Csra=1000×295.8/（3×28.5）≈3456N其中： Ta—太陽輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·m）；Cs—行星輪數(shù)目；ra—太陽輪的分度圓半徑，本例28.5mm；Ftac—太陽輪給行星輪的切向力；Ftbc—內(nèi)齒圈給行星輪的切向力。

行星架受力點(diǎn)為兩側(cè)壁承載軸承安裝孔，行星架受力點(diǎn)與行星輪中性面距離相等則有：

切向方向： RH左=RH右=Ftac=Ftbc=3456 N。

徑向方向：太陽輪給行星輪的徑向力Frac與內(nèi)齒圈給行星輪的徑向力Frbc等值反向，合力為零，則有RV左=RV右=0。

2.2 行星架有限元分析

本文采用有限元法對(duì)不同行星架進(jìn)行分析，直觀反映行星架受力后應(yīng)力以及變形情況。行星架的材料統(tǒng)一選用ZG310-570，該材料屈服極限σs=310Mpa，彈性模量： E=2.0×1011Pa， 泊松比： 0.3， 密度： 7800kg／m3。

簡(jiǎn)化模型輸出部分為圓柱孔，對(duì)該處施加切向、徑向以及軸向零位移約束，分別在兩側(cè)壁三對(duì)承載孔上按余弦函數(shù)分布方式施加面應(yīng)力載荷，載荷按照惡劣工況施加，載荷系數(shù)取2.0，偏載系數(shù)取1.5。施加約束和載荷后的行星架部件有限元分析應(yīng)力和變形結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 結(jié)構(gòu)a 應(yīng)力和變形云圖

圖3 結(jié)構(gòu)b 應(yīng)力和變形云圖

圖4 結(jié)構(gòu)c 應(yīng)力和變形云圖

圖5 結(jié)構(gòu)d 應(yīng)力和變形云圖

2.3 行星架結(jié)構(gòu)比較

云圖表明，雖然結(jié)構(gòu)不同，但各行星架最大應(yīng)力值和綜合位移值位置基本一致。表1 列出四種結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、最大應(yīng)力值和最大綜合位移值,分析數(shù)據(jù)可得，即使在極限工況下，該行星架的安全系數(shù)也較高。以結(jié)構(gòu)a為基準(zhǔn)，計(jì)算偏差值，計(jì)算方法為：

表1 四種結(jié)構(gòu)質(zhì)量、最大應(yīng)力及位移值

表2 b、c、d 結(jié)構(gòu)相對(duì)于a 結(jié)構(gòu)偏差

式中：X為b、c、d。表2為各結(jié)構(gòu)相對(duì)于結(jié)構(gòu)a的偏差值。

綜合分析上述內(nèi)容可得，結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)d 屬于優(yōu)化較好的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)b 雖然最大應(yīng)力值增加了12%，但壁厚均勻，便于鑄造，且該結(jié)構(gòu)應(yīng)力值分布均勻；結(jié)構(gòu)d最大應(yīng)力值減小3.2%，雖然綜合位移值增加14.3%，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接梁處大量采用直線段，可以采用多種手段加工，該結(jié)構(gòu)特別適合鍛造行星架的加工。

3 結(jié)束語

一般礦用行星架安全系數(shù)較高，因此，行星架結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要方向?yàn)樘岣呓Y(jié)構(gòu)的整體剛度、減輕結(jié)構(gòu)重量和優(yōu)化行星架的加工工藝性。

[1]饒振鋼.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]華劍，周思柱，李超.基于SolidWorks的行星架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2011，2.

[3]蔣仁科，林騰蛟，榮崎.同軸雙輸出行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，2.