吳迅

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

行星架是行星齒輪傳動(dòng)裝置中的主要構(gòu)件之一，行星輪軸或軸承就裝在行星架上。當(dāng)行星架作為基本構(gòu)件時(shí)，它是機(jī)構(gòu)中承受外力矩最大的零件。行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造對(duì)各行星輪間的載荷分配以至傳動(dòng)裝置的承載能力、噪聲和振動(dòng)等有很大影響。

行星架的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是重量輕、剛性好、便于加工和裝配。其常見結(jié)構(gòu)形式有雙壁整體式、雙壁分開式和單壁式三種。雙壁整體式和雙壁分開式行星架的兩個(gè)壁（或稱側(cè)板），通過中間的連接板（梁）連接在一起。由于雙壁式整體行星架的剛性好，通過焊接方法可得到結(jié)構(gòu)和尺寸接近成品的毛坯。

因此，目前大噸位卸船機(jī)的差動(dòng)減速器行星架一般采用焊接方式獲得，但在焊接差動(dòng)減速器行星架過程中，行星架的前后兩塊側(cè)板上的行星架銷軸孔是先由鏜床單獨(dú)加工出來的，客觀上，單塊側(cè)板的同心度會(huì)受機(jī)床精度的限制，兩塊側(cè)板要連接在一起誤差會(huì)更大。特別是一般現(xiàn)在設(shè)計(jì)的行星架兩邊的側(cè)板與銷軸公差配合均為H8/m7，是一種過度配合（存在過盈的概率），因此，在焊前的拼裝過程中會(huì)出現(xiàn)銷軸略偏斜的情況，從而最終無法完成拼裝。為了改善加工狀況，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，需利用有限元原理及工具對(duì)行星架銷軸與前后兩側(cè)板之間的公差配置進(jìn)行分析，以尋求既方便加工又不影響使用的設(shè)計(jì)方案。

1 行星架有限元模型建立

以現(xiàn)有系列中承載能力最高、中心距最大的差動(dòng)減速器的行星架為基礎(chǔ)物理模型，并取目前所使用此差動(dòng)減速器的項(xiàng)目中最大設(shè)計(jì)的參數(shù)，電機(jī)功率700kW，轉(zhuǎn)速1000rpm 來計(jì)算載荷，進(jìn)行行星架的有限元分析。

1.1 部件模型建立

將行星架三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，以回轉(zhuǎn)中心添加基礎(chǔ)軸，以各行星輪孔添加基準(zhǔn)平面，并使用基準(zhǔn)平面拆分幾何元素。

1.2 定義材料屬性

根據(jù)行星架各零件材料情況，定義材料屬性如下：密度7.85x10-9t/mm3，楊氏模量2.1x105MPa，泊松比0.3。

1.3 定義截面屬性

創(chuàng)建截面屬性，將截面屬性賦予給行星架部件。需注意：平面應(yīng)力問題的截面屬性類型是Solid（實(shí)心體），而不是Shell（殼）。

1.4 定義裝配件

整個(gè)分析模型是一個(gè)裝配體，前面生成的各個(gè)部件需要裝配起來才能進(jìn)行后續(xù)的分析。

2 行星架應(yīng)力分析

2.1 按行星架連接銷孔“零碰零”為物理模型進(jìn)行應(yīng)力研究

行星架連接銷孔“零碰零”物理模型為行星架連接柱公差取到0 與孔公差取到0 時(shí)裝配起來的情況，即孔、軸尺寸均為名義值時(shí)，并在全寬度尺寸下完全配合的狀態(tài)。

2.1.1 按行星架實(shí)際運(yùn)行情況，定義邊界條件和載荷

輸出軸花鍵處全固定，兩軸承處鉸接固定。對(duì)行星架上行星輪軸內(nèi)孔加壓力載荷（7.275MPa，通過項(xiàng)目參數(shù)計(jì)算所得）。應(yīng)力最大值位置位于軸承處（見圖1），不符合對(duì)孔與銷軸進(jìn)行研究的模型特征。

2.1.2 按全浮動(dòng)行星架運(yùn)行情況，定義邊界條件和載荷

（1）輸出端約束。輸出軸花鍵處全固定，載荷大小及加載方式保持與2.1.1 不變。應(yīng)力最大值位置位于靠近輸出軸花鍵第一個(gè)軸徑跳變處（見圖1），也不符合對(duì)孔與銷軸進(jìn)行研究的模型特征。

（2）輸入端約束。在輸出軸花鍵反向的另一側(cè)板內(nèi)孔處進(jìn)行全固定，載荷大小及加載方式保持與2.1.1不變。應(yīng)力最大值位于輸入端側(cè)連接銷軸處（見圖1），符合對(duì)孔與銷軸進(jìn)行研究的模型特征。此時(shí)，最大應(yīng)力值為75.28MPa。

2.2 修改行星架連接銷孔配合公差進(jìn)行應(yīng)力變化趨勢(shì)研究

通過2.1.1 至2.1.2 對(duì)模型不同邊界條件的定義，得出符合行星架連接銷孔配合公差研究的邊界條件定義。利用上述2.1.2（2）模型的邊界條件和載荷定義方式，將行星架物理模型進(jìn)行修改，當(dāng)行星架連接銷孔公差配合發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。

2.2.1 修改物理模型為兩端連接銷孔間隙配合

兩端銷孔均修改為0.1mm 間隙量，即孔尺寸保持名義值的情況下，軸直徑尺寸減小0.1mm，或軸尺寸保持名義值，孔直徑尺寸增加0.1mm，此處，按軸尺寸減小的方式修改模型，留出間隙部分，長(zhǎng)度為1/3 的板厚。

應(yīng)力最大值位于輸入端側(cè)連接銷軸處，最大應(yīng)力值為123.6MPa。

2.2.2 修改物理模型為一端“零碰零”，一端間隙配合

（1）輸出花鍵端側(cè)銷孔0.1mm 間隙量，間隙長(zhǎng)度1/3 的板厚，輸入端側(cè)銷孔“零碰零”。

應(yīng)力最大值位于輸出花鍵端側(cè)連接銷軸處（見圖1），最大應(yīng)力值為89.2MPa。

（2）輸出花鍵端側(cè)銷孔“零碰零”，輸入端側(cè)銷孔0.1mm 間隙量，間隙長(zhǎng)度1/3 的板厚。

應(yīng)力最大值位于輸入端側(cè)連接銷軸處，最大應(yīng)力值為100.1MPa。

2.2.3 修改物理模型為花鍵端過盈，另一端間隙配合

以2.2.2（2）模型為基礎(chǔ)，修改花鍵端銷孔為過盈配合，過盈量0.03mm。

應(yīng)力最大值位于輸入端側(cè)連接銷軸處，最大應(yīng)力值為108.5MPa。

3 分析應(yīng)用

結(jié)合行星架焊接加工特性，行星架連接銷孔配合公差改變后，通過行星架應(yīng)力分析，對(duì)以上分析結(jié)果整理如下（表1）。

表1 相同邊界，不同銷孔公差配合最大應(yīng)力值及位置表

通過調(diào)整輸入側(cè)及輸出側(cè)的間隙或過盈量，應(yīng)力分析模型模擬了行星架兩側(cè)板及銷軸在現(xiàn)有過渡配合下會(huì)出現(xiàn)的焊前裝配狀態(tài)。從上數(shù)據(jù)表中可以看出，當(dāng)輸入側(cè)及輸出側(cè)均為零間隙時(shí)，最大應(yīng)力值最小；當(dāng)輸入側(cè)和輸出側(cè)均有間隙時(shí)，最大應(yīng)力值最大；當(dāng)輸入側(cè)有間隙時(shí)，輸出側(cè)零間隙時(shí)，最大應(yīng)力值小于輸出側(cè)有間隙或緊配合的情況，最大應(yīng)力值隨著間隙量或緊配合量變大而變大。另外，當(dāng)輸出側(cè)間隙量大于輸入側(cè)時(shí)，最大應(yīng)力位置會(huì)出現(xiàn)在輸出側(cè)。通過以上數(shù)據(jù)結(jié)論，最大應(yīng)力值均小于行星架母材屈服強(qiáng)度，從理論上證明，通過改變行星架兩側(cè)板及銷軸配合情況，即對(duì)行星架兩側(cè)板及銷軸公差配合設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而改善行星架在焊前的拼裝過程中會(huì)出現(xiàn)銷軸略偏斜的情況，解決最終無法完成拼裝的可行性。通過以上數(shù)據(jù)篩選，輸入側(cè)與輸出側(cè)配合均為間隙時(shí)，對(duì)加工和后續(xù)拼接，及對(duì)焊接成品均比較有利，而且銷軸處的最大應(yīng)力值也能滿足設(shè)計(jì)要求，符合優(yōu)化預(yù)期。

圖1 最大應(yīng)力值位置

4 結(jié)語

本文以有限元分析的方式，對(duì)焊接行星架的前后兩塊側(cè)板上的銷軸及孔配合的方式進(jìn)行研究，根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)論，在考慮到成本和生產(chǎn)效率的情況下，做出以下建議。將行星架銷軸孔由過度配合改為間隙配合，同時(shí)，根據(jù)計(jì)算增加焊縫尺寸要求，可改善焊接行星架在焊前的拼裝過程中出現(xiàn)銷軸略偏斜的情況，優(yōu)化最終拼接。