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        一種小行星齒輪箱失效原因分析

        2020-11-10 04:40:31凡晶梅
        機(jī)電信息 2020年30期
        關(guān)鍵詞:輻板失效分析銷軸

        摘要:小行星齒輪箱由于結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、運(yùn)行平穩(wěn),在工業(yè)、風(fēng)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于早期缺乏經(jīng)驗(yàn),出現(xiàn)了一個(gè)批次銷軸冒出的失效案例,影響了齒輪箱正常運(yùn)轉(zhuǎn),現(xiàn)簡(jiǎn)要對(duì)此失效案例進(jìn)行原因分析,并給出糾正措施。

        關(guān)鍵詞:行星傳動(dòng);失效分析;疲勞損傷;銷軸;輻板

        0? ? 引言

        小行星齒輪結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高,在工業(yè)領(lǐng)域(回轉(zhuǎn)、行走、卷揚(yáng)等)通常用于減速傳動(dòng)。因其高功率密度,可以做到體積小、速比大,所以可以實(shí)現(xiàn)扭矩快速增大用于驅(qū)動(dòng)下一級(jí)部件。因以上各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),小行星齒輪在風(fēng)電的偏航、變槳領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。但小行星齒輪早期出現(xiàn)了一類特殊失效模式——行星銷軸冒出,冒出的銷軸頂住上一級(jí)行星架,阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)并刮蹭下大量的鑄件鐵屑,進(jìn)一步造成潤(rùn)滑油污染、軸承失效,維修費(fèi)用很高。本文將介紹筆者參與問題分析、確定根本原因以及最后采取糾正措施的全過程。

        1? ? 齒輪箱結(jié)構(gòu)及問題描述

        行星傳動(dòng)主要部件包括太陽輪、行星輪、齒圈、行星架、銷軸和軸承等,屬于NGW傳動(dòng)類型(圖1)。小行星齒輪箱通常由一級(jí)到多級(jí)行星傳動(dòng)串聯(lián)(一級(jí)輸出是下一級(jí)輸入)組成。風(fēng)電小行星齒輪箱通常是由三至五級(jí)行星傳動(dòng)組成,結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[1]。

        風(fēng)電行星傳動(dòng)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低、扭矩大、頻繁正反換向工作(要不停調(diào)整整個(gè)風(fēng)機(jī)或葉片得到合適的方位),這就對(duì)行星結(jié)構(gòu)中行星架及齒輪零件造成了高度累積的疲勞損傷。筆者接觸到的早期開發(fā)的一批產(chǎn)品中出現(xiàn)了一次奇怪的失效——銷軸向左(高速端)冒出,冒出的銷軸甚至和前一級(jí)行星架右輻板干涉,嚴(yán)重的還會(huì)卡死,直接影響到潤(rùn)滑油清潔度和行星結(jié)構(gòu)的正常傳動(dòng)。由于該失效通常在產(chǎn)品使用一年內(nèi)發(fā)生,而且同批次發(fā)生的概率高,所以緊急進(jìn)行了細(xì)致的原因分析,并采取了糾正措施。維修方案需要對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆解、重新設(shè)計(jì)制造部分零件,所以維修成本比較高,因此筆者認(rèn)為有必要對(duì)問題進(jìn)行分析整理,和同行交流經(jīng)驗(yàn)。

        2? ? 失效原因分析

        新品的開發(fā)初期必然有充分的模擬分析計(jì)算和大量的試驗(yàn)驗(yàn)證,風(fēng)電小行星齒輪箱也不例外。從理論力學(xué)分析,直齒輪行星齒輪在幾個(gè)行星輪之間通常有均勻分布的幾個(gè)力,這幾個(gè)力經(jīng)由行星軸承和銷軸向行星架提供純扭矩,合力為零。所以,理論上來說行星輪不存在任何軸向力,銷軸也不受任何軸向力。銷軸通常按經(jīng)驗(yàn)值取一定的過盈量和行星架連接。早期由于行星傳動(dòng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用批量比較小,所以行星架為左右分體結(jié)構(gòu),左側(cè)是球墨鑄鐵件,右側(cè)是鋼件(例如42CrMo);隨著鑄造技術(shù)進(jìn)步和批量加大,設(shè)計(jì)改進(jìn)成一體鑄造形式(參考圖1)。

        迫使銷軸向左冒出的這個(gè)軸向力來自哪里一時(shí)間很難得到完美的解釋。所以,原因得從頭開始找,經(jīng)仔細(xì)分析,有限元仿真發(fā)現(xiàn)了可疑的現(xiàn)象。有限元分析關(guān)注的地方是齒輪彎曲疲勞,行星架圓角處的最大應(yīng)力、應(yīng)變等,行星架的左右輻板相對(duì)應(yīng)變只關(guān)心了最大應(yīng)變量的控制,而應(yīng)變對(duì)銷軸過盈的影響沒有也很難引起重視,因?yàn)檫@恰是進(jìn)行模擬計(jì)算的一個(gè)假設(shè)——假設(shè)過盈量足夠大,相對(duì)沒有位移。早期版本的軟件功能也受限制,這種反復(fù)正反力作用對(duì)銷軸產(chǎn)生蠕動(dòng)的影響是無法進(jìn)行模擬計(jì)算的。

        通過圖2可以看出,在受力情況下行星架左側(cè)相對(duì)較薄,而且左側(cè)對(duì)于右側(cè)形成懸臂梁的結(jié)構(gòu),所以銷軸中間受力時(shí)左側(cè)相對(duì)右側(cè)有一個(gè)扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)太陽輪正反轉(zhuǎn)時(shí),銷軸對(duì)于行星架的力也反復(fù)左右變換,銷軸左端相當(dāng)于反復(fù)受到左右方向的彎矩。即使左右行星架輻板和銷軸過盈量一樣,但右厚、左薄,形成的過盈力是不一樣的,可以把銷軸(鋼件)的左右兩端想象成分別被一只小手和一只大手抓著。受力時(shí)一定是左側(cè)發(fā)生更大扭轉(zhuǎn)(圖2),當(dāng)力退去或反向時(shí),銷軸想恢復(fù)原狀或向另一側(cè)擺動(dòng),過程中由于右端過盈更緊,所以銷軸很難向右移動(dòng),只能向左端發(fā)生相對(duì)蠕動(dòng),重復(fù)這樣換向后銷軸實(shí)際是緩慢向左移動(dòng)了。如果行星架采用的是左右分體結(jié)構(gòu),這種現(xiàn)象進(jìn)展就更快、更明顯,因?yàn)橛覀?cè)鋼件產(chǎn)生的過盈力比左側(cè)鑄件要大得多。這種現(xiàn)象類似于生活中要把插入泥土里的一根木棍取出來,通常的做法是把木棍不停地左右推拉,木棍會(huì)緩慢向上退出。

        3? ? 解決措施

        行星架由于結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性的要求,必須設(shè)計(jì)成上述左輻板薄、右輻板厚、分體組裝或整體鑄造的結(jié)構(gòu),這樣銷軸也就不可避免地會(huì)在工作中有蠕動(dòng)的傾向。所以,單靠過盈來保持銷軸相對(duì)行星架的位置似乎是不夠的。往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)了,銷軸會(huì)慢慢向左冒出,且速度會(huì)越來越快,因?yàn)橹灰腥鋭?dòng),原先的過盈量就逐漸被破壞了。要解決以上失效問題,就必須額外給銷軸增加軸向定位,通常有以下幾種常用的做法:

        (1)材料選擇上,優(yōu)先采用整體球墨鑄鐵鑄造。分體結(jié)構(gòu)只在某些不得已情況下使用,比如對(duì)行星架右側(cè)和下一級(jí)零件連接強(qiáng)度有很高要求,鑄件完全達(dá)不到時(shí)。整體鑄造結(jié)構(gòu)可能會(huì)多出模具費(fèi)用,但小行星傳動(dòng)大都有一定的數(shù)量,只要做好模塊化設(shè)計(jì),還是很容易形成成本優(yōu)勢(shì)的。

        (2)結(jié)構(gòu)上一定要給銷軸增加軸向定位。常用的做法有:在左右輻板上打側(cè)面銷孔,一直打入到銷軸的深度,裝入定位銷軸向固定銷軸;可以兩側(cè)都打也可只打一側(cè);行星架左右輻板的銷軸孔兩端留空間用于安裝孔用彈性擋圈;或者銷軸一端通過軸肩定位,另一端采用孔用彈性擋圈定位。銷軸軸向蠕動(dòng)是緩慢的過程,力不一定大,所以無論是用定位銷還是孔用彈性擋圈都可以起到軸向定位作用。在改進(jìn)版的行星架設(shè)計(jì)中,新的定位結(jié)構(gòu)一直采用至今,再未發(fā)現(xiàn)同類型的失效問題,這說明設(shè)計(jì)改進(jìn)是完全有效而且充分的。

        4? ? 結(jié)語

        通過以上行星型結(jié)構(gòu)中銷軸失效案例的簡(jiǎn)要分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)階段做充分的模擬計(jì)算非常必要。但模擬計(jì)算都是在一定的假定、前提和簡(jiǎn)化條件下做出的理論計(jì)算,工程師們不能僅僅把計(jì)算中的這些因素當(dāng)成軟件的默認(rèn)前提條件,反而需要尤其關(guān)注這些條件,因?yàn)橛?jì)算結(jié)果的正確性恰恰是基于前提假設(shè)等因素的正確性。如果前提都不夠正確,那結(jié)果也不能完全讓人信服。有時(shí)候設(shè)計(jì)可能還離不開生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)理論的校正作用。

        本文中分析的案例來自筆者自身所在行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),根據(jù)工況的相似性,可以在一定程度上作為類似工況的行星結(jié)構(gòu)傳動(dòng)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)參考。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 凡晶梅.風(fēng)電小行星齒輪箱模塊化探討[J].機(jī)電信息,2020(27):143-144.

        [2] 饒振綱.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

        [3] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):齒輪傳動(dòng)[M].6版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

        [4] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

        收稿日期:2020-09-03

        作者簡(jiǎn)介:凡晶梅(1986—),女,河南人,工程師,南京高精傳動(dòng)設(shè)備集團(tuán)有限公司工藝主管,研究方向:風(fēng)電小行星齒輪箱制造工藝優(yōu)化和成本優(yōu)化。

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