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。