新型軟啟動行星減速器結構分析

齊秀麗，鞠彬，王軍，劉洋

1.山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590 2.棗莊科技職業學院機械數控部，山東棗莊 277500

新型軟啟動行星減速器結構分析

齊秀麗1，鞠彬1，王軍2，劉洋1

1.山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590 2.棗莊科技職業學院機械數控部，山東棗莊 277500

軟啟動技術主要是指機械系統在滿載的狀況下能夠按照要求解決整個系統的慣性并且平穩地啟動或停車，以緩解電動機對機械傳動系統和運輸帶的啟動沖擊，延長各個部件的使用壽命。利用汽車差速器結構特點和工作原理對軟啟動傳動機構中行星輪系進行了結構優化設計，并通過ANSYS軟件分析方法對錐齒輪嚙合部分進行了彎曲應力分析，滿足生產要求。

行星減速器；軟啟動；差速器；彎曲應力；ANSYS

隨著現代工業的飛速發展，煤礦生產能力的不斷提高，礦用帶式輸送機的運量不斷加大、重載機械設備不斷大型化。雖然國內礦產機械設備在大功率、可靠性等方面有著一些成熟的研究和理論，但是相對國外的產品還有很大差距，尤其是在大型的帶式輸送機的負載起動時，引起的沖擊對設備的壽命及其穩定性造成了極大的影響［1］。目前國內外都是采用軟啟動的方法來克服大型設備負載起動時所造成的破壞性沖擊，使機器能安全平穩的啟動運行。軟啟動裝置的主要功能是使電動機在負載的工況下能夠平穩啟動，緩解了電流沖擊對電動機造成的損壞；因此研究更加穩定可靠的軟啟動裝置是提高煤礦生產能力和保障煤炭安全生產和運輸的關鍵問題所在［2～3］。

1 行星減速器的設計

目前國內的軟啟動設備結構體積較大，運輸安裝不方便，功能上存在應急能力差、轉速波動大、噪聲大等方面的缺陷，無法滿足一些企業的特定要求。本文通過對差速器結構進行改進，使其實現軟啟動的效果。汽車差速器工作原理如圖1所示，輸入軸提供動力，帶動差速器側面錐形齒輪轉動，2個行星齒輪既可以圍繞自身中心線自轉，又可以圍繞兩輸出軸線公轉。利用兩行星輪的這一轉動特點，可實現兩輸出軸輸出不同的轉速，從而避免了汽車轉彎時內側驅動輪出現打滑現象。

圖1 汽車差速器工作原理

利用汽車差速器的工作原理，設計了軟啟動行星減速器裝置，工作原理圖如圖2所示［4］。輸出軸3連接負載，啟動前處于靜止狀態，電動機帶動輸入軸1轉動，由于輸出軸3處于負載狀態，輸出軸不轉動，導致行星輪4既自轉，又圍繞太陽輪5中心線公轉，并且帶動控制軸2轉動。雖然輸出軸3處于負載狀態，但電動機啟動時卻相當于空載啟動。當電動機啟動起后，利用液壓裝置逐漸壓緊控制軸2端部的摩擦片，致使控制軸的旋轉速由最高減小到零。此時，輸出軸3的轉速隨著控制軸2的轉速減小而增大，直至最高轉速，從而實現了在負載狀態下轉速由零到正常轉速的功能，達到軟啟動效果。

圖2 軟啟動行星減速器工作原理

圖3 各軸轉速

在整個軟啟動過程中，各個軸的轉速方向和大小如圖3所示。0～t1是電動機啟動階段，t1～t2是輸出軸啟動階段。在0～t1階段，輸入軸、控制軸以及行星輪（自轉）轉速分別達從0到達最高轉速；在t1時刻時，啟動液壓裝置壓緊控制軸端部的摩擦片，使控制軸的轉速開始降低，直至減小到0；與此同時，行星輪自轉速度開始降低，輸出軸開始轉動；當行星輪自轉速度減小到0時，控制軸和輸出軸的轉速相等；之后，行星輪轉速變向，并隨著控制軸的轉速降低而增加，直至輸出軸達到最高速，至此，整個軟啟動過程結束。由圖3可知，在t1～t2階段，負載開始啟動，但輸入軸的轉速幾乎保持穩定狀態，從而保證了電動機在負載狀態啟動下不會受到沖擊振蕩的影響。

2 錐齒齒根彎曲強度分析

行星齒輪尺寸受結構限制，承受的載荷較大，在承受載荷時，在齒根處產生的彎曲應力最大。當輪齒工作時受到交變應力重復作用，受拉一側的齒根處會產生疲勞裂紋，隨著時間的增長疲勞裂紋將不斷擴展，最終導致齒輪彎曲疲勞折斷。因此文中利用ANSYS有限元分析軟件對行星齒輪齒根彎曲應力進行強度校核［5］。

文中選定錐齒輪材料為剛性材料45鋼，彈性模量為Ex＝2.1e×105MPa，泊松比取μ＝0.3。整個模型劃分為148 850個節點和37 886個單元，其中在輪齒的嚙合線上自由劃分了546個節點。為使結果更加精確，在兩齒輪嚙合處的重點部位即齒根處進行了網格的細化，細化的節點都分布在齒輪之間的嚙合線處，模型劃分的網格如圖4所示［6～8］。

圖4 錐齒輪對網格劃分模型

行星齒輪有限元模型嚙合時的受力包含3個部分（集中力、面力和體力），根據錐齒輪之間的嚙合受力情況，為了使得計算簡化，假定載荷在齒寬中點處加載，并選取模數為中點處的模數，在齒輪嚙合線處加載為33 369.6 N·m。文中齒輪嚙合接觸面處選擇接觸單元為CONTA173，目標單元為TARGE170。

分析結束后，從ANSYS后處理模塊中調取行星錐齒輪嚙合時齒輪彎曲應力和應變相關的圖形、數據，如圖5、6所示。

圖5 彎曲應力分布

圖6 應變分布

由圖5彎曲應力分布圖可知，行星錐齒輪輪齒的最大彎曲應力發生在齒輪的嚙合線處且最大彎曲應力為1 225.7 MPa。

錐齒輪齒根許用彎曲疲勞計算公式：

式中：δFlim為齒輪材料彎曲疲勞強度值，取550 MPa；YSF為尺寸系數，取2；Yn為輪齒的壽命系數，取2.5；δFmin為輪齒齒根最小抗彎強度安全系數，取1.3。

將上述取值代入公式計算行星齒輪齒根的許用彎曲疲勞應力δFw＝2 115.38 MPa。

實際齒根彎曲強度計算公式：

計算得：

因此文中利用ANSYS分析所得彎曲應力1 225.7 MPa，而通過傳統方法計算的最大彎曲校核強度為1 141.428 MPa，兩者非常吻合。

在圖6錐齒輪對的應變分布云圖中，應變最大量發生在行星錐齒輪齒頂位移處，最大應變為0.193 37 mm，仍在許用應變范圍內，符合技術要求。［9～10］。

3 結束語

通過對差速器結構進行改進，設計了軟啟動行星減速器，該軟啟動裝置具有體積小、調速平衡、調節靈敏、應用范圍廣泛等優點。通過有限元ANASYS軟件對行星錐齒輪進行彎曲強度校核，結果符合技術要求。利用有限元分析軟件進行分析，為今后軟啟動減速器設計分析提供了重要的參考依據。

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Structural analysis of a new type of soft start planetary reducer

QI Xiuli1，JU Bin1，WANG Jun2，LIU Yang1
1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China 2.Mechanical CNC Department，Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，Zaozhuang 277500，China

The soft start technology mainly refers to a mechanical system，which is able to solve the inertia of the whole system，and start or stop smoothly as requested in full load condition.The soft start device can alleviate the impact brought by electromotor on the mechanical transmission system and conveyor belt during the starting process，and prolong the service life of the parts.Combining structural characteristics and working principle of automobile differential mechanism，an optimization design was carried out on the planetary gear train in this paper.Bend stress analysis using ANSYS software shows that the soft start reducer can meet the production requirement well.

planetary reducer；soft start technology；differential；bend stress；ANSYS

TD403

A

1009-671X（2014）05-067-03

10.3969／j.issn.1009-671X.201403004

2014-03-11.

日期：2014-09-26.

齊秀麗（1957-），女，教授；

鞠彬（1988-），男，碩士研究生.

鞠彬，E-mail：skdjubin2008＠163.com.

?http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201403004.html