可控啟動裝置齒輪箱行星輪系壽命分析*

曹保林,師理智,張云波,劉混舉

(1.山西維達(dá)機(jī)械制造有限公司，山西 太原 030032； 2.太原理工大學(xué) 煤礦綜采裝備省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

0 引言

可控啟動裝置(Controlled Start Transmission，CST)可實(shí)現(xiàn)重型刮板輸送機(jī)平穩(wěn)啟動及制動，該裝置齒輪箱的行星齒輪傳動與負(fù)載鏈輪直接相連，承受沖擊載荷，故其故障多以疲勞破壞為主。預(yù)測行星輪系的疲勞壽命的主要方法有統(tǒng)計學(xué)[1]、有限元分析等方法[2-4]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計方法廣泛地被應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)過程中，提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地測取齒輪疲勞壽命的數(shù)值模擬方法。本文基于有限元仿真方法對CST齒輪箱行星輪系的疲勞壽命進(jìn)行研究，并分析對比使用國內(nèi)不同優(yōu)質(zhì)齒輪材料20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6時齒輪的疲勞壽命。

1 疲勞壽命分析模型

1.1 疲勞分析方法

名義應(yīng)力法(Nominal Stress Method )即以應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)為參數(shù)，以材料或零部件的S-N曲線描述材料的疲勞特性，根據(jù)零部件的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，基于S-N曲線用疲勞損傷累積理論進(jìn)行疲勞壽命計算[5]。行星齒輪傳動時的循環(huán)應(yīng)力要低于材料的屈服極限，屬于高周疲勞問題，一般采用名義應(yīng)力法來分析齒輪的疲勞損傷問題。

圖1為名義應(yīng)力法疲勞壽命估算的方法，其主要步驟如下：①根據(jù)有限元分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)中疲勞危險位置；②根據(jù)通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬得到的載荷譜確定危險部位的名義應(yīng)力譜；③綜合考慮有應(yīng)力集中情況、尺寸系數(shù)、表面條件等因素影響的材料S-N曲線等性能，選取一種適宜的累積損傷理論，并以此進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計。

1.2 疲勞壽命分析模型

評估零件的疲勞壽命可采用疲勞分析軟件ncode Design Life，在對零件進(jìn)行疲勞壽命分析時，按照圖2搭建齒輪疲勞壽命分析平臺，并按照數(shù)據(jù)之間的傳輸關(guān)系將FE有限元結(jié)果輸入模塊、S-N材料性能設(shè)置模塊、后處理模塊連接起來。

圖2 疲勞壽命分析流程圖

將瞬態(tài)動力學(xué)所得到的應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入FE有限元結(jié)果輸入模塊中，如圖3所示。

圖3 行星輪系整體應(yīng)力云圖

材料屬性的設(shè)置是疲勞壽命分析正確的關(guān)鍵，本文選用材料為18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6和20Cr2Ni4A并對3種材料的齒輪疲勞壽命值進(jìn)行對比，這3種材料的主要性能參數(shù)如表1所示[6]。在材料性能設(shè)置模塊設(shè)置20Cr2Ni4A材料參數(shù)，得到的材料S-N曲線如圖4所示。其余兩種材料使用相同方法進(jìn)行設(shè)置。

利用時間步進(jìn)行疲勞壽命分析的載荷加載，可直接導(dǎo)入有限元每個位置的應(yīng)力分析結(jié)果[7]。載荷數(shù)據(jù)如圖5所示。

表1 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6的材料屬性

圖4 20Cr2Ni4A材料的S-N曲線

圖5 載荷數(shù)據(jù)

在進(jìn)行仿真的時候需要設(shè)置一些參數(shù)，本文中使用最大值絕對主應(yīng)力損傷變量來估算疲勞壽命值，設(shè)置無應(yīng)力修正、存活率等仿真參數(shù)，具體如圖6所示。

圖6 仿真參數(shù)設(shè)置

2 仿真結(jié)果分析

使用ncode Design Life能夠得到壽命分布與損傷分布云圖，從中可以看出結(jié)構(gòu)中最薄弱位置，還可以獲得疲勞壽命等參數(shù)。對所建立的疲勞壽命模型進(jìn)行分析，得到行星輪系材料為20Cr2Ni4A的嚙合齒輪副壽命分布云圖和疲勞損傷云圖，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出:容易疲勞的地方在行星輪與內(nèi)齒圈的嚙合處，其中最先發(fā)生疲勞失效的部位是內(nèi)齒圈輪齒嚙合區(qū)域；同時可得編號為134 966的節(jié)點(diǎn)最先發(fā)生失效，其最小疲勞壽命值為7.734×106周次，疲勞損傷值為1.293×10-7。

圖7材料為20Cr2Ni4A齒輪副的疲勞壽命分布云圖圖8材料為20Cr2Ni4A齒輪副的疲勞損傷云圖

通過修改材料屬性，可得到18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6材料齒輪的疲勞壽命，如圖9所示。材料為18Cr2Ni4W和18CrNiMo7-6齒輪副的最小疲勞壽命值分別為4.294×106次和1.011×107次。通過對比，在所受應(yīng)力相同時，采用18CrNiMo7-6材料的齒輪疲勞壽命值最大，但比國外的同類型低碳合金鋼齒輪的疲勞壽命要低很多[8]。

圖9 材料為18Cr2Ni4W和18CrNiMo7-6齒輪副的疲勞壽命分布云圖

3 結(jié)語

本文建立了可控啟動裝置CST的疲勞壽命分析模型，設(shè)置不同的材料參數(shù)進(jìn)行仿真，得到材料為18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6與20Cr2Ni4A時齒輪副的最小疲勞壽命值，對比可知，材料為18CrNiMo7-6的齒輪疲勞壽命值最大。