旋轉(zhuǎn)閘門驅(qū)動(dòng)齒輪接觸有限元分析

江博君 顧曉峰 管義兵

（1.淮委治淮檔案館（治淮宣傳中心） 蚌埠 233001 2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 蘇州 215128）

1 引言

啟閉設(shè)備作為水工鋼閘門系統(tǒng)的主要組成部分之一，其長期正常運(yùn)行是保證整個(gè)閘門系統(tǒng)正常工作的重要前提。某旋轉(zhuǎn)閘門的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用一種新的行星齒輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行閘門啟閉，該齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中太陽輪直徑為10m，行星齒輪直徑為1.2m，啟閉方式新穎，驅(qū)動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸巨大，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分保證其齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。目前，在齒輪接觸分析的應(yīng)用中，劉麗竹等對(duì)斜齒輪副進(jìn)行了接觸分析和可靠度分析，最終提高了零部件的使用性能；田靜對(duì)齒輪齒面接觸進(jìn)行了強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終改善了齒輪的應(yīng)力分析情況；馮立艷對(duì)弧齒錐齒輪進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，最終得到了齒輪不同部位的有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。基于此，可采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)旋轉(zhuǎn)閘門驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行接觸有限元分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

2 旋轉(zhuǎn)閘門齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動(dòng)齒輪基本參數(shù)

以某大跨度旋轉(zhuǎn)扇形閘門齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，該齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由8 個(gè)行星齒輪和1 個(gè)太陽輪組成，其中，齒輪模數(shù)為50，壓力角為20°，太陽輪直徑10m，行星輪直徑1.2m，齒輪布置如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)齒輪布置圖

由于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大，工作環(huán)境較為惡劣，因此該齒輪系統(tǒng)材料選定為20CrMnTi，滲碳淬火，齒輪精度等級(jí)選擇7 級(jí)。根據(jù)材料力學(xué)及齒輪強(qiáng)度校核相關(guān)知識(shí)，查閱相關(guān)資料，可得齒輪許用齒面接觸疲勞強(qiáng)度均為1500MPa，太陽輪許用齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為563MPa，行星輪許用齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為438MPa。

2.2 驅(qū)動(dòng)齒輪有限元模型及邊界條件

由于接觸分析時(shí)模型屬于狀態(tài)非線性模型，計(jì)算時(shí)需要占用大量的計(jì)算機(jī)資源以及計(jì)算時(shí)間，因此對(duì)模型進(jìn)行簡化，選擇5 對(duì)輪齒進(jìn)行嚙合接觸分析。分析軟件選用ANSYS Workbench 中的static structural 模塊，模型均采用solid186 實(shí)體單元模擬，共劃分27.02 萬個(gè)六面體實(shí)體單元，有限元模型如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)齒輪有限元模型圖

根據(jù)閘門設(shè)計(jì)資料，在閘門啟閉過程中，每個(gè)行星齒輪受到的最大阻力矩為1637kN·m。由于水壓力、重力以及溫差的作用，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，閘門圓盤以及連接在圓盤上的大齒輪會(huì)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角，由靜力分析可知圓盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中大齒輪偏角α 最大不超過0.246°（擋水時(shí)圓盤最大偏角）。為了保證驅(qū)動(dòng)齒輪的安全，取行星齒輪驅(qū)動(dòng)扭矩為1637kN·m，太陽輪偏角α=0°和α=0.25°分別對(duì)齒輪進(jìn)行接觸分析校核其強(qiáng)度。

在ANSYS Workbench 中分析的時(shí)候，太陽輪內(nèi)圈施加固定約束，小齒輪釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并約束其余所有自由度，齒面接觸部位施加摩擦接觸，摩擦系數(shù)μ=0.1；在行星齒輪內(nèi)圈施加驅(qū)動(dòng)扭矩M=1637kN·m，如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)齒輪約束及荷載施加圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過對(duì)兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角度下的驅(qū)動(dòng)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了接觸有限元分析，最終可得到0°偏角其齒面接觸應(yīng)力云圖和齒根彎曲應(yīng)力云圖分別如圖4、圖5 所示，0.25°偏角其齒面接觸應(yīng)力云圖和齒根彎曲應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7 所示，圖中應(yīng)力單位均為Pa。

圖4 0°偏角驅(qū)動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力云圖

圖5 0°偏角驅(qū)動(dòng)齒輪齒根彎曲應(yīng)力云圖

圖6 0.25°偏角驅(qū)動(dòng)齒輪齒面接觸應(yīng)力云圖

圖7 0.25°偏角驅(qū)動(dòng)齒輪齒根彎曲應(yīng)力云圖

由以上分析結(jié)果可以看出，當(dāng)偏角為0°時(shí)，太陽輪最大齒面接觸應(yīng)力為310.4MPa，最大齒根彎曲應(yīng)力為240.6MPa，行星齒輪最大齒面接觸應(yīng)力為352.9MPa，最大齒根彎曲應(yīng)力為306.3MPa，均小于許用值，滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)偏角為0.25°時(shí)，太陽輪最大齒面接觸應(yīng)力為684.7MPa，最大齒根彎曲應(yīng)力為261.8MPa，行星齒輪最大齒面接觸應(yīng)力為1128.5MPa，最大齒根彎曲應(yīng)力為311.6MPa，均小于許用值，滿足強(qiáng)度要求。但通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏角為0.25°時(shí)，齒面嚙合區(qū)域偏向一側(cè)，齒根彎曲應(yīng)力稍微有所增加，齒面接觸應(yīng)力增加明顯，邊緣效應(yīng)突出，接觸應(yīng)力較大，有可能發(fā)生冷膠合失效，因此需要對(duì)齒廓進(jìn)行適當(dāng)?shù)凝X向修形。

通過對(duì)驅(qū)動(dòng)齒輪齒廓修形之后，再次對(duì)兩個(gè)偏角下的齒輪進(jìn)行了接觸有限元分析，可得兩個(gè)偏角下星輪齒輪的接觸應(yīng)力云圖分別如圖8、圖9 所示。

由圖8 和圖9 可以看出，當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)齒輪齒廓修形之后，在0°偏角時(shí)，行星齒輪齒面最大接觸應(yīng)力為383.3MPa，在0.25°偏角時(shí)，行星齒輪齒面最大接觸應(yīng)力為400.4MPa，兩者均較修形前有大幅度降低，大大地改善了驅(qū)動(dòng)齒輪系統(tǒng)的受力分布情況。

圖8 0°偏角行星齒輪齒面應(yīng)力云圖

圖9 0.25°偏角行星齒輪齒面應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)閘門齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為該類閘門的一種新型驅(qū)動(dòng)方式，其齒輪長期正常運(yùn)行是保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壽命的重要前提。基于此，采用有限元軟件ANSYS Workbench 對(duì)該驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行了接觸有限元分析，分析結(jié)果如下：

（1）在齒輪修形前，兩個(gè)偏角下工作的驅(qū)動(dòng)齒輪齒面最大接觸應(yīng)力和齒根最大彎曲應(yīng)力均滿足要求，但當(dāng)偏角為0.25°時(shí)，太陽輪和行星齒輪的齒面最大接觸應(yīng)力均比較大，應(yīng)力分布不均勻，容易致使齒面接觸疲勞破壞，降低整個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的壽命。

（2）在齒輪修形后，兩個(gè)偏角下工作的驅(qū)動(dòng)齒輪齒面最大接觸應(yīng)力均有大幅度降低，大大降低了驅(qū)動(dòng)齒輪接觸疲勞破壞的可能性，有效地提高驅(qū)動(dòng)齒輪系統(tǒng)的工作壽命。

（3）對(duì)旋轉(zhuǎn)閘門驅(qū)動(dòng)齒輪的分析可為類似閘門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究提供參考借鑒■