一、大型行星減速器行星結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象
行星輪齒面微裂紋：由于行星結(jié)構(gòu)均載性的影響，微觀上各行星輪受力實(shí)時變化，雖然行星齒面為硬齒面齒輪，但因長期受力不均衡，會使齒面加大磨損，齒面油膜形成發(fā)生變化，這引起齒 面長期運(yùn)轉(zhuǎn)后易產(chǎn)生微裂紋。
行星輪軸承損壞： 大型行星減速器行星輪軸一般設(shè)計為調(diào)心滾子軸承， 可適應(yīng)于行星輪偏斜，但長期運(yùn)行過程中，常出現(xiàn)軸承滾子劃傷、磨損加劇，或者保持架損壞、軸承外圈斷裂等現(xiàn)象，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計要求。
行星輪內(nèi)孔疲勞裂紋：行星輪長期運(yùn)行后，常出現(xiàn)行星齒輪內(nèi)孔拉傷或疲勞裂紋。如圖 1，斷口形貌具有典型的疲勞斷裂特征，在行星輪內(nèi)孔處有輝狀紋路，其收斂于內(nèi)孔淺表層，屬于裂紋起源區(qū)，裂紋擴(kuò)散并最終與齒槽附近快速斷裂形成粗糙的撕裂區(qū)。
圖 1 某大型行星減速器行星輪內(nèi)孔疲勞裂紋
行星輪軸承外圈滑動： 行星輪內(nèi)孔與軸承外圈配合一般為過盈配合，裝配過程中采取加熱烘裝方式，但在損壞的某型行星減速器中， 發(fā)現(xiàn)行星輪外圈滑動，而載荷并沒有出現(xiàn)突變。圖2是某型行星輪內(nèi)孔滑動痕跡，圖3是行星輪軸承外圈痕跡。
圖2 某型行星減速器行星輪內(nèi)孔痕跡
圖 3 某型行星減速器行星軸承外圈痕跡
二、微觀原因分析
行星傳動均載系數(shù)影響： 行星傳動的均載系數(shù)通常受到行星架行星安裝孔位置度的制造精度、行星輪重量偏差，行星滾動軸承間隙、行星輪內(nèi)孔配合等多方面因素影響，使均載系數(shù)超出原設(shè)計 輸入?yún)?shù)。行星輪在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時，行星輪受力不斷發(fā)生變化，引起瞬間沖擊，減少行星傳動使用壽命。瞬間沖擊帶來的扭矩變化，超出原行星輪在額定負(fù)荷的計算要求，行星傳動實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中已超出了設(shè)計的傳扭能力，長期運(yùn)轉(zhuǎn)后瞬間沖擊將發(fā)生幾何數(shù)量級增長。
行星輪壁厚影響：在常規(guī)設(shè)計手冊中，行星輪內(nèi)孔的壁厚通常是齒輪模數(shù)的2.5-4 倍，這種設(shè)計規(guī)范是基于原中小型齒輪傳動長期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬，但行星傳動向大型化方向發(fā)展時，行星輪內(nèi)孔逐步增大，傳扭能力也相應(yīng)加大，使原壁厚設(shè)計理論留下了一定的局限。行星輪內(nèi)孔壁厚在受力逐步增大情況下，其變形將加劇，引起行星軸承受到額外的附加力。
行星軸承壽命計算影響：行星輪軸承設(shè)計計算時，通常采取額定負(fù)荷或最大負(fù)荷計算行星輪軸承，但在瞬間沖擊時，行星輪的實(shí)際負(fù)荷將遠(yuǎn)超出最大負(fù)荷，雖然留有安全裕度，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到行星軸承瞬間沖擊的要求。長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，行星輪軸承壽命將大幅度縮短，無法達(dá)到減速器的使用要求。應(yīng)綜合考慮持續(xù)瞬間沖擊的影響。
行星輪內(nèi)孔微觀變形： 行星輪運(yùn)轉(zhuǎn)中，理論上行星輪齒面是除受到內(nèi)齒圈和太陽輪的扭矩外，內(nèi)孔只承受行星輪軸承切向力，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于行星安裝孔的位置精度影響，內(nèi)孔持續(xù)發(fā)生變化，行星輪內(nèi)孔微小變形，形成一個橢圓，通過不斷的周期性橢圓，行星輪軸承外圈受到周期性的外力，使行星輪軸承繞行星內(nèi)孔滑動，使齒輪嚙合發(fā)生變化。
瞬間沖擊影響： 大型行星減速機(jī)長期使用過程中的瞬間沖擊數(shù)據(jù)還無法準(zhǔn)確掌握，但瞬間沖擊對行星齒輪造成的影響非常大，現(xiàn)基于瞬間沖擊t為沖擊產(chǎn)生時間，可通過瞬間扭矩按下列公式進(jìn)行計算。
三、有限元仿真分析
有限元模型建立：大型行星減速器二級行星結(jié)構(gòu)中，二級行星輪受力最復(fù)雜，受影響最大，對二級行星輪進(jìn)行研究，可以解決二級行星結(jié)構(gòu)可靠性關(guān)鍵技術(shù)。因此，本文只對二級行星輪作為有限元研究重點(diǎn)，忽略行星架的影響。 以某大型行星減速器二級行星輪進(jìn)行有限元模型建立，齒輪主要參數(shù)為:模數(shù)Mn:14mm，齒數(shù)Z:42,齒頂圓直徑:ф622.62mm,內(nèi)孔直徑:ф440,齒寬:300mm,材料:17CrNiMo6，將齒輪嚙合力轉(zhuǎn)化到行星輪軸承受力為430kN。三維模型見圖 4。
圖 4 某大型行星減速器行星輪三維模型
通過網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，齒部嚙合放大圖見圖 5。
圖 5 齒部嚙合放大圖
有限元計算結(jié)果：①應(yīng)力計算結(jié)果。結(jié)果顯示見圖 6：吊裝孔處最大等效應(yīng)力約91.229MPa，齒根處應(yīng)力最大約95.197MPa，最大應(yīng)力位于齒面約344.17MPa。而17CrNiMo6 材料的拉伸屈服點(diǎn)為850MPa。雖然吊裝孔、輪齒齒根處應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服點(diǎn)，但通過分析，此二處仍然為輪齒應(yīng)力集中部位。
圖 6 有限元計算應(yīng)力仿真圖
②變形結(jié)果。通過仿真分析，忽略軸承對行星輪內(nèi)孔的影響，其最大變形為0.104mm，軸承受力方向最大，與受力方向垂直的變形也達(dá)到0.04mm，行星輪內(nèi)孔在受力情況下是橢圓。變形詳見圖 7。
圖 7 有限元計算變形仿真圖
同一外徑下壁厚變化影響：在相同的齒輪模數(shù)與齒數(shù)下，將行星輪齒根與內(nèi)孔的壁厚按2.5Mn、3Mn、3.5Mn、4Mn 進(jìn)行分析計算，計算齒根處的應(yīng)力變化。
以上述二級行星輪為例進(jìn)行三維模型設(shè)計，齒形應(yīng)力見圖 8，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，計算結(jié)果如表 1。
圖 8 有齒形應(yīng)力仿真圖
經(jīng)過分析，將直徑小于3.9之后，齒根應(yīng)力的變化就很微小，內(nèi)孔變形量也可忽略不計，因此，大型行星齒輪減速器的行星輪壁厚在設(shè)計時，應(yīng)控制在3.9-4.2Mn時，確保內(nèi)孔變形滿足要求。
表1 壁厚變化計算結(jié)果
四、解決方案
增加行星內(nèi)孔壁厚：適當(dāng)增加二級行星輪的壁厚，提高壁厚模數(shù)比，增強(qiáng)二級行星輪的剛度。增大吊裝孔距離齒根的距離，改善受力情況。
調(diào)整行星輪軸承壽命計算： 行星軸軸承計算時，適當(dāng)增加沖擊系數(shù)，在原沖擊系數(shù)的基礎(chǔ)上，增加可靠性系數(shù)，提高行星輪軸承承受長期瞬間沖擊的能力。
提高行星輪內(nèi)孔公差： 根據(jù)行星輪溫升的情況，適當(dāng)提高行星輪公差的過盈配合，避免因行星輪溫升導(dǎo)致發(fā)生行星輪軸承的外圈滑動。
基于瞬間沖擊的齒輪強(qiáng)度計算： 長期不穩(wěn)定瞬間沖擊，將使硬齒面齒輪齒面發(fā)生微裂紋，因此，在計算齒輪強(qiáng)度時，對于接觸安全系數(shù)也應(yīng)進(jìn)一步提高，減少齒面的功率密度，提高長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。
加大潤滑冷卻： 加大潤滑冷卻，進(jìn)一步降低行星輪運(yùn)轉(zhuǎn)后溫升對行星軸承的影響，可有效提高長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，而且對于齒面微裂紋改善也有積極作用。
優(yōu)化零部件制造： 加工和裝配誤差，以及裝配時清潔度不夠等因素也可能導(dǎo)致行星級均載出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致行星輪始終處于超負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行。因此，制造過程中要特別關(guān)注行星輪的加 工質(zhì)量和裝配清潔度。尤其是內(nèi)孔表面質(zhì)量是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素之一，影響系數(shù)如表2所示。
表 2 影響系數(shù)
五、結(jié)論
本文通過對大型行星齒輪減速器行星輪損壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，利用有限元技術(shù)，對行星輪損壞進(jìn)行了理論分析與剖析，提出了行星減速器可靠性提升的設(shè)計與制造解決方案，可廣泛應(yīng)用于大型行星齒輪減速器的可靠性提升。