旋转闸门驱动齿轮接触有限元分析

江博君 顾晓峰 管义兵

（1.淮委治淮档案馆（治淮宣传中心） 蚌埠 233001 2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 苏州 215128）

1 引言

启闭设备作为水工钢闸门系统的主要组成部分之一，其长期正常运行是保证整个闸门系统正常工作的重要前提。某旋转闸门的驱动系统采用一种新的行星齿轮驱动方式进行闸门启闭，该齿轮驱动系统中太阳轮直径为10m，行星齿轮直径为1.2m，启闭方式新颖，驱动齿轮结构尺寸巨大，因此在设计过程中应充分保证其齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。目前，在齿轮接触分析的应用中，刘丽竹等对斜齿轮副进行了接触分析和可靠度分析，最终提高了零部件的使用性能；田静对齿轮齿面接触进行了强度分析和结构优化，最终改善了齿轮的应力分析情况；冯立艳对弧齿锥齿轮进行了动态仿真，最终得到了齿轮不同部位的有效应力随时间的变化规律。基于此，可采用有限元分析软件ANSYS Workbench 对旋转闸门驱动齿轮进行接触有限元分析，并根据计算结果对齿轮结构进行适当优化。

2 旋转闸门齿轮驱动系统

2.1 驱动齿轮基本参数

以某大跨度旋转扇形闸门齿轮驱动系统为研究对象，该齿轮驱动系统由8 个行星齿轮和1 个太阳轮组成，其中，齿轮模数为50，压力角为20°，太阳轮直径10m，行星轮直径1.2m，齿轮布置如图1所示。

图1 驱动齿轮布置图

由于该驱动系统齿轮结构尺寸较大，工作环境较为恶劣，因此该齿轮系统材料选定为20CrMnTi，渗碳淬火，齿轮精度等级选择7 级。根据材料力学及齿轮强度校核相关知识，查阅相关资料，可得齿轮许用齿面接触疲劳强度均为1500MPa，太阳轮许用齿根弯曲疲劳强度为563MPa，行星轮许用齿根弯曲疲劳强度为438MPa。

2.2 驱动齿轮有限元模型及边界条件

由于接触分析时模型属于状态非线性模型，计算时需要占用大量的计算机资源以及计算时间，因此对模型进行简化，选择5 对轮齿进行啮合接触分析。分析软件选用ANSYS Workbench 中的static structural 模块，模型均采用solid186 实体单元模拟，共划分27.02 万个六面体实体单元，有限元模型如图2 所示。

图2 驱动齿轮有限元模型图

根据闸门设计资料，在闸门启闭过程中，每个行星齿轮受到的最大阻力矩为1637kN·m。由于水压力、重力以及温差的作用，在转动过程中，闸门圆盘以及连接在圆盘上的大齿轮会产生一定的偏转角，由静力分析可知圆盘在转动过程中大齿轮偏角α 最大不超过0.246°（挡水时圆盘最大偏角）。为了保证驱动齿轮的安全，取行星齿轮驱动扭矩为1637kN·m，太阳轮偏角α=0°和α=0.25°分别对齿轮进行接触分析校核其强度。

在ANSYS Workbench 中分析的时候，太阳轮内圈施加固定约束，小齿轮释放轴向转动自由度，并约束其余所有自由度，齿面接触部位施加摩擦接触，摩擦系数µ=0.1；在行星齿轮内圈施加驱动扭矩M=1637kN·m，如图3 所示。

图3 驱动齿轮约束及荷载施加图

3 计算结果与分析

通过对两个偏转角度下的驱动齿轮系统进行了接触有限元分析，最终可得到0°偏角其齿面接触应力云图和齿根弯曲应力云图分别如图4、图5 所示，0.25°偏角其齿面接触应力云图和齿根弯曲应力云图分别如图6、图7 所示，图中应力单位均为Pa。

图4 0°偏角驱动齿轮接触应力云图

图5 0°偏角驱动齿轮齿根弯曲应力云图

图6 0.25°偏角驱动齿轮齿面接触应力云图

图7 0.25°偏角驱动齿轮齿根弯曲应力云图

由以上分析结果可以看出，当偏角为0°时，太阳轮最大齿面接触应力为310.4MPa，最大齿根弯曲应力为240.6MPa，行星齿轮最大齿面接触应力为352.9MPa，最大齿根弯曲应力为306.3MPa，均小于许用值，满足强度要求。当偏角为0.25°时，太阳轮最大齿面接触应力为684.7MPa，最大齿根弯曲应力为261.8MPa，行星齿轮最大齿面接触应力为1128.5MPa，最大齿根弯曲应力为311.6MPa，均小于许用值，满足强度要求。但通过对比可以发现，当偏角为0.25°时，齿面啮合区域偏向一侧，齿根弯曲应力稍微有所增加，齿面接触应力增加明显，边缘效应突出，接触应力较大，有可能发生冷胶合失效，因此需要对齿廓进行适当的齿向修形。

通过对驱动齿轮齿廓修形之后，再次对两个偏角下的齿轮进行了接触有限元分析，可得两个偏角下星轮齿轮的接触应力云图分别如图8、图9 所示。

由图8 和图9 可以看出，当对驱动齿轮齿廓修形之后，在0°偏角时，行星齿轮齿面最大接触应力为383.3MPa，在0.25°偏角时，行星齿轮齿面最大接触应力为400.4MPa，两者均较修形前有大幅度降低，大大地改善了驱动齿轮系统的受力分布情况。

图8 0°偏角行星齿轮齿面应力云图

图9 0.25°偏角行星齿轮齿面应力云图

4 结论

旋转闸门齿轮驱动系统作为该类闸门的一种新型驱动方式，其齿轮长期正常运行是保证整个驱动系统寿命的重要前提。基于此，采用有限元软件ANSYS Workbench 对该驱动齿轮进行了接触有限元分析，分析结果如下：

（1）在齿轮修形前，两个偏角下工作的驱动齿轮齿面最大接触应力和齿根最大弯曲应力均满足要求，但当偏角为0.25°时，太阳轮和行星齿轮的齿面最大接触应力均比较大，应力分布不均匀，容易致使齿面接触疲劳破坏，降低整个齿轮驱动系统的寿命。

（2）在齿轮修形后，两个偏角下工作的驱动齿轮齿面最大接触应力均有大幅度降低，大大降低了驱动齿轮接触疲劳破坏的可能性，有效地提高驱动齿轮系统的工作寿命。

（3）对旋转闸门驱动齿轮的分析可为类似闸门驱动系统的研究提供参考借鉴■