可控启动装置齿轮箱行星轮系寿命分析*

曹保林,师理智,张云波,刘混举

(1.山西维达机械制造有限公司，山西 太原 030032； 2.太原理工大学 煤矿综采装备省重点实验室，山西 太原 030024)

0 引言

可控启动装置(Controlled Start Transmission，CST)可实现重型刮板输送机平稳启动及制动，该装置齿轮箱的行星齿轮传动与负载链轮直接相连，承受冲击载荷，故其故障多以疲劳破坏为主。预测行星轮系的疲劳寿命的主要方法有统计学[1]、有限元分析等方法[2-4]。随着计算机技术的发展，现代设计方法广泛地被应用于产品的开发过程中，提供了一种快速、经济、准确地测取齿轮疲劳寿命的数值模拟方法。本文基于有限元仿真方法对CST齿轮箱行星轮系的疲劳寿命进行研究，并分析对比使用国内不同优质齿轮材料20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6时齿轮的疲劳寿命。

1 疲劳寿命分析模型

1.1 疲劳分析方法

名义应力法(Nominal Stress Method )即以应力和应力集中系数为参数，以材料或零部件的S-N曲线描述材料的疲劳特性，根据零部件的名义应力和应力集中系数，基于S-N曲线用疲劳损伤累积理论进行疲劳寿命计算[5]。行星齿轮传动时的循环应力要低于材料的屈服极限，属于高周疲劳问题，一般采用名义应力法来分析齿轮的疲劳损伤问题。

图1为名义应力法疲劳寿命估算的方法，其主要步骤如下：①根据有限元分析结果确定结构中疲劳危险位置；②根据通过试验及数值模拟得到的载荷谱确定危险部位的名义应力谱；③综合考虑有应力集中情况、尺寸系数、表面条件等因素影响的材料S-N曲线等性能，选取一种适宜的累积损伤理论，并以此进行疲劳强度设计。

1.2 疲劳寿命分析模型

评估零件的疲劳寿命可采用疲劳分析软件ncode Design Life，在对零件进行疲劳寿命分析时，按照图2搭建齿轮疲劳寿命分析平台，并按照数据之间的传输关系将FE有限元结果输入模块、S-N材料性能设置模块、后处理模块连接起来。

图2 疲劳寿命分析流程图

将瞬态动力学所得到的应力分析结果导入FE有限元结果输入模块中，如图3所示。

图3 行星轮系整体应力云图

材料属性的设置是疲劳寿命分析正确的关键，本文选用材料为18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6和20Cr2Ni4A并对3种材料的齿轮疲劳寿命值进行对比，这3种材料的主要性能参数如表1所示[6]。在材料性能设置模块设置20Cr2Ni4A材料参数，得到的材料S-N曲线如图4所示。其余两种材料使用相同方法进行设置。

利用时间步进行疲劳寿命分析的载荷加载，可直接导入有限元每个位置的应力分析结果[7]。载荷数据如图5所示。

表1 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6的材料属性

图4 20Cr2Ni4A材料的S-N曲线

图5 载荷数据

在进行仿真的时候需要设置一些参数，本文中使用最大值绝对主应力损伤变量来估算疲劳寿命值，设置无应力修正、存活率等仿真参数，具体如图6所示。

图6 仿真参数设置

2 仿真结果分析

使用ncode Design Life能够得到寿命分布与损伤分布云图，从中可以看出结构中最薄弱位置，还可以获得疲劳寿命等参数。对所建立的疲劳寿命模型进行分析，得到行星轮系材料为20Cr2Ni4A的啮合齿轮副寿命分布云图和疲劳损伤云图，如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出:容易疲劳的地方在行星轮与内齿圈的啮合处，其中最先发生疲劳失效的部位是内齿圈轮齿啮合区域；同时可得编号为134 966的节点最先发生失效，其最小疲劳寿命值为7.734×106周次，疲劳损伤值为1.293×10-7。

图7材料为20Cr2Ni4A齿轮副的疲劳寿命分布云图图8材料为20Cr2Ni4A齿轮副的疲劳损伤云图

通过修改材料属性，可得到18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6材料齿轮的疲劳寿命，如图9所示。材料为18Cr2Ni4W和18CrNiMo7-6齿轮副的最小疲劳寿命值分别为4.294×106次和1.011×107次。通过对比，在所受应力相同时，采用18CrNiMo7-6材料的齿轮疲劳寿命值最大，但比国外的同类型低碳合金钢齿轮的疲劳寿命要低很多[8]。

图9 材料为18Cr2Ni4W和18CrNiMo7-6齿轮副的疲劳寿命分布云图

3 结语

本文建立了可控启动装置CST的疲劳寿命分析模型，设置不同的材料参数进行仿真，得到材料为18Cr2Ni4W、18CrNiMo7-6与20Cr2Ni4A时齿轮副的最小疲劳寿命值，对比可知，材料为18CrNiMo7-6的齿轮疲劳寿命值最大。