礦用減速器行星架結構探討

張小峰

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

行星傳動以功率體積比大的優點廣泛應用于各類減速器，行星傳動主要構件有太陽輪、行星輪、內齒圈、行星架等。行星架為行星傳動的主要構件，承受外力矩最大，其結構形式和制造質量對行星輪間載荷分配及傳動裝置承載能力、噪音和振動等有很大影響。合理的行星架結構應該質量輕、剛性好、便于加工和裝配。目前，常見的行星架結構形式有雙壁整體式、雙壁剖分式和單壁式，本文主要對礦用NGW 型雙壁整體式行星架的結構進行探討，雙壁整體式行星架剛性好，受載后變形較小，有利于行星輪上載荷均勻分布，有效減小振動和噪聲。

1 結構形式

NGW 型雙壁整體式行星架由兩側壁通過中間連接梁連接在一起，調研結果表明，目前國內礦用NGW 型行星架常用圖1所示的四種結構，圖1（a）屬于基本結構， 廣泛應用于各種行星減速裝置， 圖 1（b）、（c）、（d）為不同制造商的優化結構。比較各結構可見，四種行星架兩側壁及輸出部分結構基本一致， 圖（b）、（c）、（d）三種行星架優化點均在連接梁結構。

2 結構分析

本文選用一型礦用運輸減速器行星架為藍本，按圖1所示的四種不同的結構建立三維實體模型進行分析。減速器行星級輸入功率P0=45 kW，輸入轉速n0=1453 r/min，輸入扭矩T0=295.8N·m， 太陽輪/行星輪/內齒圈齒數分別為19/22/65，模數為3mm，中心距64 mm，行星輪數目為3，行星架輸出。

圖1 礦用NGW 型行星架結構

2.1 行星架受力分析

行星架受力源自行星輪，不考慮均載系數情況下：Ftac=Ftbc=1000Ta/Csra=1000×295.8/（3×28.5）≈3456N其中： Ta—太陽輪傳遞的轉矩（N·m）；Cs—行星輪數目；ra—太陽輪的分度圓半徑，本例28.5mm；Ftac—太陽輪給行星輪的切向力；Ftbc—內齒圈給行星輪的切向力。

行星架受力點為兩側壁承載軸承安裝孔，行星架受力點與行星輪中性面距離相等則有：

切向方向： RH左=RH右=Ftac=Ftbc=3456 N。

徑向方向：太陽輪給行星輪的徑向力Frac與內齒圈給行星輪的徑向力Frbc等值反向，合力為零，則有RV左=RV右=0。

2.2 行星架有限元分析

本文采用有限元法對不同行星架進行分析，直觀反映行星架受力后應力以及變形情況。行星架的材料統一選用ZG310-570，該材料屈服極限σs=310Mpa，彈性模量： E=2.0×1011Pa， 泊松比： 0.3， 密度： 7800kg／m3。

簡化模型輸出部分為圓柱孔，對該處施加切向、徑向以及軸向零位移約束，分別在兩側壁三對承載孔上按余弦函數分布方式施加面應力載荷，載荷按照惡劣工況施加，載荷系數取2.0，偏載系數取1.5。施加約束和載荷后的行星架部件有限元分析應力和變形結果如圖2～圖5所示。

圖2 結構a 應力和變形云圖

圖3 結構b 應力和變形云圖

圖4 結構c 應力和變形云圖

圖5 結構d 應力和變形云圖

2.3 行星架結構比較

云圖表明，雖然結構不同，但各行星架最大應力值和綜合位移值位置基本一致。表1 列出四種結構的質量、最大應力值和最大綜合位移值,分析數據可得，即使在極限工況下，該行星架的安全系數也較高。以結構a為基準，計算偏差值，計算方法為：

表1 四種結構質量、最大應力及位移值

表2 b、c、d 結構相對于a 結構偏差

式中：X為b、c、d。表2為各結構相對于結構a的偏差值。

綜合分析上述內容可得，結構b 和結構d 屬于優化較好的結構。結構b 雖然最大應力值增加了12%，但壁厚均勻，便于鑄造，且該結構應力值分布均勻；結構d最大應力值減小3.2%，雖然綜合位移值增加14.3%，但結構簡單，連接梁處大量采用直線段，可以采用多種手段加工，該結構特別適合鍛造行星架的加工。

3 結束語

一般礦用行星架安全系數較高，因此，行星架結構優化主要方向為提高結構的整體剛度、減輕結構重量和優化行星架的加工工藝性。

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