大型礦車用減速機齒輪系統的疲勞分析

薛運鋒　王建明　何其昌　朱永杰

摘要：提出一種基于“放大因子”、采用二維平面單元模擬三維實體動態工況的計算疲勞的方法，對某礦車減速機齒輪系統進行疲勞分析，得到太陽輪、行星輪和扭力管在不同抗拉強度下的疲勞壽命.結果表明：太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞；齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較敏感；得出的齒輪系統熱處理后的抗拉強度建議值能為設計提供參考，且該方法能大大提高計算效率.

關鍵詞：礦車； 齒輪系統； 疲勞壽命； 抗拉強度

中圖分類號： TG142；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

減速機在礦車中承擔動力轉換和傳輸作用，能有效降低輸出轉速，提高輸出扭矩.齒輪系統[12]是減速機的關鍵核心部件，其性能好壞直接影響減速機的壽命；齒輪系統在相互嚙合過程中的最大應力雖沒有達到其屈服極限[35]，但在太陽輪的帶動下，齒輪系統各個輪齒承受周期變化的應力，可能在多次循環后發生疲勞破壞.因此，合理預測齒輪壽命和改善齒輪系統對提高礦車的質量極其重要.

本文利用HyperMesh對某型礦車用減速機齒輪系統進行有限元建模，采用Abaqus進行有限元計算，利用fesafe疲勞分析軟件對齒輪系統進行不同抗拉強度下的疲勞壽命計算.

1減速機齒輪系統模型建立

某礦車減速機齒輪系統的三維模型見圖1，包括1個太陽輪、3個行星輪和1個扭力管.齒輪系統的傳動比為31.85.

2載荷譜計算

在實際運行過程中，礦車會經過各種路況.選取疲勞計算的工況為礦車實際運行過程中的惡劣工況，即滿載上坡后空載下坡.某礦車滿載（230 t）上坡運行，下坡空載，坡度隨時間變化.電機的額定輸入功率為800 kW，額定輸出扭矩為14 200 N·m，最大輸出扭矩為24 400 N·m.根據Simulink仿真得到礦車電機的輸出扭矩的變化曲線，見圖2和3.

扭矩曲線顯示：滿載上坡扭矩明顯大于空載下坡扭矩；在某一時間段內，電機輸出扭矩和轉速在某固定值附近保持微小波動.

3齒輪系統有限元模型建立

傳統計算中齒輪系統實體三維網格提交計算量大[69]，且在調整過程中不能很好地滿足軸線平行，造成軸線方向應力分析結果分布不均.利用平面二維單元分析能很好地解決該問題.在嚙合過程中齒輪軸線方向本身可以作為平面應力問題處理，因此在模擬齒輪嚙合的過程中采用平面應力單元進行分析.由于對齒輪的嚙合面定義為動態類型的接觸，因此對于二維Abaqus動態（顯示）計算得到的中間文件，fesafe軟件不能顯示其結果；可用穩態計算得到Abaqus中間文件，然后與動態計算的結果比較得到其放大因子，再將放大因子用于fesafe軟件，模擬實際工況進行疲勞分析.

3.1材料參數

齒輪材料需經過熱處理[10]，處理后的齒輪材料抗拉強度處于某個范圍.齒輪材料為優質合金鋼，fesafe軟件自帶豐富的材料數據庫，可近似擬合材料的SN曲線.分析中所用的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.處理后的材料抗拉強度見表1.

齒輪系統大部分采用四邊形單元，有些采用三角形單元過渡，然后采用軟件中自帶的網格檢查方法對有限元模型進行檢查，檢查結果見表2.

定義好接觸及耦合后分別在太陽輪和扭力管上加載扭矩，在行星輪上施加轉速，齒輪系統的二維有限元模型見圖5.

4有限元計算

經過上述幾何處理、網格劃分、工況點扭矩提取以及邊界條件施加，提交Abaqus計算就可得到齒輪系統的中間應力結果文件.

4.1整體應力分布

齒輪系統的整體應力分布見圖6，可知最大應力發生在齒輪分度圓附近.

4.2各工況點有限元分析結果

針對圖2和3，提取不同時刻的工況點進行有限元穩態和動態分析，得到各工況點的有限元分析結果，確定各個時刻的放大因子.部分工況點的齒輪系統分析結果見表3和4（工況點較多，本文僅列出12種）.

5疲勞分析計算

熱處理后的材料抗拉強度處于某個區間，所以對太陽輪和扭力管的抗拉強度取4組值分別進行疲勞分析.

將穩態分析結果導入fesafe疲勞分析軟件，輸入各個工況點對應的應力放大因子，以便模擬實際動態工況進行疲勞計算.

5.1太陽輪疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下的太陽輪疲勞分析結果見表5，可以看出當抗拉強度增加時，其疲勞壽命也快速增加.抗拉強度1 080 MPa時太陽輪行星輪系統的疲勞壽命分布見圖7，可知，疲勞破壞發生在太陽輪的分度圓處；由于齒輪輪齒承受同樣的交變載荷，所以各輪齒的壽命基本一致.

由于減速機齒輪系統要求太陽輪壽命應達到25 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度必須波動更小，太陽輪熱處理后抗拉強度范圍應保證在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下扭力管的疲勞壽命見表6.結果表明當抗拉強度增大時，疲勞壽命也隨之增加.

由于減速機齒輪系統要求扭力管壽命應達到65 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度波動必須更小，扭力管熱處理后抗拉強度范圍應保證在925 MPa以上.

6結論

（1）提出一種基于“放大因子”、采用二維平面方法模擬減速機齒輪實時運行工況計算疲勞壽命的方法，能大大提高計算效率.

（2）分析認為太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞，同時齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較為敏感.提出滿足設計要求的齒輪抗拉強度在熱處理后應達到的數值，為設計提供參考.

參考文獻：

[1]何航紅. 齒側間隙對齒輪系統動力學行為的影響[J]. 機械設計與制造， 2012（7）： 281283.

[2]孫智民， 季林紅， 沈允文， 等. 齒側間隙對星型齒輪傳動扭振特性的影響研究[J]. 機械設計， 2003， 20（2）： 36.

[3]龔海， 吳運新， 胡永會. 微屈服強度對殘余應力松弛的影響[J]. 熱加工工藝， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚賢平， 余文平. 對碳素結構鋼屈服強度標準的探討[J]. 工程質量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韓存倉， 林士蘭. 硬齒輪屈服強度與疲勞裂紋源的判定[J]. 中國機械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加強， 李光明， 張彬， 等. 兆瓦級風電偏航減速機行星齒輪疲勞仿真分析[J]. 湖南大學學報： 自然科學版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文強， 盛云， 于莉， 等. 燃料電池轎車變速器齒輪接觸應力分析及疲勞壽命計算[J]. 計算機輔助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陳德民. 圓柱斜齒輪動態強度與疲勞損傷仿真[J]. 計算機輔助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐東紅， 崔玉蓮， 張炳喜， 等. 裝甲車輛側減速器齒輪接觸疲勞壽命預測研究[J]. 中國機械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陳國民. 對齒輪熱處理畸變控制技術的評述[J]. 金屬熱處理， 2012， 37（2）： 113.

（編輯武曉英）

摘要：提出一種基于“放大因子”、采用二維平面單元模擬三維實體動態工況的計算疲勞的方法，對某礦車減速機齒輪系統進行疲勞分析，得到太陽輪、行星輪和扭力管在不同抗拉強度下的疲勞壽命.結果表明：太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞；齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較敏感；得出的齒輪系統熱處理后的抗拉強度建議值能為設計提供參考，且該方法能大大提高計算效率.

關鍵詞：礦車； 齒輪系統； 疲勞壽命； 抗拉強度

中圖分類號： TG142；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

減速機在礦車中承擔動力轉換和傳輸作用，能有效降低輸出轉速，提高輸出扭矩.齒輪系統[12]是減速機的關鍵核心部件，其性能好壞直接影響減速機的壽命；齒輪系統在相互嚙合過程中的最大應力雖沒有達到其屈服極限[35]，但在太陽輪的帶動下，齒輪系統各個輪齒承受周期變化的應力，可能在多次循環后發生疲勞破壞.因此，合理預測齒輪壽命和改善齒輪系統對提高礦車的質量極其重要.

本文利用HyperMesh對某型礦車用減速機齒輪系統進行有限元建模，采用Abaqus進行有限元計算，利用fesafe疲勞分析軟件對齒輪系統進行不同抗拉強度下的疲勞壽命計算.

1減速機齒輪系統模型建立

某礦車減速機齒輪系統的三維模型見圖1，包括1個太陽輪、3個行星輪和1個扭力管.齒輪系統的傳動比為31.85.

2載荷譜計算

在實際運行過程中，礦車會經過各種路況.選取疲勞計算的工況為礦車實際運行過程中的惡劣工況，即滿載上坡后空載下坡.某礦車滿載（230 t）上坡運行，下坡空載，坡度隨時間變化.電機的額定輸入功率為800 kW，額定輸出扭矩為14 200 N·m，最大輸出扭矩為24 400 N·m.根據Simulink仿真得到礦車電機的輸出扭矩的變化曲線，見圖2和3.

扭矩曲線顯示：滿載上坡扭矩明顯大于空載下坡扭矩；在某一時間段內，電機輸出扭矩和轉速在某固定值附近保持微小波動.

3齒輪系統有限元模型建立

傳統計算中齒輪系統實體三維網格提交計算量大[69]，且在調整過程中不能很好地滿足軸線平行，造成軸線方向應力分析結果分布不均.利用平面二維單元分析能很好地解決該問題.在嚙合過程中齒輪軸線方向本身可以作為平面應力問題處理，因此在模擬齒輪嚙合的過程中采用平面應力單元進行分析.由于對齒輪的嚙合面定義為動態類型的接觸，因此對于二維Abaqus動態（顯示）計算得到的中間文件，fesafe軟件不能顯示其結果；可用穩態計算得到Abaqus中間文件，然后與動態計算的結果比較得到其放大因子，再將放大因子用于fesafe軟件，模擬實際工況進行疲勞分析.

3.1材料參數

齒輪材料需經過熱處理[10]，處理后的齒輪材料抗拉強度處于某個范圍.齒輪材料為優質合金鋼，fesafe軟件自帶豐富的材料數據庫，可近似擬合材料的SN曲線.分析中所用的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.處理后的材料抗拉強度見表1.

齒輪系統大部分采用四邊形單元，有些采用三角形單元過渡，然后采用軟件中自帶的網格檢查方法對有限元模型進行檢查，檢查結果見表2.

定義好接觸及耦合后分別在太陽輪和扭力管上加載扭矩，在行星輪上施加轉速，齒輪系統的二維有限元模型見圖5.

4有限元計算

經過上述幾何處理、網格劃分、工況點扭矩提取以及邊界條件施加，提交Abaqus計算就可得到齒輪系統的中間應力結果文件.

4.1整體應力分布

齒輪系統的整體應力分布見圖6，可知最大應力發生在齒輪分度圓附近.

4.2各工況點有限元分析結果

針對圖2和3，提取不同時刻的工況點進行有限元穩態和動態分析，得到各工況點的有限元分析結果，確定各個時刻的放大因子.部分工況點的齒輪系統分析結果見表3和4（工況點較多，本文僅列出12種）.

5疲勞分析計算

熱處理后的材料抗拉強度處于某個區間，所以對太陽輪和扭力管的抗拉強度取4組值分別進行疲勞分析.

將穩態分析結果導入fesafe疲勞分析軟件，輸入各個工況點對應的應力放大因子，以便模擬實際動態工況進行疲勞計算.

5.1太陽輪疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下的太陽輪疲勞分析結果見表5，可以看出當抗拉強度增加時，其疲勞壽命也快速增加.抗拉強度1 080 MPa時太陽輪行星輪系統的疲勞壽命分布見圖7，可知，疲勞破壞發生在太陽輪的分度圓處；由于齒輪輪齒承受同樣的交變載荷，所以各輪齒的壽命基本一致.

由于減速機齒輪系統要求太陽輪壽命應達到25 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度必須波動更小，太陽輪熱處理后抗拉強度范圍應保證在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下扭力管的疲勞壽命見表6.結果表明當抗拉強度增大時，疲勞壽命也隨之增加.

由于減速機齒輪系統要求扭力管壽命應達到65 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度波動必須更小，扭力管熱處理后抗拉強度范圍應保證在925 MPa以上.

6結論

（1）提出一種基于“放大因子”、采用二維平面方法模擬減速機齒輪實時運行工況計算疲勞壽命的方法，能大大提高計算效率.

（2）分析認為太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞，同時齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較為敏感.提出滿足設計要求的齒輪抗拉強度在熱處理后應達到的數值，為設計提供參考.

參考文獻：

[1]何航紅. 齒側間隙對齒輪系統動力學行為的影響[J]. 機械設計與制造， 2012（7）： 281283.

[2]孫智民， 季林紅， 沈允文， 等. 齒側間隙對星型齒輪傳動扭振特性的影響研究[J]. 機械設計， 2003， 20（2）： 36.

[3]龔海， 吳運新， 胡永會. 微屈服強度對殘余應力松弛的影響[J]. 熱加工工藝， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚賢平， 余文平. 對碳素結構鋼屈服強度標準的探討[J]. 工程質量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韓存倉， 林士蘭. 硬齒輪屈服強度與疲勞裂紋源的判定[J]. 中國機械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加強， 李光明， 張彬， 等. 兆瓦級風電偏航減速機行星齒輪疲勞仿真分析[J]. 湖南大學學報： 自然科學版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文強， 盛云， 于莉， 等. 燃料電池轎車變速器齒輪接觸應力分析及疲勞壽命計算[J]. 計算機輔助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陳德民. 圓柱斜齒輪動態強度與疲勞損傷仿真[J]. 計算機輔助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐東紅， 崔玉蓮， 張炳喜， 等. 裝甲車輛側減速器齒輪接觸疲勞壽命預測研究[J]. 中國機械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陳國民. 對齒輪熱處理畸變控制技術的評述[J]. 金屬熱處理， 2012， 37（2）： 113.

（編輯武曉英）

摘要：提出一種基于“放大因子”、采用二維平面單元模擬三維實體動態工況的計算疲勞的方法，對某礦車減速機齒輪系統進行疲勞分析，得到太陽輪、行星輪和扭力管在不同抗拉強度下的疲勞壽命.結果表明：太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞；齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較敏感；得出的齒輪系統熱處理后的抗拉強度建議值能為設計提供參考，且該方法能大大提高計算效率.

關鍵詞：礦車； 齒輪系統； 疲勞壽命； 抗拉強度

中圖分類號： TG142；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

減速機在礦車中承擔動力轉換和傳輸作用，能有效降低輸出轉速，提高輸出扭矩.齒輪系統[12]是減速機的關鍵核心部件，其性能好壞直接影響減速機的壽命；齒輪系統在相互嚙合過程中的最大應力雖沒有達到其屈服極限[35]，但在太陽輪的帶動下，齒輪系統各個輪齒承受周期變化的應力，可能在多次循環后發生疲勞破壞.因此，合理預測齒輪壽命和改善齒輪系統對提高礦車的質量極其重要.

本文利用HyperMesh對某型礦車用減速機齒輪系統進行有限元建模，采用Abaqus進行有限元計算，利用fesafe疲勞分析軟件對齒輪系統進行不同抗拉強度下的疲勞壽命計算.

1減速機齒輪系統模型建立

某礦車減速機齒輪系統的三維模型見圖1，包括1個太陽輪、3個行星輪和1個扭力管.齒輪系統的傳動比為31.85.

2載荷譜計算

在實際運行過程中，礦車會經過各種路況.選取疲勞計算的工況為礦車實際運行過程中的惡劣工況，即滿載上坡后空載下坡.某礦車滿載（230 t）上坡運行，下坡空載，坡度隨時間變化.電機的額定輸入功率為800 kW，額定輸出扭矩為14 200 N·m，最大輸出扭矩為24 400 N·m.根據Simulink仿真得到礦車電機的輸出扭矩的變化曲線，見圖2和3.

扭矩曲線顯示：滿載上坡扭矩明顯大于空載下坡扭矩；在某一時間段內，電機輸出扭矩和轉速在某固定值附近保持微小波動.

3齒輪系統有限元模型建立

傳統計算中齒輪系統實體三維網格提交計算量大[69]，且在調整過程中不能很好地滿足軸線平行，造成軸線方向應力分析結果分布不均.利用平面二維單元分析能很好地解決該問題.在嚙合過程中齒輪軸線方向本身可以作為平面應力問題處理，因此在模擬齒輪嚙合的過程中采用平面應力單元進行分析.由于對齒輪的嚙合面定義為動態類型的接觸，因此對于二維Abaqus動態（顯示）計算得到的中間文件，fesafe軟件不能顯示其結果；可用穩態計算得到Abaqus中間文件，然后與動態計算的結果比較得到其放大因子，再將放大因子用于fesafe軟件，模擬實際工況進行疲勞分析.

3.1材料參數

齒輪材料需經過熱處理[10]，處理后的齒輪材料抗拉強度處于某個范圍.齒輪材料為優質合金鋼，fesafe軟件自帶豐富的材料數據庫，可近似擬合材料的SN曲線.分析中所用的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.處理后的材料抗拉強度見表1.

齒輪系統大部分采用四邊形單元，有些采用三角形單元過渡，然后采用軟件中自帶的網格檢查方法對有限元模型進行檢查，檢查結果見表2.

定義好接觸及耦合后分別在太陽輪和扭力管上加載扭矩，在行星輪上施加轉速，齒輪系統的二維有限元模型見圖5.

4有限元計算

經過上述幾何處理、網格劃分、工況點扭矩提取以及邊界條件施加，提交Abaqus計算就可得到齒輪系統的中間應力結果文件.

4.1整體應力分布

齒輪系統的整體應力分布見圖6，可知最大應力發生在齒輪分度圓附近.

4.2各工況點有限元分析結果

針對圖2和3，提取不同時刻的工況點進行有限元穩態和動態分析，得到各工況點的有限元分析結果，確定各個時刻的放大因子.部分工況點的齒輪系統分析結果見表3和4（工況點較多，本文僅列出12種）.

5疲勞分析計算

熱處理后的材料抗拉強度處于某個區間，所以對太陽輪和扭力管的抗拉強度取4組值分別進行疲勞分析.

將穩態分析結果導入fesafe疲勞分析軟件，輸入各個工況點對應的應力放大因子，以便模擬實際動態工況進行疲勞計算.

5.1太陽輪疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下的太陽輪疲勞分析結果見表5，可以看出當抗拉強度增加時，其疲勞壽命也快速增加.抗拉強度1 080 MPa時太陽輪行星輪系統的疲勞壽命分布見圖7，可知，疲勞破壞發生在太陽輪的分度圓處；由于齒輪輪齒承受同樣的交變載荷，所以各輪齒的壽命基本一致.

由于減速機齒輪系統要求太陽輪壽命應達到25 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度必須波動更小，太陽輪熱處理后抗拉強度范圍應保證在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲勞壽命分析結果

不同抗拉強度下扭力管的疲勞壽命見表6.結果表明當抗拉強度增大時，疲勞壽命也隨之增加.

由于減速機齒輪系統要求扭力管壽命應達到65 000 h，熱處理后的齒輪抗拉強度波動必須更小，扭力管熱處理后抗拉強度范圍應保證在925 MPa以上.

6結論

（1）提出一種基于“放大因子”、采用二維平面方法模擬減速機齒輪實時運行工況計算疲勞壽命的方法，能大大提高計算效率.

（2）分析認為太陽輪和扭力管最易發生疲勞破壞，同時齒輪壽命對抗拉強度的依賴性較為敏感.提出滿足設計要求的齒輪抗拉強度在熱處理后應達到的數值，為設計提供參考.

參考文獻：

[1]何航紅. 齒側間隙對齒輪系統動力學行為的影響[J]. 機械設計與制造， 2012（7）： 281283.

[2]孫智民， 季林紅， 沈允文， 等. 齒側間隙對星型齒輪傳動扭振特性的影響研究[J]. 機械設計， 2003， 20（2）： 36.

[3]龔海， 吳運新， 胡永會. 微屈服強度對殘余應力松弛的影響[J]. 熱加工工藝， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚賢平， 余文平. 對碳素結構鋼屈服強度標準的探討[J]. 工程質量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韓存倉， 林士蘭. 硬齒輪屈服強度與疲勞裂紋源的判定[J]. 中國機械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加強， 李光明， 張彬， 等. 兆瓦級風電偏航減速機行星齒輪疲勞仿真分析[J]. 湖南大學學報： 自然科學版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文強， 盛云， 于莉， 等. 燃料電池轎車變速器齒輪接觸應力分析及疲勞壽命計算[J]. 計算機輔助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陳德民. 圓柱斜齒輪動態強度與疲勞損傷仿真[J]. 計算機輔助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐東紅， 崔玉蓮， 張炳喜， 等. 裝甲車輛側減速器齒輪接觸疲勞壽命預測研究[J]. 中國機械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陳國民. 對齒輪熱處理畸變控制技術的評述[J]. 金屬熱處理， 2012， 37（2）： 113.

（編輯武曉英）