一種小行星齒輪箱失效原因分析

摘要：小行星齒輪箱由于結構緊湊、功率密度大、運行平穩，在工業、風電等領域得到了廣泛應用。由于早期缺乏經驗，出現了一個批次銷軸冒出的失效案例，影響了齒輪箱正常運轉，現簡要對此失效案例進行原因分析，并給出糾正措施。

關鍵詞：行星傳動;失效分析;疲勞損傷;銷軸;輻板

0? ? 引言

小行星齒輪結構緊湊、可靠性高，在工業領域（回轉、行走、卷揚等）通常用于減速傳動。因其高功率密度，可以做到體積小、速比大，所以可以實現扭矩快速增大用于驅動下一級部件。因以上各項優點，小行星齒輪在風電的偏航、變槳領域也得到了廣泛應用。但小行星齒輪早期出現了一類特殊失效模式——行星銷軸冒出，冒出的銷軸頂住上一級行星架，阻礙轉動并刮蹭下大量的鑄件鐵屑，進一步造成潤滑油污染、軸承失效，維修費用很高。本文將介紹筆者參與問題分析、確定根本原因以及最后采取糾正措施的全過程。

1? ? 齒輪箱結構及問題描述

行星傳動主要部件包括太陽輪、行星輪、齒圈、行星架、銷軸和軸承等，屬于NGW傳動類型（圖1）。小行星齒輪箱通常由一級到多級行星傳動串聯（一級輸出是下一級輸入）組成。風電小行星齒輪箱通常是由三至五級行星傳動組成，結構參考文獻[1]。

風電行星傳動的特點是轉速低、扭矩大、頻繁正反換向工作（要不停調整整個風機或葉片得到合適的方位），這就對行星結構中行星架及齒輪零件造成了高度累積的疲勞損傷。筆者接觸到的早期開發的一批產品中出現了一次奇怪的失效——銷軸向左（高速端）冒出，冒出的銷軸甚至和前一級行星架右輻板干涉，嚴重的還會卡死，直接影響到潤滑油清潔度和行星結構的正常傳動。由于該失效通常在產品使用一年內發生，而且同批次發生的概率高，所以緊急進行了細致的原因分析，并采取了糾正措施。維修方案需要對齒輪箱進行拆解、重新設計制造部分零件，所以維修成本比較高，因此筆者認為有必要對問題進行分析整理，和同行交流經驗。

2? ? 失效原因分析

新品的開發初期必然有充分的模擬分析計算和大量的試驗驗證，風電小行星齒輪箱也不例外。從理論力學分析，直齒輪行星齒輪在幾個行星輪之間通常有均勻分布的幾個力，這幾個力經由行星軸承和銷軸向行星架提供純扭矩，合力為零。所以，理論上來說行星輪不存在任何軸向力，銷軸也不受任何軸向力。銷軸通常按經驗值取一定的過盈量和行星架連接。早期由于行星傳動在工業領域的應用批量比較小，所以行星架為左右分體結構，左側是球墨鑄鐵件，右側是鋼件（例如42CrMo）;隨著鑄造技術進步和批量加大，設計改進成一體鑄造形式（參考圖1）。

迫使銷軸向左冒出的這個軸向力來自哪里一時間很難得到完美的解釋。所以，原因得從頭開始找，經仔細分析，有限元仿真發現了可疑的現象。有限元分析關注的地方是齒輪彎曲疲勞，行星架圓角處的最大應力、應變等，行星架的左右輻板相對應變只關心了最大應變量的控制，而應變對銷軸過盈的影響沒有也很難引起重視，因為這恰是進行模擬計算的一個假設——假設過盈量足夠大，相對沒有位移。早期版本的軟件功能也受限制，這種反復正反力作用對銷軸產生蠕動的影響是無法進行模擬計算的。

通過圖2可以看出，在受力情況下行星架左側相對較薄，而且左側對于右側形成懸臂梁的結構，所以銷軸中間受力時左側相對右側有一個扭轉作用。當太陽輪正反轉時，銷軸對于行星架的力也反復左右變換，銷軸左端相當于反復受到左右方向的彎矩。即使左右行星架輻板和銷軸過盈量一樣，但右厚、左薄，形成的過盈力是不一樣的，可以把銷軸（鋼件）的左右兩端想象成分別被一只小手和一只大手抓著。受力時一定是左側發生更大扭轉（圖2），當力退去或反向時，銷軸想恢復原狀或向另一側擺動，過程中由于右端過盈更緊，所以銷軸很難向右移動，只能向左端發生相對蠕動，重復這樣換向后銷軸實際是緩慢向左移動了。如果行星架采用的是左右分體結構，這種現象進展就更快、更明顯，因為右側鋼件產生的過盈力比左側鑄件要大得多。這種現象類似于生活中要把插入泥土里的一根木棍取出來，通常的做法是把木棍不停地左右推拉，木棍會緩慢向上退出。

3? ? 解決措施

行星架由于結構和經濟性的要求，必須設計成上述左輻板薄、右輻板厚、分體組裝或整體鑄造的結構，這樣銷軸也就不可避免地會在工作中有蠕動的傾向。所以，單靠過盈來保持銷軸相對行星架的位置似乎是不夠的。往復運動時間長了，銷軸會慢慢向左冒出，且速度會越來越快，因為只要有蠕動，原先的過盈量就逐漸被破壞了。要解決以上失效問題，就必須額外給銷軸增加軸向定位，通常有以下幾種常用的做法：

（1）材料選擇上，優先采用整體球墨鑄鐵鑄造。分體結構只在某些不得已情況下使用，比如對行星架右側和下一級零件連接強度有很高要求，鑄件完全達不到時。整體鑄造結構可能會多出模具費用，但小行星傳動大都有一定的數量，只要做好模塊化設計，還是很容易形成成本優勢的。

（2）結構上一定要給銷軸增加軸向定位。常用的做法有：在左右輻板上打側面銷孔，一直打入到銷軸的深度，裝入定位銷軸向固定銷軸;可以兩側都打也可只打一側;行星架左右輻板的銷軸孔兩端留空間用于安裝孔用彈性擋圈;或者銷軸一端通過軸肩定位，另一端采用孔用彈性擋圈定位。銷軸軸向蠕動是緩慢的過程，力不一定大，所以無論是用定位銷還是孔用彈性擋圈都可以起到軸向定位作用。在改進版的行星架設計中，新的定位結構一直采用至今，再未發現同類型的失效問題，這說明設計改進是完全有效而且充分的。

4? ? 結語

通過以上行星型結構中銷軸失效案例的簡要分析，發現結構件設計階段做充分的模擬計算非常必要。但模擬計算都是在一定的假定、前提和簡化條件下做出的理論計算，工程師們不能僅僅把計算中的這些因素當成軟件的默認前提條件，反而需要尤其關注這些條件，因為計算結果的正確性恰恰是基于前提假設等因素的正確性。如果前提都不夠正確，那結果也不能完全讓人信服。有時候設計可能還離不開生活經驗對理論的校正作用。

本文中分析的案例來自筆者自身所在行業應用經驗，根據工況的相似性，可以在一定程度上作為類似工況的行星結構傳動領域的經驗參考。

[參考文獻]

[1] 凡晶梅.風電小行星齒輪箱模塊化探討[J].機電信息，2020（27）：143-144.

[2] 饒振綱.行星齒輪傳動設計[M].2版.北京：化學工業出版社，2014.

[3] 聞邦椿.機械設計手冊：齒輪傳動[M].6版.北京：機械工業出版社，2015.

[4] 曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

收稿日期：2020-09-03

作者簡介：凡晶梅（1986—），女，河南人，工程師，南京高精傳動設備集團有限公司工藝主管，研究方向：風電小行星齒輪箱制造工藝優化和成本優化。