旋轉閘門驅動齒輪接觸有限元分析

江博君 顧曉峰 管義兵

（1.淮委治淮檔案館（治淮宣傳中心） 蚌埠 233001 2.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司 蘇州 215128）

1 引言

啟閉設備作為水工鋼閘門系統的主要組成部分之一，其長期正常運行是保證整個閘門系統正常工作的重要前提。某旋轉閘門的驅動系統采用一種新的行星齒輪驅動方式進行閘門啟閉，該齒輪驅動系統中太陽輪直徑為10m，行星齒輪直徑為1.2m，啟閉方式新穎，驅動齒輪結構尺寸巨大，因此在設計過程中應充分保證其齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度。目前，在齒輪接觸分析的應用中，劉麗竹等對斜齒輪副進行了接觸分析和可靠度分析，最終提高了零部件的使用性能；田靜對齒輪齒面接觸進行了強度分析和結構優化，最終改善了齒輪的應力分析情況；馮立艷對弧齒錐齒輪進行了動態仿真，最終得到了齒輪不同部位的有效應力隨時間的變化規律。基于此，可采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對旋轉閘門驅動齒輪進行接觸有限元分析，并根據計算結果對齒輪結構進行適當優化。

2 旋轉閘門齒輪驅動系統

2.1 驅動齒輪基本參數

以某大跨度旋轉扇形閘門齒輪驅動系統為研究對象，該齒輪驅動系統由8 個行星齒輪和1 個太陽輪組成，其中，齒輪模數為50，壓力角為20°，太陽輪直徑10m，行星輪直徑1.2m，齒輪布置如圖1所示。

圖1 驅動齒輪布置圖

由于該驅動系統齒輪結構尺寸較大，工作環境較為惡劣，因此該齒輪系統材料選定為20CrMnTi，滲碳淬火，齒輪精度等級選擇7 級。根據材料力學及齒輪強度校核相關知識，查閱相關資料，可得齒輪許用齒面接觸疲勞強度均為1500MPa，太陽輪許用齒根彎曲疲勞強度為563MPa，行星輪許用齒根彎曲疲勞強度為438MPa。

2.2 驅動齒輪有限元模型及邊界條件

由于接觸分析時模型屬于狀態非線性模型，計算時需要占用大量的計算機資源以及計算時間，因此對模型進行簡化，選擇5 對輪齒進行嚙合接觸分析。分析軟件選用ANSYS Workbench 中的static structural 模塊，模型均采用solid186 實體單元模擬，共劃分27.02 萬個六面體實體單元，有限元模型如圖2 所示。

圖2 驅動齒輪有限元模型圖

根據閘門設計資料，在閘門啟閉過程中，每個行星齒輪受到的最大阻力矩為1637kN·m。由于水壓力、重力以及溫差的作用，在轉動過程中，閘門圓盤以及連接在圓盤上的大齒輪會產生一定的偏轉角，由靜力分析可知圓盤在轉動過程中大齒輪偏角α 最大不超過0.246°（擋水時圓盤最大偏角）。為了保證驅動齒輪的安全，取行星齒輪驅動扭矩為1637kN·m，太陽輪偏角α=0°和α=0.25°分別對齒輪進行接觸分析校核其強度。

在ANSYS Workbench 中分析的時候，太陽輪內圈施加固定約束，小齒輪釋放軸向轉動自由度，并約束其余所有自由度，齒面接觸部位施加摩擦接觸，摩擦系數μ=0.1；在行星齒輪內圈施加驅動扭矩M=1637kN·m，如圖3 所示。

圖3 驅動齒輪約束及荷載施加圖

3 計算結果與分析

通過對兩個偏轉角度下的驅動齒輪系統進行了接觸有限元分析，最終可得到0°偏角其齒面接觸應力云圖和齒根彎曲應力云圖分別如圖4、圖5 所示，0.25°偏角其齒面接觸應力云圖和齒根彎曲應力云圖分別如圖6、圖7 所示，圖中應力單位均為Pa。

圖4 0°偏角驅動齒輪接觸應力云圖

圖5 0°偏角驅動齒輪齒根彎曲應力云圖

圖6 0.25°偏角驅動齒輪齒面接觸應力云圖

圖7 0.25°偏角驅動齒輪齒根彎曲應力云圖

由以上分析結果可以看出，當偏角為0°時，太陽輪最大齒面接觸應力為310.4MPa，最大齒根彎曲應力為240.6MPa，行星齒輪最大齒面接觸應力為352.9MPa，最大齒根彎曲應力為306.3MPa，均小于許用值，滿足強度要求。當偏角為0.25°時，太陽輪最大齒面接觸應力為684.7MPa，最大齒根彎曲應力為261.8MPa，行星齒輪最大齒面接觸應力為1128.5MPa，最大齒根彎曲應力為311.6MPa，均小于許用值，滿足強度要求。但通過對比可以發現，當偏角為0.25°時，齒面嚙合區域偏向一側，齒根彎曲應力稍微有所增加，齒面接觸應力增加明顯，邊緣效應突出，接觸應力較大，有可能發生冷膠合失效，因此需要對齒廓進行適當的齒向修形。

通過對驅動齒輪齒廓修形之后，再次對兩個偏角下的齒輪進行了接觸有限元分析，可得兩個偏角下星輪齒輪的接觸應力云圖分別如圖8、圖9 所示。

由圖8 和圖9 可以看出，當對驅動齒輪齒廓修形之后，在0°偏角時，行星齒輪齒面最大接觸應力為383.3MPa，在0.25°偏角時，行星齒輪齒面最大接觸應力為400.4MPa，兩者均較修形前有大幅度降低，大大地改善了驅動齒輪系統的受力分布情況。

圖8 0°偏角行星齒輪齒面應力云圖

圖9 0.25°偏角行星齒輪齒面應力云圖

4 結論

旋轉閘門齒輪驅動系統作為該類閘門的一種新型驅動方式，其齒輪長期正常運行是保證整個驅動系統壽命的重要前提。基于此，采用有限元軟件ANSYS Workbench 對該驅動齒輪進行了接觸有限元分析，分析結果如下：

（1）在齒輪修形前，兩個偏角下工作的驅動齒輪齒面最大接觸應力和齒根最大彎曲應力均滿足要求，但當偏角為0.25°時，太陽輪和行星齒輪的齒面最大接觸應力均比較大，應力分布不均勻，容易致使齒面接觸疲勞破壞，降低整個齒輪驅動系統的壽命。

（2）在齒輪修形后，兩個偏角下工作的驅動齒輪齒面最大接觸應力均有大幅度降低，大大降低了驅動齒輪接觸疲勞破壞的可能性，有效地提高驅動齒輪系統的工作壽命。

（3）對旋轉閘門驅動齒輪的分析可為類似閘門驅動系統的研究提供參考借鑒■