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(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、運(yùn)行平穩(wěn)，在工業(yè)、風(fēng)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于早期缺乏經(jīng)驗，出現(xiàn)了一個批次銷軸冒出的失效案例，影響了齒輪箱正常運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)簡要對此失效案例進(jìn)行原因分析，并給出糾正措施。

關(guān)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，在工業(yè)領(lǐng)域（回轉(zhuǎn)、行走、卷揚(yáng)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(xiàn)扭矩快速增大用于驅(qū)動下一級部件。因以上各項優(yōu)點(diǎn)，小行星齒輪在風(fēng)電的偏航、變槳領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。但小行星齒輪早期出現(xiàn)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(zhuǎn)動并刮蹭下大量的鑄件鐵屑，進(jìn)一步造成潤滑油污染、軸承失效，維修費(fèi)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(jié)構(gòu)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(lián)（一級輸出是下一級輸入）組成。風(fēng)電小行星齒輪箱通常是由三至五級行星傳動組成，結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[1]。

風(fēng)電行星傳動的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低、扭矩大、頻繁正反換向工作（要不停調(diào)整整個風(fēng)機(jī)或葉片得到合適的方位），這就對行星結(jié)構(gòu)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(fā)的一批產(chǎn)品中出現(xiàn)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(yán)重的還會卡死，直接影響到潤滑油清潔度和行星結(jié)構(gòu)的正常傳動。由于該失效通常在產(chǎn)品使用一年內(nèi)發(fā)生，而且同批次發(fā)生的概率高，所以緊急進(jìn)行了細(xì)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(jìn)行拆解、重新設(shè)計制造部分零件，所以維修成本比較高，因此筆者認(rèn)為有必要對問題進(jìn)行分析整理，和同行交流經(jīng)驗。

2? ? 失效原因分析

新品的開發(fā)初期必然有充分的模擬分析計算和大量的試驗驗證，風(fēng)電小行星齒輪箱也不例外。從理論力學(xué)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(jīng)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(jīng)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(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用批量比較小，所以行星架為左右分體結(jié)構(gòu)，左側(cè)是球墨鑄鐵件，右側(cè)是鋼件（例如42CrMo）;隨著鑄造技術(shù)進(jìn)步和批量加大，設(shè)計改進(jìn)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(jīng)仔細(xì)分析，有限元仿真發(fā)現(xiàn)了可疑的現(xiàn)象。有限元分析關(guān)注的地方是齒輪彎曲疲勞，行星架圓角處的最大應(yīng)力、應(yīng)變等，行星架的左右輻板相對應(yīng)變只關(guān)心了最大應(yīng)變量的控制，而應(yīng)變對銷軸過盈的影響沒有也很難引起重視，因為這恰是進(jìn)行模擬計算的一個假設(shè)——假設(shè)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(fù)正反力作用對銷軸產(chǎn)生蠕動的影響是無法進(jìn)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(cè)相對較薄，而且左側(cè)對于右側(cè)形成懸臂梁的結(jié)構(gòu)，所以銷軸中間受力時左側(cè)相對右側(cè)有一個扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)太陽輪正反轉(zhuǎn)時，銷軸對于行星架的力也反復(fù)左右變換，銷軸左端相當(dāng)于反復(fù)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(cè)發(fā)生更大扭轉(zhuǎn)（圖2），當(dāng)力退去或反向時，銷軸想恢復(fù)原狀或向另一側(cè)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(fā)生相對蠕動，重復(fù)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(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象進(jìn)展就更快、更明顯，因為右側(cè)鋼件產(chǎn)生的過盈力比左側(cè)鑄件要大得多。這種現(xiàn)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(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性的要求，必須設(shè)計成上述左輻板薄、右輻板厚、分體組裝或整體鑄造的結(jié)構(gòu)，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(fù)運(yùn)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(yōu)先采用整體球墨鑄鐵鑄造。分體結(jié)構(gòu)只在某些不得已情況下使用，比如對行星架右側(cè)和下一級零件連接強(qiáng)度有很高要求，鑄件完全達(dá)不到時。整體鑄造結(jié)構(gòu)可能會多出模具費(fèi)用，但小行星傳動大都有一定的數(shù)量，只要做好模塊化設(shè)計，還是很容易形成成本優(yōu)勢的。

（2）結(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)都打也可只打一側(cè);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(jìn)版的行星架設(shè)計中，新的定位結(jié)構(gòu)一直采用至今，再未發(fā)現(xiàn)同類型的失效問題，這說明設(shè)計改進(jìn)是完全有效而且充分的。

4? ? 結(jié)語

通過以上行星型結(jié)構(gòu)中銷軸失效案例的簡要分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件設(shè)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(dāng)成軟件的默認(rèn)前提條件，反而需要尤其關(guān)注這些條件，因為計算結(jié)果的正確性恰恰是基于前提假設(shè)等因素的正確性。如果前提都不夠正確，那結(jié)果也不能完全讓人信服。有時候設(shè)計可能還離不開生活經(jīng)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(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，根據(jù)工況的相似性，可以在一定程度上作為類似工況的行星結(jié)構(gòu)傳動領(lǐng)域的經(jīng)驗參考。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2] 饒振綱.行星齒輪傳動設(shè)計[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊：齒輪傳動[M].6版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)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(shè)備集團(tuán)有限公司工藝主管，研究方向：風(fēng)電小行星齒輪箱制造工藝優(yōu)化和成本優(yōu)化。