大型矿车用减速机齿轮系统的疲劳分析

薛运锋　王建明　何其昌　朱永杰

摘要：提出一种基于“放大因子”、采用二维平面单元模拟三维实体动态工况的计算疲劳的方法，对某矿车减速机齿轮系统进行疲劳分析，得到太阳轮、行星轮和扭力管在不同抗拉强度下的疲劳寿命.结果表明：太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏；齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较敏感；得出的齿轮系统热处理后的抗拉强度建议值能为设计提供参考，且该方法能大大提高计算效率.

关键词：矿车； 齿轮系统； 疲劳寿命； 抗拉强度

中图分类号： TG142；TB115.1

文献标志码： B

0引言

减速机在矿车中承担动力转换和传输作用，能有效降低输出转速，提高输出扭矩.齿轮系统[12]是减速机的关键核心部件，其性能好坏直接影响减速机的寿命；齿轮系统在相互啮合过程中的最大应力虽没有达到其屈服极限[35]，但在太阳轮的带动下，齿轮系统各个轮齿承受周期变化的应力，可能在多次循环后发生疲劳破坏.因此，合理预测齿轮寿命和改善齿轮系统对提高矿车的质量极其重要.

本文利用HyperMesh对某型矿车用减速机齿轮系统进行有限元建模，采用Abaqus进行有限元计算，利用fesafe疲劳分析软件对齿轮系统进行不同抗拉强度下的疲劳寿命计算.

1减速机齿轮系统模型建立

某矿车减速机齿轮系统的三维模型见图1，包括1个太阳轮、3个行星轮和1个扭力管.齿轮系统的传动比为31.85.

2载荷谱计算

在实际运行过程中，矿车会经过各种路况.选取疲劳计算的工况为矿车实际运行过程中的恶劣工况，即满载上坡后空载下坡.某矿车满载（230 t）上坡运行，下坡空载，坡度随时间变化.电机的额定输入功率为800 kW，额定输出扭矩为14 200 N·m，最大输出扭矩为24 400 N·m.根据Simulink仿真得到矿车电机的输出扭矩的变化曲线，见图2和3.

扭矩曲线显示：满载上坡扭矩明显大于空载下坡扭矩；在某一时间段内，电机输出扭矩和转速在某固定值附近保持微小波动.

3齿轮系统有限元模型建立

传统计算中齿轮系统实体三维网格提交计算量大[69]，且在调整过程中不能很好地满足轴线平行，造成轴线方向应力分析结果分布不均.利用平面二维单元分析能很好地解决该问题.在啮合过程中齿轮轴线方向本身可以作为平面应力问题处理，因此在模拟齿轮啮合的过程中采用平面应力单元进行分析.由于对齿轮的啮合面定义为动态类型的接触，因此对于二维Abaqus动态（显示）计算得到的中间文件，fesafe软件不能显示其结果；可用稳态计算得到Abaqus中间文件，然后与动态计算的结果比较得到其放大因子，再将放大因子用于fesafe软件，模拟实际工况进行疲劳分析.

3.1材料参数

齿轮材料需经过热处理[10]，处理后的齿轮材料抗拉强度处于某个范围.齿轮材料为优质合金钢，fesafe软件自带丰富的材料数据库，可近似拟合材料的SN曲线.分析中所用的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.处理后的材料抗拉强度见表1.

齿轮系统大部分采用四边形单元，有些采用三角形单元过渡，然后采用软件中自带的网格检查方法对有限元模型进行检查，检查结果见表2.

定义好接触及耦合后分别在太阳轮和扭力管上加载扭矩，在行星轮上施加转速，齿轮系统的二维有限元模型见图5.

4有限元计算

经过上述几何处理、网格划分、工况点扭矩提取以及边界条件施加，提交Abaqus计算就可得到齿轮系统的中间应力结果文件.

4.1整体应力分布

齿轮系统的整体应力分布见图6，可知最大应力发生在齿轮分度圆附近.

4.2各工况点有限元分析结果

针对图2和3，提取不同时刻的工况点进行有限元稳态和动态分析，得到各工况点的有限元分析结果，确定各个时刻的放大因子.部分工况点的齿轮系统分析结果见表3和4（工况点较多，本文仅列出12种）.

5疲劳分析计算

热处理后的材料抗拉强度处于某个区间，所以对太阳轮和扭力管的抗拉强度取4组值分别进行疲劳分析.

将稳态分析结果导入fesafe疲劳分析软件，输入各个工况点对应的应力放大因子，以便模拟实际动态工况进行疲劳计算.

5.1太阳轮疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下的太阳轮疲劳分析结果见表5，可以看出当抗拉强度增加时，其疲劳寿命也快速增加.抗拉强度1 080 MPa时太阳轮行星轮系统的疲劳寿命分布见图7，可知，疲劳破坏发生在太阳轮的分度圆处；由于齿轮轮齿承受同样的交变载荷，所以各轮齿的寿命基本一致.

由于减速机齿轮系统要求太阳轮寿命应达到25 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度必须波动更小，太阳轮热处理后抗拉强度范围应保证在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下扭力管的疲劳寿命见表6.结果表明当抗拉强度增大时，疲劳寿命也随之增加.

由于减速机齿轮系统要求扭力管寿命应达到65 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度波动必须更小，扭力管热处理后抗拉强度范围应保证在925 MPa以上.

6结论

（1）提出一种基于“放大因子”、采用二维平面方法模拟减速机齿轮实时运行工况计算疲劳寿命的方法，能大大提高计算效率.

（2）分析认为太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏，同时齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较为敏感.提出满足设计要求的齿轮抗拉强度在热处理后应达到的数值，为设计提供参考.

参考文献：

[1]何航红. 齿侧间隙对齿轮系统动力学行为的影响[J]. 机械设计与制造， 2012（7）： 281283.

[2]孙智民， 季林红， 沈允文， 等. 齿侧间隙对星型齿轮传动扭振特性的影响研究[J]. 机械设计， 2003， 20（2）： 36.

[3]龚海， 吴运新， 胡永会. 微屈服强度对残余应力松弛的影响[J]. 热加工工艺， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚贤平， 余文平. 对碳素结构钢屈服强度标准的探讨[J]. 工程质量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韩存仓， 林士兰. 硬齿轮屈服强度与疲劳裂纹源的判定[J]. 中国机械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加强， 李光明， 张彬， 等. 兆瓦级风电偏航减速机行星齿轮疲劳仿真分析[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文强， 盛云， 于莉， 等. 燃料电池轿车变速器齿轮接触应力分析及疲劳寿命计算[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陈德民. 圆柱斜齿轮动态强度与疲劳损伤仿真[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐东红， 崔玉莲， 张炳喜， 等. 装甲车辆侧减速器齿轮接触疲劳寿命预测研究[J]. 中国机械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陈国民. 对齿轮热处理畸变控制技术的评述[J]. 金属热处理， 2012， 37（2）： 113.

（编辑武晓英）

摘要：提出一种基于“放大因子”、采用二维平面单元模拟三维实体动态工况的计算疲劳的方法，对某矿车减速机齿轮系统进行疲劳分析，得到太阳轮、行星轮和扭力管在不同抗拉强度下的疲劳寿命.结果表明：太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏；齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较敏感；得出的齿轮系统热处理后的抗拉强度建议值能为设计提供参考，且该方法能大大提高计算效率.

关键词：矿车； 齿轮系统； 疲劳寿命； 抗拉强度

中图分类号： TG142；TB115.1

文献标志码： B

0引言

减速机在矿车中承担动力转换和传输作用，能有效降低输出转速，提高输出扭矩.齿轮系统[12]是减速机的关键核心部件，其性能好坏直接影响减速机的寿命；齿轮系统在相互啮合过程中的最大应力虽没有达到其屈服极限[35]，但在太阳轮的带动下，齿轮系统各个轮齿承受周期变化的应力，可能在多次循环后发生疲劳破坏.因此，合理预测齿轮寿命和改善齿轮系统对提高矿车的质量极其重要.

本文利用HyperMesh对某型矿车用减速机齿轮系统进行有限元建模，采用Abaqus进行有限元计算，利用fesafe疲劳分析软件对齿轮系统进行不同抗拉强度下的疲劳寿命计算.

1减速机齿轮系统模型建立

某矿车减速机齿轮系统的三维模型见图1，包括1个太阳轮、3个行星轮和1个扭力管.齿轮系统的传动比为31.85.

2载荷谱计算

在实际运行过程中，矿车会经过各种路况.选取疲劳计算的工况为矿车实际运行过程中的恶劣工况，即满载上坡后空载下坡.某矿车满载（230 t）上坡运行，下坡空载，坡度随时间变化.电机的额定输入功率为800 kW，额定输出扭矩为14 200 N·m，最大输出扭矩为24 400 N·m.根据Simulink仿真得到矿车电机的输出扭矩的变化曲线，见图2和3.

扭矩曲线显示：满载上坡扭矩明显大于空载下坡扭矩；在某一时间段内，电机输出扭矩和转速在某固定值附近保持微小波动.

3齿轮系统有限元模型建立

传统计算中齿轮系统实体三维网格提交计算量大[69]，且在调整过程中不能很好地满足轴线平行，造成轴线方向应力分析结果分布不均.利用平面二维单元分析能很好地解决该问题.在啮合过程中齿轮轴线方向本身可以作为平面应力问题处理，因此在模拟齿轮啮合的过程中采用平面应力单元进行分析.由于对齿轮的啮合面定义为动态类型的接触，因此对于二维Abaqus动态（显示）计算得到的中间文件，fesafe软件不能显示其结果；可用稳态计算得到Abaqus中间文件，然后与动态计算的结果比较得到其放大因子，再将放大因子用于fesafe软件，模拟实际工况进行疲劳分析.

3.1材料参数

齿轮材料需经过热处理[10]，处理后的齿轮材料抗拉强度处于某个范围.齿轮材料为优质合金钢，fesafe软件自带丰富的材料数据库，可近似拟合材料的SN曲线.分析中所用的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.处理后的材料抗拉强度见表1.

齿轮系统大部分采用四边形单元，有些采用三角形单元过渡，然后采用软件中自带的网格检查方法对有限元模型进行检查，检查结果见表2.

定义好接触及耦合后分别在太阳轮和扭力管上加载扭矩，在行星轮上施加转速，齿轮系统的二维有限元模型见图5.

4有限元计算

经过上述几何处理、网格划分、工况点扭矩提取以及边界条件施加，提交Abaqus计算就可得到齿轮系统的中间应力结果文件.

4.1整体应力分布

齿轮系统的整体应力分布见图6，可知最大应力发生在齿轮分度圆附近.

4.2各工况点有限元分析结果

针对图2和3，提取不同时刻的工况点进行有限元稳态和动态分析，得到各工况点的有限元分析结果，确定各个时刻的放大因子.部分工况点的齿轮系统分析结果见表3和4（工况点较多，本文仅列出12种）.

5疲劳分析计算

热处理后的材料抗拉强度处于某个区间，所以对太阳轮和扭力管的抗拉强度取4组值分别进行疲劳分析.

将稳态分析结果导入fesafe疲劳分析软件，输入各个工况点对应的应力放大因子，以便模拟实际动态工况进行疲劳计算.

5.1太阳轮疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下的太阳轮疲劳分析结果见表5，可以看出当抗拉强度增加时，其疲劳寿命也快速增加.抗拉强度1 080 MPa时太阳轮行星轮系统的疲劳寿命分布见图7，可知，疲劳破坏发生在太阳轮的分度圆处；由于齿轮轮齿承受同样的交变载荷，所以各轮齿的寿命基本一致.

由于减速机齿轮系统要求太阳轮寿命应达到25 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度必须波动更小，太阳轮热处理后抗拉强度范围应保证在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下扭力管的疲劳寿命见表6.结果表明当抗拉强度增大时，疲劳寿命也随之增加.

由于减速机齿轮系统要求扭力管寿命应达到65 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度波动必须更小，扭力管热处理后抗拉强度范围应保证在925 MPa以上.

6结论

（1）提出一种基于“放大因子”、采用二维平面方法模拟减速机齿轮实时运行工况计算疲劳寿命的方法，能大大提高计算效率.

（2）分析认为太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏，同时齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较为敏感.提出满足设计要求的齿轮抗拉强度在热处理后应达到的数值，为设计提供参考.

参考文献：

[1]何航红. 齿侧间隙对齿轮系统动力学行为的影响[J]. 机械设计与制造， 2012（7）： 281283.

[2]孙智民， 季林红， 沈允文， 等. 齿侧间隙对星型齿轮传动扭振特性的影响研究[J]. 机械设计， 2003， 20（2）： 36.

[3]龚海， 吴运新， 胡永会. 微屈服强度对残余应力松弛的影响[J]. 热加工工艺， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚贤平， 余文平. 对碳素结构钢屈服强度标准的探讨[J]. 工程质量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韩存仓， 林士兰. 硬齿轮屈服强度与疲劳裂纹源的判定[J]. 中国机械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加强， 李光明， 张彬， 等. 兆瓦级风电偏航减速机行星齿轮疲劳仿真分析[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文强， 盛云， 于莉， 等. 燃料电池轿车变速器齿轮接触应力分析及疲劳寿命计算[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陈德民. 圆柱斜齿轮动态强度与疲劳损伤仿真[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐东红， 崔玉莲， 张炳喜， 等. 装甲车辆侧减速器齿轮接触疲劳寿命预测研究[J]. 中国机械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陈国民. 对齿轮热处理畸变控制技术的评述[J]. 金属热处理， 2012， 37（2）： 113.

（编辑武晓英）

摘要：提出一种基于“放大因子”、采用二维平面单元模拟三维实体动态工况的计算疲劳的方法，对某矿车减速机齿轮系统进行疲劳分析，得到太阳轮、行星轮和扭力管在不同抗拉强度下的疲劳寿命.结果表明：太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏；齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较敏感；得出的齿轮系统热处理后的抗拉强度建议值能为设计提供参考，且该方法能大大提高计算效率.

关键词：矿车； 齿轮系统； 疲劳寿命； 抗拉强度

中图分类号： TG142；TB115.1

文献标志码： B

0引言

减速机在矿车中承担动力转换和传输作用，能有效降低输出转速，提高输出扭矩.齿轮系统[12]是减速机的关键核心部件，其性能好坏直接影响减速机的寿命；齿轮系统在相互啮合过程中的最大应力虽没有达到其屈服极限[35]，但在太阳轮的带动下，齿轮系统各个轮齿承受周期变化的应力，可能在多次循环后发生疲劳破坏.因此，合理预测齿轮寿命和改善齿轮系统对提高矿车的质量极其重要.

本文利用HyperMesh对某型矿车用减速机齿轮系统进行有限元建模，采用Abaqus进行有限元计算，利用fesafe疲劳分析软件对齿轮系统进行不同抗拉强度下的疲劳寿命计算.

1减速机齿轮系统模型建立

某矿车减速机齿轮系统的三维模型见图1，包括1个太阳轮、3个行星轮和1个扭力管.齿轮系统的传动比为31.85.

2载荷谱计算

在实际运行过程中，矿车会经过各种路况.选取疲劳计算的工况为矿车实际运行过程中的恶劣工况，即满载上坡后空载下坡.某矿车满载（230 t）上坡运行，下坡空载，坡度随时间变化.电机的额定输入功率为800 kW，额定输出扭矩为14 200 N·m，最大输出扭矩为24 400 N·m.根据Simulink仿真得到矿车电机的输出扭矩的变化曲线，见图2和3.

扭矩曲线显示：满载上坡扭矩明显大于空载下坡扭矩；在某一时间段内，电机输出扭矩和转速在某固定值附近保持微小波动.

3齿轮系统有限元模型建立

传统计算中齿轮系统实体三维网格提交计算量大[69]，且在调整过程中不能很好地满足轴线平行，造成轴线方向应力分析结果分布不均.利用平面二维单元分析能很好地解决该问题.在啮合过程中齿轮轴线方向本身可以作为平面应力问题处理，因此在模拟齿轮啮合的过程中采用平面应力单元进行分析.由于对齿轮的啮合面定义为动态类型的接触，因此对于二维Abaqus动态（显示）计算得到的中间文件，fesafe软件不能显示其结果；可用稳态计算得到Abaqus中间文件，然后与动态计算的结果比较得到其放大因子，再将放大因子用于fesafe软件，模拟实际工况进行疲劳分析.

3.1材料参数

齿轮材料需经过热处理[10]，处理后的齿轮材料抗拉强度处于某个范围.齿轮材料为优质合金钢，fesafe软件自带丰富的材料数据库，可近似拟合材料的SN曲线.分析中所用的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.处理后的材料抗拉强度见表1.

齿轮系统大部分采用四边形单元，有些采用三角形单元过渡，然后采用软件中自带的网格检查方法对有限元模型进行检查，检查结果见表2.

定义好接触及耦合后分别在太阳轮和扭力管上加载扭矩，在行星轮上施加转速，齿轮系统的二维有限元模型见图5.

4有限元计算

经过上述几何处理、网格划分、工况点扭矩提取以及边界条件施加，提交Abaqus计算就可得到齿轮系统的中间应力结果文件.

4.1整体应力分布

齿轮系统的整体应力分布见图6，可知最大应力发生在齿轮分度圆附近.

4.2各工况点有限元分析结果

针对图2和3，提取不同时刻的工况点进行有限元稳态和动态分析，得到各工况点的有限元分析结果，确定各个时刻的放大因子.部分工况点的齿轮系统分析结果见表3和4（工况点较多，本文仅列出12种）.

5疲劳分析计算

热处理后的材料抗拉强度处于某个区间，所以对太阳轮和扭力管的抗拉强度取4组值分别进行疲劳分析.

将稳态分析结果导入fesafe疲劳分析软件，输入各个工况点对应的应力放大因子，以便模拟实际动态工况进行疲劳计算.

5.1太阳轮疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下的太阳轮疲劳分析结果见表5，可以看出当抗拉强度增加时，其疲劳寿命也快速增加.抗拉强度1 080 MPa时太阳轮行星轮系统的疲劳寿命分布见图7，可知，疲劳破坏发生在太阳轮的分度圆处；由于齿轮轮齿承受同样的交变载荷，所以各轮齿的寿命基本一致.

由于减速机齿轮系统要求太阳轮寿命应达到25 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度必须波动更小，太阳轮热处理后抗拉强度范围应保证在1 150 MPa以上.

5.2扭力管疲劳寿命分析结果

不同抗拉强度下扭力管的疲劳寿命见表6.结果表明当抗拉强度增大时，疲劳寿命也随之增加.

由于减速机齿轮系统要求扭力管寿命应达到65 000 h，热处理后的齿轮抗拉强度波动必须更小，扭力管热处理后抗拉强度范围应保证在925 MPa以上.

6结论

（1）提出一种基于“放大因子”、采用二维平面方法模拟减速机齿轮实时运行工况计算疲劳寿命的方法，能大大提高计算效率.

（2）分析认为太阳轮和扭力管最易发生疲劳破坏，同时齿轮寿命对抗拉强度的依赖性较为敏感.提出满足设计要求的齿轮抗拉强度在热处理后应达到的数值，为设计提供参考.

参考文献：

[1]何航红. 齿侧间隙对齿轮系统动力学行为的影响[J]. 机械设计与制造， 2012（7）： 281283.

[2]孙智民， 季林红， 沈允文， 等. 齿侧间隙对星型齿轮传动扭振特性的影响研究[J]. 机械设计， 2003， 20（2）： 36.

[3]龚海， 吴运新， 胡永会. 微屈服强度对残余应力松弛的影响[J]. 热加工工艺， 2012， 41（2）： 5254.

[4]倪守忠， 尚贤平， 余文平. 对碳素结构钢屈服强度标准的探讨[J]. 工程质量， 2012， 30（6）： 4346.

[5]韩存仓， 林士兰. 硬齿轮屈服强度与疲劳裂纹源的判定[J]. 中国机械工程， 2011， 22（13）： 16201623.

[6]鄂加强， 李光明， 张彬， 等. 兆瓦级风电偏航减速机行星齿轮疲劳仿真分析[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2011， 38（9）： 3238.

[7]章文强， 盛云， 于莉， 等. 燃料电池轿车变速器齿轮接触应力分析及疲劳寿命计算[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（4）： 3639.

[8]陈德民. 圆柱斜齿轮动态强度与疲劳损伤仿真[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 294296.

[9]唐东红， 崔玉莲， 张炳喜， 等. 装甲车辆侧减速器齿轮接触疲劳寿命预测研究[J]. 中国机械工程， 2011， 22（22）： 27622765.

[10]陈国民. 对齿轮热处理畸变控制技术的评述[J]. 金属热处理， 2012， 37（2）： 113.

（编辑武晓英）