RPG行星减速器齿面应力均化分析

孔 霞，蔡云龙

(江苏泰隆减速机股份有限公司，江苏 泰兴 225400)

RPG行星减速器齿面应力均化分析

孔 霞，蔡云龙

(江苏泰隆减速机股份有限公司，江苏 泰兴 225400)

为避免RPG行星减速器因齿面应力分布不均导致的齿面接触应力增加、齿根弯曲强度下降、行星轮轴承受力不均等问题，以RPG39-50型行星减速器为例，利用有限元方法，构建该型减速器的系统柔性模型，依托行星排框架、行星轮销轴、行星轮轴承及输出排齿轮等关键结构件的变形分析，进行了针对性的齿面优化修形，从而实现了齿面应力均化，有效提高了该齿轮系统的寿命与可靠性。

RPG；行星减速器；应力均化；齿面修形；有限元法

RPG行星减速器是一种大功率、低速、大扭矩输出的专用减速器，该减速器传递功率可达3 150kW，峰值输出扭矩可达3 800kN·m[1]。该减速器的结构，采用了一级定轴齿轮串联两级行星齿轮的传动形式[2]。由于RPG行星减速器的输出级为标准的NGW行星传动，在输出大扭矩时，行星排框架、行星轮销轴、行星轮轴承及输出排齿轮等结构件容易产生变形，不可避免地造成齿面偏载、齿面接触应力增加、齿根弯曲强度下降、行星轮轴承受力不均等不利因素[3-4]，因此对齿面进行优化修形，实现齿面应力均化，就成为提高齿轮系统寿命与可靠性的可行性。

1 基本强度分析

RPG行星减速器的结构如图1所示。造成RPG行星传动系统疲劳失效的主要诱因为扭矩载荷值和疲劳循环次数，而转速对疲劳失效的影响则可以忽略不计[5]。为实现RPG行星减速器高可靠性的设计，应首先对其疲劳强度进行初步分析。不失一般性，本文以RPG39-50型减速器为分析对象，利用有限元方法对其输出排齿轮系统进行疲劳强度分析[6]。分析中以峰值扭矩作为载荷边界条件，其数值取3 800kN·m，以无限寿命作为齿轮循环条件，其数值取107次，分析结果见表1。

从初步分析结果可知，输出排齿轮系统有足够的承载能力,满足减速器功率、扭矩等功能需求。

2 系统变形分析

表1给出的疲劳分析结果是在忽略系统各结构件变形的基础上得到的。由于输出级的NGW型行星传动中各结构件变形使输出排齿轮副产生错位量，严重影响齿轮系统的寿命、可靠性与传动性能。因此，要进一步对系统各结构件进行变形分析，明确各结构件的实际位移分布状态与影响因素。

由图1中RPG行星减速器结构可知，对输出排齿轮错位量有直接影响的变形结构件包括行星排框架、行星轮销轴、行星轮轴承等。通过分析上述3类基本结构件的变形，进而结合输出级的空间结构得到输出排齿轮副的啮合错位量，可为齿轮的精细化分析与齿面结构优化提供参考。

2.1行星排框架变形分析

仍以RPG39-50型减速器为分析对象，借助ANYSYS和MASTA软件为分析手段，建立减速器输出级的有限元模型，计算得到输出级行星排框架的综合位移分布状态,如图2所示。

行星排框架与行星轮销轴连接节点处的变形计算结果见表2、表3。

2.2行星轮销轴变形分析

利用相同的同理，得到的行星轮销轴线位移分析结果如图3所示。

2.3行星轮轴承变形分析

输出级行星排中含有10个型号为23244 CC/W33的行星轮轴承，以及型号为NCF 29/1000V、NCF 28/800V的2个框架轴承[7]，相关轴承的寿命分析结果如图4所示。

2.4输出排齿轮错位量计算

综合行星排框架、行星轮销轴、行星轮轴承的变形计算结果，求得输出排齿轮副的错位量计算结果(表4)。通过分析数据可知，输出排齿轮错位量依行星轮位置、变形及载荷分布而变化。

3 齿面优化修形

由于上述啮合处齿轮错位量的存在(如图5所示)，在齿面优化修形前，齿面存在严重的偏载接触。从接触应力可以看出，在齿面的一端甚至已脱离接触状态，而另一端应力急剧增加，达到了2 380MPa。

以啮合处的齿轮错位量为基本数据条件，沿齿面的齿向和齿廓2个方向进行修形。优化修形后的齿面接触应力状态如图6所示，齿面接触应力从2 380MPa减低到了1 728MPa，最小应力从0增加到了797MPa，实现了轮齿的正常啮合与齿面应力均化，提高了齿面承载能力。

另一方面，从齿面接触应力状态可以看出，经过优化修形后的齿面，在齿宽方向应力分布均匀，极大降低了齿宽方向的附加弯矩，从而有效地降低了齿根应力，改善了轴承的受力状态，提高了齿轮系统的寿命和可靠性[8]。

4 结束语

本文采用有限元方法对RPG行星减速器基本强度、系统变形和齿面优化修形进行分析研究，能为今后开发同类型产品在缩短开发周期、节省样机试验成本方面提供便利，同时对提高低速、大扭矩行星减速器的寿命和可靠性有一定的参考意义。

[1] 刘凤麟．一种行星减速机噪声探究[J].机械传动，2011，35(5)：63-65.

[2] 谭援强，何娟，杨世平，等．NGW型两级行星传动机构构型分析[J].机械传动，2013，37(11)：18-23.

[3] 洪雷，李学明，王进戈．多级NGW型行星齿轮传动的设计[J].机械传动，2011，35(6)：52-55.

[4] 魏静，吕程，孙伟，等．NGW型行星轮系模态特性及参数敏感性研究[J].振动工程学报，2013，26(5)：654-664.

[5] 朱有利，王燕礼，边飞龙，等．渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳失效成因再分析[J].摩擦学学报，2014，34(6)：722-728.

[6] 黄永荣．基于有限元法的正交面齿轮疲劳特性探究[J].机械传动，2014，38(8)：51-55.

[7] 蒋冬青，钱书琨，刘明红．辊压机配用RPG23减速机的使用与维护[J].新世纪水泥导报，2013，19(4)：29-32.

[8] 徐向阳，朱才朝，刘怀举，等．柔性销轴式风电齿轮箱行星传动均载研究[J].机械工程学报，2014，50(11)：43-49.

The homogenization analysis for tooth surface stress of RPG planetary reductor

KONG Xia, CAI Yunlong

(Jiangsu Tailong Machinery Group Company Co. , Ltd., Jiangsu Taixing, 225400, China)

The RPG planetary redactor is a special redactor with the conditions of large power, low speed and large torque output. The output structure of the RPG planetary redactor is easy to deform of many components, and the unbalanced distribution of tooth surface stress is inevitable. All these problems may cause the worse transmission conditions such as the raise of tooth surface contact stress, the drop of tooth flexural strength and the unbalanced loads of planetary gear bears. Taking RPG39-50 planetary redactor as an example, it uses the finite element method to build the flexible model of the redactor, analyzes the deformation of the components such as the planetary gear frame, the planetary gear shafts, the planetary gear bears and the output gears. At last, it realizes the tooth optimization repair. The result homogenizes the tooth surface stress and improves the reliability of the gear transmission system.

RPG; planetary redactor; stress homogenization; tooth surface repair; finite element method

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.018

2015-01-29

孔霞(1971—)，女，江苏泰兴人，江苏泰隆减速机股份有限公司高级工程师，主要研究方向为现代机械传动设计与创新。

TH132.4

A

2095-509X(2015)03-0079-04