PDF《新型软启动行星减速器结构分析》

第41 卷第

5 期应用科技Vol.

41 №.5

2014 年10 月Applied Science and Technology Oct.

2014 doi: 10.3969/ j.issn.1009?671X.201403004 网络出版地址: ? http:/ / www.cnki.net/ kcms/ doi/ 10.3969/ j.issn.1009?671X.201403004.html 新型软启动行星减速器结构分析 齐秀丽1 ,鞠彬1 ,王军2 ,刘洋1 1. 山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛

266590 2. 枣庄科技职业学院 机械数控部,山东 枣庄

277500 摘要:软启动技术主要是指机械系统在满载的状况下能够按照要求解决整个系统的惯性并且平稳地启动或停车,以缓 解电动机对机械传动系统和运输带的启动冲击,延长各个部件的使用寿命. 利用汽车差速器结构特点和工作原理对软 启动传动机构中行星轮系进行了结构优化设计,并通过 ANSYS 软件分析方法对锥齿轮啮合部分进行了弯曲应力分析, 满足生产要求. 关键词:行星减速器;

软启动;

差速器;

弯曲应力;

ANSYS 中图分类号:TD403 文献标志码:A 文章编号:1009?671X(2014)05?067?03 Structural analysis of a new type of soft start planetary reducer QI Xiuli1 , JU Bin1 , WANG Jun2 , LIU Yang1 1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China 2. Mechanical CNC Department, Zaozhuang Vocational College of Science and Technology, Zaozhuang 277500, China Abstract:The soft start technology mainly refers to a mechanical system, which is able to solve the inertia of the whole system, and start or stop smoothly as requested in full load condition. The soft start device can alleviate the impact brought by electromotor on the mechanical transmission system and conveyor belt during the starting process, and prolong the service life of the parts. Combining structural characteristics and working principle of automobile differential mechanism, an optimization design was carried out on the planetary gear train in this paper. Bend stress analysis using ANSYS software shows that the soft start reducer can meet the production requirement well. Keywords:planetary reducer;

soft start technology;

differential;

bend stress;

ANSYS 收稿日期:2014?03?11. 网络出版日期:2014?09?26. 作者简介:齐秀丽(1957?), 女,教授;

鞠彬(1988?), 男,硕士研究生. 通信作者:鞠彬,E?mail:skdjubin2008@ 163.com. 随着现代工业的飞速发展,煤矿生产能力的不 断提高,矿用带式输送机的运量不断加大、重载机械 设备不断大型化. 虽然国内矿产机械设备在大功 率、可靠性等方面有着一些成熟的研究和理论,但是 相对国外的产品还有很大差距,尤其是在大型的带 式输送机的负载起动时,引起的冲击对设备的寿命 及其稳定性造成了极大的影响[1] . 目前国内外都 是采用软启动的方法来克服大型设备负载起动时所 造成的破坏性冲击,使机器能安全平稳的启动运行. 软启动装置的主要功能是使电动机在负载的工况下 能够平稳启动,缓解了电流冲击对电动机造成的损 坏;

因此研究更加稳定可靠的软启动装置是提高煤 矿生产能力和保障煤炭安全生产和运输的关键问题 所在[2~3] .

1 行星减速器的设计 目前国内的软启动设备结构体积较大,运输安 装不方便,功能上存在应急能力差、转速波动大、噪 声大等方面的缺陷,无法满足一些企业的特定要求. 本文通过对差速器结构进行改进,使其实现软启动 的效果. 汽车差速器工作原理如图

1 所示,输入轴 提供动力,带动差速器侧面锥形齿轮转动,2 个行星 齿轮既可以围绕自身中心线自转,又可以围绕两输 出轴线公转. 利用两行星轮的这一转动特点,可实 现两输出轴输出不同的转速,从而避免了汽车转弯 时内侧驱动轮出现打滑现象. 图1汽车差速器工作原理 利用汽车差速器的工作原理,设计了软启动行 星减速器装置,工作原理图如图

2 所示[4] . 输出轴

3 连接负载,启动前处于静止状态,电动机带动输入 轴1转动,由于输出轴

3 处于负载状态,输出轴不转 动,导致行星轮

4 既自转,又围绕太阳轮

5 中心线公 转,并且带动控制轴

2 转动. 虽然输出轴

3 处于负 载状态,但电动机启动时却相当于空载启动. 当电 动机启动起后,利用液压装置逐渐压紧控制轴

2 端 部的摩擦片,致使控制轴的旋转速由最高减小到零. 此时,输出轴

3 的转速随着控制轴

2 的转速减小而 增大,直至最高转速,从而实现了在负载状态下转速 由零到正常转速的功能,达到软启动效果. 图2软启动行星减速器工作原理 图3各轴转速 在整个软启动过程中,各个轴的转速方向和大小 如图

3 所示. 0~t1是电动机启动阶段,t1 ~t2是输出轴 启动阶段. 在0~t1 阶段,输入轴、控制轴以及行星轮 (自转)转速分别达从

0 到达最高转速;

在t1 时刻时, 启动液压装置压紧控制轴端部的摩擦片,使控制轴的 转速开始降低,直至减小到 0;

与此同时,行星轮自转 速度开始降低,输出轴开始转动;

当行星轮自转速度 减小到

0 时,控制轴和输出轴的转速相等;

之后,行星 轮转速变向,并随着控制轴的转速降低而增加,直至 输出轴达到最高速,至此,整个软启动过程结束. 由图3可知,在t1 ~ t2 阶段,负载开始启动,但输入轴的 转速几乎保持稳定状态,从而保证了电动机在负载状 态启动下不会受到冲击振荡的影响.

2 锥齿齿根弯曲强度分析 行星齿轮尺寸受结构限制,承受的载荷较大,在 承受载荷时,在齿根处产生的弯曲应力最大. 当轮 齿工作时受到交变应力重复作用,受拉一侧的齿根 处会产生疲劳裂纹,随着时间的增长疲劳裂纹将不 断扩展,最终导致齿轮弯曲疲劳折断. 因此文中利 用ANSYS 有限元分析软件对行星齿轮齿根弯曲应 力进行强度校核[5] . 文中选定锥齿轮材料为刚性材料

45 钢,弹性模 量为 Ex = 2.1e *

105 MPa ,泊松比取 μ = 0.3. 整个 模型划分为

148 850 个节点和

37 886 个单元,其中 在轮齿的啮合线上自由划分了

546 个节点. 为使结 果更加精确,在两齿轮啮合处的重点部位即齿根处 进行了网格的细化,细化的节点都分布在齿轮之间 的啮合线处,模型划分的网格如图

4 所示[6~8] . 图4锥齿轮对网格划分模型 行星齿轮有限元模型啮合时的受力包含

3 个部 分(集中力、面力和体力),根据锥齿轮之间的啮合受 力情况,为了使得计算简化,假定载荷在齿宽中点处 加载,并选取模数为中点处的模数,在齿轮啮合线处 加载为

33 369.6 N・m. 文中齿轮啮合接触面处选择 接触单元为 CONTA173,目标单元为 TARGE170. ・

8 6 ・ 应用科技第41 卷 分析结束后,从ANSYS 后处理模块中调取行星 锥齿轮啮合时齿轮弯曲应力和应变相关的图形、数据,如图

5、6 所示. 图5弯曲应力分布 图6应变分布 由图

5 弯曲应力分布图可知,行星锥齿轮轮齿 的最大弯曲应力发生在齿轮的啮合线处且最大弯曲 应力为

1 225.7 MPa. 锥齿轮齿根许用弯曲疲劳计算公式: δFw = δFlim YSF δFmin Yn 式中: δFlim 为齿轮材料弯曲疲劳强度值, 取550 MPa;

YSF 为尺寸系数,取2;

Yn 为轮齿的寿命系 数,取2.5;

δFmin 为轮齿齿根最小抗弯强度安全系数, 取1.3. 将上述取值代入公式计算行星齿轮齿根的许用 弯曲疲劳应力 δFw =

2 115.38 MPa. 实际齿根弯曲强度计算公式: δw =

2 000 * 8TK0 KmKs Kv bZm2 Jn 式中: T 为半轴齿轮转矩,33 369.6 N・m;

K0 为行 星齿超载系数,取1;

Km 为齿轮载荷分配系数,取1.1;

Ks 为尺寸系数,取4m25.4 ;

Kv 为质量系数,取1;

b 为齿面宽度,56.6 mm;

Z 为半轴齿轮齿数,32;

m 为齿轮的端面模数,10 mm;

Jn 为行星齿轮弯曲应 力综合系数,取0.225. 计算得: δw =

1 141.4 MPa 因此文中利用ANSYS 分析所得弯曲应力1225.7 MPa,而通过传统方法计算的最大弯曲校核 强度为1 141.428 MPa,两者非常吻合. 在图

6 锥齿轮对的应变分布云图中,应变最大 量发生 在行星锥齿轮齿顶位移处, 最大应变为0.193

37 mm,仍在许用应 变范围内, 符合技术要求.[9~10] .

3 结束语 通过对差速器结构进行改进,设计了软启动行星 减速器,该软启动装置具有体积小、调速平衡、调节灵 敏、应用范围广泛等优点. 通过有限元 ANASYS 软件 对行星锥齿轮进行弯曲强度校核,结果符合技术要 求. 利用有限元分析软件进行分析,为今后软启动减 速器设计分析提供了重要的参考依据. 参考文献: [1]刘得英. CST 软启动控制技术在带式输送机上的应用 [J]. 煤矿机电, 2009(4): 99?103. [2]王新伟, 张国平, 胡长对. 软启动在带式输送机中的应 用[J]. 煤矿机械, 2005(4): 121?123. [3]冯政. 软启动在皮带系统中的应用 [ J]. 硅谷,

2013 (16): 39?40. [4]濮良贵, 纪名刚. 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版 社, 2006: 186?192. [5]李维国, 李剑敏, 陈文华, 等. 差速器齿轮有限元精确 建模与强度分析[J]. 机械传动, 2011, 35(12): 70?72. [6]卢济武. 小模数、多齿数行星齿轮传动及其在采煤机械 中的应用[J]. 机械设计与研究, 1997(3): 17?18. [7]刘芳华, 张宇, 黄静. 差速器齿轮参数化建模与齿根应 力比较分析[J]. 机械设计与制造, 2012(10): 158?160. [8]姚春华, 林凤涛. 差速器行星齿轮弯曲强度有限元分析 [J].机械设计与制造, 2012(10): 242?244. [9]张华伟, 邱庆华. 胶带机软启动及功率平衡系统的设计 与仿真[J]. 中州煤炭, 2011(3): 3?5. [10]殷吕, 陈朝阳, 张代胜, 等. 行星齿轮参数有限元分析 与优化[J]. 合肥工业大学学报, 2012(3): 289?293. ・

9 6 ・ 第5期齐秀丽,等:新型软启动行星减速器结构分析