高伟淤GAOWei曰刘娟于LIUJuan
（淤中煤科工集团太原研究院，太原030006；于山西北方机械制造有限责任公司，太原030009）
（淤TaiyuanResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Taiyuan030006，China；
于ShanxiNorthMachine-BuildingCo.，Ltd.，Taiyuan030009，China）
摘要：本文以行星齿轮传动装置为研究对象，以ANSYS软件为操作平台，对其进行了建模，装配，有限元分析，并以太阳轮为例，得到齿轮啮合任意位置的载荷、应力、应变等关键性能参数，对齿轮进行优化设计提供了参考。
Abstract:Inthispaper,theplanetarygearsastheresearchobject,ANSYSsoftwareastheoperatingplatformforitsmodeling,assembly,finiteelementanalysis,andthesunwheelistakenforexampletogetanywhereanditprovidesareferenceperformanceparametersforoptimizingthedesignofgearsintheload,stress,strainandothercriticalgear.
关键词：掘进机；行星齿轮传动装置；ANSYS；有限元分析
Keywords:roadheader；planetarygears；ansys；finiteelementanalysis
中图分类号院TH132.425文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）20-0039-03
0引言
行星齿轮传动装置具有结构紧凑、体积小、重量轻、工作平稳、传动比范围大、传动功率高的优点，因此在冶金、矿山、起重运输、汽车等领域得到了越来越广泛的应用。行星齿轮传动装置是掘进机的关键元部件，由于工作条件恶劣，工作载荷冲击大，允许空间小，外形尺寸和结构受到诸多限制，其可靠性直接关系到掘进机的使用寿命（如图1）。目前关于行星齿轮传动装置的计算并不完善，不能对齿轮整个啮合过程中的受载情况进行精确分析，为了保证可靠性，只能增加安全系数。近年来，有限元分析技术的迅速发展和完善，为行星齿轮传动装置的过程受载情况应力分析提供了有力工具，具备准确地评估预测情况。基于此，本文以ANSYS软件为平台，对其进行有限元分析。
1行星减速齿轮装置的实体建模尧装配尧参数化设置
1.1实体建模掘进机的行星减速齿轮装置的结构复杂，在生成有限元模型时同样要对其模型进行简化。掘进机的行星减速齿轮装置可以看作是两对齿轮副的啮合传动———外啮合齿轮副和内啮合齿轮副，所以在整体装置模型简化上，只选用一个同时参与内外啮合的行星轮。利用ANSYS软件，分别进行各个零件的实体建模，并根据太阳轮、行星轮和内齿圈的材料不同，在建立有限元模型时，分别定义它们的弹性模量、泊松比等。实体建模完成后，进行装配。图2为最后装配完成的掘进机行星减速齿轮装置简化的参数化模型。
1.2有限元网格划分为了提高计算机运行效率，在不影响运算结果的条件下，合理的简化模型很有必要。按照ANSYS软件网格划分的形式，对太阳轮、行星轮和齿圈分别进行网格划分。图3是行星减速齿轮装置简化后的划分网格情况。
总体而言，太阳轮、行星轮以及内齿圈三者齿面接触部位的网格粗细程度比较接近，沿齿轮纵向的按照扫掠划分的网格数量也比较一致。划分后的网格数量和节点数如表1所示。
1.3行星减速齿轮装置的约束设置行星减速齿轮装置设定如下约束设置：太阳轮、行星轮以及内齿圈进行刚性耦合；对太阳轮和行星轮而言，以齿轮的旋转中心和齿轮的内表面建立耦合关系，从而形成内部刚性区；对齿圈而言，以齿圈的旋转中心和齿圈的外表面建立耦合关系，从而形成外部刚性区。整个刚性区具有相同的旋转自由度，将转矩或者转速施加在齿轮的内部旋转中心上，通过刚性区将转速或者转矩传递到整个齿轮上。将转速施加在太阳轮上，转矩施加齿圈上，太阳轮、行星轮和齿圈围绕各自的旋转中心进行转动。本文以太阳轮进行有限元分析，行星轮和齿圈与太阳轮分析方法相同。
2行星减速齿轮装置的分析结果及处理
2.1变形以及总体位移图4表明了行星减速齿轮装置太阳轮逆时针旋转，行星轮顺时针旋转，齿圈瞬时针转动定时的总体位移情况。
2.2动力学的齿面接触应力由于太阳轮、行星轮和齿圈的材料不同，模型中存在两个接触疲劳强度最劣啮合位置，分别为太阳轮和行星轮齿面啮合接触处，齿圈和行星轮齿面啮合接触处齿轮接触处呈线接触，齿轮的实际接触区域是一条接触带，而并非完全的线接触。当太阳轮和行星轮处于最劣接触位置时，齿轮由两齿啮合区域进入单齿啮合区域，综合啮合刚度发生突变，齿面的接触应力的数值为517.435MPa；当齿圈和行星轮处于最劣接触位置时，齿轮由三齿啮合区域进入两齿啮合区域，综合啮合刚度发生突变。此时齿面的接触应力最大为437.445MPa。为了对太阳轮最劣啮合位置的应力状况进行研究，分别在最劣接触位置的齿面上沿接触线方向均匀选取18组节点，进行处理分析。根据曲线变化趋势得到对应采样节点的应力数值，对表2中的采样数据进行分析，采样数据接触应力的平均值为511.93MPa，最大值与平均值的偏差为1.074%，最小值与平均值的偏差为0.736%；所以行星轮系中太阳轮与行星轮的接触是均匀接触，沿接触线方向的应力波动不大，符合实际的齿面啮合接触情况。
2.3动力学的齿根弯曲应力行星减速齿轮装置有三处齿根弯曲应力的最劣啮合位置，分别为太阳轮齿根的最劣啮合位置、行星轮的齿根最劣啮合位置和齿圈的齿根最劣啮合位置。当齿轮长期工作以后，在受压边和受拉边先后产生疲劳裂纹，裂纹发展速度前者较慢，后者较快，故疲劳折断是从受拉边开始的，因此，行星减速齿轮装置的齿根弯曲应力以齿轮受拉侧的拉应力为研究对象进行分析。
图5和图6为太阳轮齿根在动态啮合过程中的最劣啮合位置的等效应力云图和等效应力的应变云图显示。应变的变化情况与应力的变化基本保持一致，等效应力数值大的部位，对应应变的数值也比较大。
如图7所示，在0.686267S时，太阳轮齿根处于最劣啮合位置，最大齿根弯曲应力为145.743MPa。为了对太阳轮齿根处的弯曲应力进行研究，需要在一个完整的循环周期进行时间历程分析。即对齿根弯曲应力最大的节点53791进行研究，图8说明了太阳轮齿根处的最大弯曲应力经历了由小变大再减小的过程，符合行星齿轮在实际的啮合过程中齿根处的应力变化规律。
3结语
本文利用有限元方法，对行星减速齿轮装置的啮合过程进行有限元分析，不仅能够准确求取最易发生疲劳破坏的部位，而且能精确求得啮轮在每一啮合位置的载荷、应力、应变等关键性能参数，对齿轮进行优化改进，为掘进机行星减速齿轮装置设计和生产提供了必要的技术支持。
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