一种小行星齿轮箱失效原因分析

摘要：小行星齿轮箱由于结构紧凑、功率密度大、运行平稳，在工业、风电等领域得到了广泛应用。由于早期缺乏经验，出现了一个批次销轴冒出的失效案例，影响了齿轮箱正常运转，现简要对此失效案例进行原因分析，并给出纠正措施。

关键词：行星传动;失效分析;疲劳损伤;销轴;辐板

0    引言

小行星齿轮结构紧凑、可靠性高，在工业领域（回转、行走、卷扬等）通常用于减速传动。因其高功率密度，可以做到体积小、速比大，所以可以实现扭矩快速增大用于驱动下一级部件。因以上各项优点，小行星齿轮在风电的偏航、变桨领域也得到了广泛应用。但小行星齿轮早期出现了一类特殊失效模式——行星销轴冒出，冒出的销轴顶住上一级行星架，阻碍转动并刮蹭下大量的铸件铁屑，进一步造成润滑油污染、轴承失效，维修费用很高。本文将介绍笔者参与问题分析、确定根本原因以及最后采取纠正措施的全过程。

1    齿轮箱结构及问题描述

行星传动主要部件包括太阳轮、行星轮、齿圈、行星架、销轴和轴承等，属于NGW传动类型（图1）。小行星齿轮箱通常由一级到多级行星传动串联（一级输出是下一级输入）组成。风电小行星齿轮箱通常是由三至五级行星传动组成，结构参考文献[1]。

风电行星传动的特点是转速低、扭矩大、频繁正反换向工作（要不停调整整个风机或叶片得到合适的方位），这就对行星结构中行星架及齿轮零件造成了高度累积的疲劳损伤。笔者接触到的早期开发的一批产品中出现了一次奇怪的失效——销轴向左（高速端）冒出，冒出的销轴甚至和前一级行星架右辐板干涉，严重的还会卡死，直接影响到润滑油清洁度和行星结构的正常传动。由于该失效通常在产品使用一年内发生，而且同批次发生的概率高，所以紧急进行了细致的原因分析，并采取了纠正措施。维修方案需要对齿轮箱进行拆解、重新设计制造部分零件，所以维修成本比较高，因此笔者认为有必要对问题进行分析整理，和同行交流经验。

2    失效原因分析

新品的开发初期必然有充分的模拟分析计算和大量的试验验证，风电小行星齿轮箱也不例外。从理论力学分析，直齿轮行星齿轮在几个行星轮之间通常有均匀分布的几个力，这几个力经由行星轴承和销轴向行星架提供纯扭矩，合力為零。所以，理论上来说行星轮不存在任何轴向力，销轴也不受任何轴向力。销轴通常按经验值取一定的过盈量和行星架连接。早期由于行星传动在工业领域的应用批量比较小，所以行星架为左右分体结构，左侧是球墨铸铁件，右侧是钢件（例如42CrMo）;随着铸造技术进步和批量加大，设计改进成一体铸造形式（参考图1）。

迫使销轴向左冒出的这个轴向力来自哪里一时间很难得到完美的解释。所以，原因得从头开始找，经仔细分析，有限元仿真发现了可疑的现象。有限元分析关注的地方是齿轮弯曲疲劳，行星架圆角处的最大应力、应变等，行星架的左右辐板相对应变只关心了最大应变量的控制，而应变对销轴过盈的影响没有也很难引起重视，因为这恰是进行模拟计算的一个假设——假设过盈量足够大，相对没有位移。早期版本的软件功能也受限制，这种反复正反力作用对销轴产生蠕动的影响是无法进行模拟计算的。

通过图2可以看出，在受力情况下行星架左侧相对较薄，而且左侧对于右侧形成悬臂梁的结构，所以销轴中间受力时左侧相对右侧有一个扭转作用。当太阳轮正反转时，销轴对于行星架的力也反复左右变换，销轴左端相当于反复受到左右方向的弯矩。即使左右行星架辐板和销轴过盈量一样，但右厚、左薄，形成的过盈力是不一样的，可以把销轴（钢件）的左右两端想象成分别被一只小手和一只大手抓着。受力时一定是左侧发生更大扭转（图2），当力退去或反向时，销轴想恢复原状或向另一侧摆动，过程中由于右端过盈更紧，所以销轴很难向右移动，只能向左端发生相对蠕动，重复这样换向后销轴实际是缓慢向左移动了。如果行星架采用的是左右分体结构，这种现象进展就更快、更明显，因为右侧钢件产生的过盈力比左侧铸件要大得多。这种现象类似于生活中要把插入泥土里的一根木棍取出来，通常的做法是把木棍不停地左右推拉，木棍会缓慢向上退出。

3    解决措施

行星架由于结构和经济性的要求，必须设计成上述左辐板薄、右辐板厚、分体组装或整体铸造的结构，这样销轴也就不可避免地会在工作中有蠕动的倾向。所以，单靠过盈来保持销轴相对行星架的位置似乎是不够的。往复运动时间长了，销轴会慢慢向左冒出，且速度会越来越快，因为只要有蠕动，原先的过盈量就逐渐被破坏了。要解决以上失效问题，就必须额外给销轴增加轴向定位，通常有以下几种常用的做法：

（1）材料选择上，优先采用整体球墨铸铁铸造。分体结构只在某些不得已情况下使用，比如对行星架右侧和下一级零件连接强度有很高要求，铸件完全达不到时。整体铸造结构可能会多出模具费用，但小行星传动大都有一定的数量，只要做好模块化设计，还是很容易形成成本优势的。

（2）结构上一定要给销轴增加轴向定位。常用的做法有：在左右辐板上打侧面销孔，一直打入到销轴的深度，装入定位销轴向固定销轴;可以两侧都打也可只打一侧;行星架左右辐板的销轴孔两端留空间用于安装孔用弹性挡圈;或者销轴一端通过轴肩定位，另一端采用孔用弹性挡圈定位。销轴轴向蠕动是缓慢的过程，力不一定大，所以无论是用定位销还是孔用弹性挡圈都可以起到轴向定位作用。在改进版的行星架设计中，新的定位结构一直采用至今，再未发现同类型的失效问题，这说明设计改进是完全有效而且充分的。

4    结语

通过以上行星型结构中销轴失效案例的简要分析，发现结构件设计阶段做充分的模拟计算非常必要。但模拟计算都是在一定的假定、前提和简化条件下做出的理论计算，工程师们不能仅仅把计算中的这些因素当成软件的默认前提条件，反而需要尤其关注这些条件，因为计算结果的正确性恰恰是基于前提假设等因素的正确性。如果前提都不够正确，那结果也不能完全让人信服。有时候设计可能还离不开生活经验对理论的校正作用。

本文中分析的案例来自笔者自身所在行业应用经验，根据工况的相似性，可以在一定程度上作为类似工况的行星结构传动领域的经验参考。

[参考文献]

[1] 凡晶梅.风电小行星齿轮箱模块化探讨[J].机电信息，2020（27）：143-144.

[2] 饶振纲.行星齿轮传动设计[M].2版.北京：化学工业出版社，2014.

[3] 闻邦椿.机械设计手册：齿轮传动[M].6版.北京：机械工业出版社，2015.

[4] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

收稿日期：2020-09-03

作者简介：凡晶梅（1986—），女，河南人，工程师，南京高精传动设备集团有限公司工艺主管，研究方向：风电小行星齿轮箱制造工艺优化和成本优化。