摘要：行星減速機(jī)在設(shè)計(jì)階段采用的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，由于無法反映其在工作過程中所承受的動(dòng)載荷，導(dǎo)致實(shí)際使用中故障較多。要想從根本上解決造成這種現(xiàn)象的原因，必須確定在不同任務(wù)剖面下行星減速機(jī)所承受的動(dòng)栽荷。傳統(tǒng)載荷確定方法存在很大的局限性，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，本文對不同任務(wù)剖面下進(jìn)行行駛仿真試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對行星減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得不同任務(wù)剖面下行星減速機(jī)各零部件所承受的動(dòng)載荷，并從疲勞損傷累積理論入手分析了在承受交變載荷情況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大應(yīng)力很多倍的情況下，仍然會(huì)發(fā)生疲勞破壞的原因本文以行星架為例提供了在不同任務(wù)剖面下其所承受的動(dòng)載荷，為進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命預(yù)測提供了重要的載荷參考數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué) 仿真 動(dòng)載荷 虛擬樣機(jī) 行星架 引言 在現(xiàn)代汽車、坦克、自行火炮、工程機(jī)械和履帶車輛等機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用了行星減速機(jī)。行星減速機(jī)與普通的減速機(jī)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)[1]。據(jù)調(diào)查，某履帶車輛中的行星減速機(jī)在使用過程中出現(xiàn)的裂紋、斷裂故障較多，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。而且據(jù)了解，絕大多數(shù)的使用單位僅僅從維修方面來保證行星減速機(jī)的可靠性，也就是出現(xiàn)故障就拆開整個(gè)機(jī)器進(jìn)行維修，嚴(yán)重的影響了工作及生產(chǎn)任務(wù)的完成。但是這并不能從設(shè)計(jì)本身，也就是從根本上解決此類故障的再次發(fā)生。據(jù)對行星減速機(jī)設(shè)計(jì)單位的調(diào)查，行星減速機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的時(shí)候，缺乏準(zhǔn)確的載荷資料，只是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和積累的資料采用靜強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)零部件的安全系數(shù)一般都取得偏大，但是靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論無法反映行星減速機(jī)在工作過程中所承受的動(dòng)載荷，因此無法在設(shè)計(jì)階段就準(zhǔn)確確定零部件的壽命據(jù)統(tǒng)計(jì)，承受動(dòng)載荷而疲勞破壞的零件在汽車上多達(dá)70%以上[1]。因此，在設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算階段，除了采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和準(zhǔn)確的計(jì)算公式以外，確定所設(shè)計(jì)零件的真實(shí)載荷是一項(xiàng)基本而重要的工作。由于動(dòng)載荷的大小和特性受到路面情況、使用條件、整個(gè)機(jī)器及其零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)等多項(xiàng)因素的影響，因此研究和確定行駛系載荷是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。在我國，對車輛行駛系隨機(jī)載荷確定的研究工作尚屬于不成熟階段，因此這方面的數(shù)據(jù)資料積累較少。而傳統(tǒng)的載荷確定方法有試驗(yàn)測定法和數(shù)學(xué)分析法[1]，這些方法采用在全部行駛工況下實(shí)測載荷的方法，從理論上講所得到的資料固然比較可靠，但試驗(yàn)周期長，數(shù)據(jù)處理工作繁重，耗資大，效果慢，需要巨大的人力物力資源的密切配合，這就導(dǎo)致許多使用單位不進(jìn)行這些試驗(yàn)就投人生產(chǎn)使用，導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)故障較多、壽命無法預(yù)測的現(xiàn)象。 隨著多體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展及虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使進(jìn)行整體機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真成為可能[4]。本文在行駛仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提供各種不同行駛路面上某行星減速機(jī)各零部件所承受的動(dòng)載荷。在此基礎(chǔ)上，基于MSC．ADAMS平臺(tái)上建立了行星減速機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上對行星減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，提供不同行駛路面下行星減速機(jī)各零部件所承受的動(dòng)載荷，為失效原因分析和零部件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及疲勞試驗(yàn)提供可靠的載荷數(shù)據(jù)[2]。 1基于行駛仿真試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)仿真分析流程圖 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及建模手段和仿真水平的提高，虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)械系統(tǒng)性能分析和評估提供了新的手段。工程研究人員利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以對機(jī)械系統(tǒng)建立虛擬樣機(jī)，模擬其在真實(shí)環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)和受力，可以對機(jī)械系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和評估。目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已成功運(yùn)用于機(jī)械制造、航空和航天等領(lǐng)域，取得了可喜的成績[2][4]。 我們將虛擬樣機(jī)技術(shù)與動(dòng)力學(xué)仿真分析相結(jié)合建立行星減速機(jī)虛擬樣機(jī)模型，并且結(jié)合履帶車輛的行駛仿真試驗(yàn)，通過建立不同行駛工況的路面譜，確定選擇車輛地面力學(xué)模型，從而賦予合適的物理參數(shù)，可以較真實(shí)的反映行星減速機(jī)內(nèi)部的受力，大大提高履帶車輛動(dòng)力學(xué)分析的準(zhǔn)確度與可信度，加速新產(chǎn)品及改良產(chǎn)品試驗(yàn)過程，減少研制費(fèi)用。同時(shí)，由于仿真技術(shù)具有無與倫比的方便性和靈活性，這種研究方法突破了傳統(tǒng)的分析模式，可以進(jìn)行物理樣機(jī)無法進(jìn)行的各種極限條件下的試驗(yàn)，這對改善履帶車輛的試驗(yàn)條件、完善試驗(yàn)手段、減少試驗(yàn)費(fèi)用、提高試驗(yàn)效率和提高研制水平等都具有極其重要的意義。 基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的行星減速機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真分析應(yīng)用到行星減速機(jī)的再設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。 2行星減速機(jī)虛擬樣機(jī)的建立 2．1行星減速機(jī)的工作原理 本文所介紹的行星減速機(jī)采用了2K—H（A）型行星減速裝置（如圖2所示），此機(jī)構(gòu)通常被稱為單元行星齒輪機(jī)械或簡稱行星排[3]。 圖2所示的2K—H（A）型行星排的轉(zhuǎn)速方程為 2K—H（A）型行星排具有3個(gè)基本構(gòu)件：太陽齒輪a、內(nèi)齒輪b和行星架，如果知道了其中輸入件和制動(dòng)件的具體情況，則可得出傳動(dòng)比計(jì)算公式。本文所討論的行星減速機(jī)為內(nèi)齒輪b被制動(dòng)，即n=0，太陽齒輪a輸入和行星架輸出（見圖2）的傳動(dòng)形式，則其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為 則得其傳動(dòng)比計(jì)算公式為 2．2行星減速機(jī)實(shí)體建模 根據(jù)圖1所示流程圖所示應(yīng)該首先建立本文討論的行星減速機(jī)的各零部件的三維實(shí)體模型，并對各零部件進(jìn)行組裝，形成各級子裝配并最后進(jìn)行總裝配建模的過程中應(yīng)注意的問題如下： （1）模型簡化 盡管行星減速機(jī)模型中的許多小部件不可忽略，但如果每個(gè)部件都加以考慮也是十分不現(xiàn)實(shí)的，例如一些密封的元器件，在動(dòng)力學(xué)仿真中不必考慮的這些問題都可以在進(jìn)行建模的過程中省略掉，以減小模型的大小和在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)節(jié)省時(shí)問，在建立模型時(shí)對易損件和難修件進(jìn)行了側(cè)重。 （2）三維實(shí)體模型物理特征及參數(shù)的確定 對所建立的行星減速機(jī)的三維實(shí)體模型進(jìn)行物理特性及參數(shù)的驗(yàn)證，以保證三維實(shí)體模型最大限度地與真實(shí)的零部件的實(shí)體特征如質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相一致。圖3是應(yīng)用Pro/E建立的行星減速機(jī)各零部件的實(shí)體模型，并根據(jù)以上注意事項(xiàng)將所建立的模型與設(shè)計(jì)圖紙一一進(jìn)行檢查，結(jié)構(gòu)與物理特征都符合的較好。 2．3虛擬樣機(jī)的建立及校核 在MSC．ADAMS平臺(tái)上，根據(jù)行星減速機(jī)的工作原理對建立好的三維實(shí)體模型施加必要的約束，建立的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示（內(nèi)齒輪經(jīng)過特殊處理為半透明狀 ，目的是使內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更清晰化）。 對建立好的虛擬樣機(jī)在 ADAMS平臺(tái)里進(jìn)行定性模型驗(yàn)證[4]，得到如下信息 VERIFY MODEL：．MPRO—model 0 Gmebler Count（approximate degrees of freedom） 8 Moving Parts（not including ground） 3 Revolute Joints 5 Fixed Joints 1 Motions 2 Gears 0 Degrees of Freedom for．MPRO—model There are no redundant constraint equations． Model verified successfully 模型驗(yàn)證結(jié)果為沒有多余約束，模型驗(yàn)證成功，證明了所建立行星減速機(jī)的虛擬樣機(jī)定性分析是正確的。為了增加所建立模型的準(zhǔn)確度，本文又對所建立的虛擬樣機(jī)的模型進(jìn)行了傳動(dòng)比驗(yàn)證，這樣可以確定虛擬樣機(jī)有極高的可信度。 本文所研究的行星減速機(jī)的傳動(dòng)比，利用式（3）可得傳動(dòng)比為 對所建立的虛擬樣機(jī)進(jìn)行無驅(qū)動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，由運(yùn)動(dòng)輸入及輸出的角速度之比確定建立虛擬行星齒輪的三維實(shí)體模型樣機(jī)的傳動(dòng)比為3．5786，與設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比相差無幾，因此可以認(rèn)為所建立的虛擬樣機(jī)是準(zhǔn)確的，可以代替實(shí)物樣機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)。 3基于MSC．ATV的行駛仿真試驗(yàn) MSC．ArV系統(tǒng)是基于ADAMS軟件的一個(gè)工具包，是美國MDI（MechanicalDynamicsInc．）AB開發(fā)的一個(gè)履帶車輛工具箱ArV（AutomaticTrackVehicle），作為分析軍用或商用履帶式車輛各種動(dòng)力學(xué)性能的理想工具，它具有在一個(gè)模型中、多履帶系統(tǒng)、全3D能力、不同的拓樸結(jié)構(gòu)、全動(dòng)力學(xué)履帶模型以及軟、硬泥土路面接口等特點(diǎn)?；贏rrV行駛仿真系統(tǒng)可以對履帶車輛系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測、疲勞分析以及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。圖5所示為履帶車輛底盤在ArV中某級路面上的仿真示意圖。 由于ArrV工具箱是ADAMS用于履帶／輪胎式車輛的專用工具箱，能研究車輛模型在各種路面、不同的車速和使用條件下的動(dòng)力學(xué)性能；是分析軍用或商用履帶／輪胎式車輛各種動(dòng)力學(xué)性能的理想工具；行駛仿真計(jì)算可以獲取大量與履帶車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，可為最終實(shí)現(xiàn)履帶車輛的虛擬制造、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及性能預(yù)測提供一條行之有效的技術(shù)途徑。 4基于行駛仿真試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)仿真 4．1行星架危險(xiǎn)斷面靜載荷下扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的驗(yàn)算 本論文采用行星減速機(jī)中的典型零部件——行星架作為其中研究的一個(gè)特例來進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。由履帶車輛的行星減速機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書得靜載荷強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件為：在 30。側(cè)傾坡上按照履帶與土壤的附著力計(jì)算，一側(cè)力矩按車重的0．6G計(jì)算，此時(shí)計(jì)算力矩為 已知行星架的材料為45CrNi，σ[sub]s[/sub]=8000kg/cm[sup]2[/sup]。依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，行星架的危險(xiǎn)端面為行星架的軸徑部位，這樣由已知的計(jì)算力矩和已知的材料特性得出行星架危險(xiǎn)斷面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力[5]為 靜載荷下扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 由靜載荷下的應(yīng)力與許用應(yīng)力相比可以得知，安全裕量較大，行星架的軸徑的危險(xiǎn)斷面應(yīng)該是滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的。但是實(shí)際上并非如此，行星減速機(jī)在使用過程中，行星架軸徑卻出現(xiàn)了裂紋、斷裂的疲勞破壞現(xiàn)象。由于靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)不能充分反映材料在動(dòng)載荷作用下的特征，又由于履帶車輛在行軍過程中大多承受的是交變動(dòng)載荷，所以必須對行星減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)載荷下的疲勞強(qiáng)度的分析計(jì)算，對行星架的危險(xiǎn)斷面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。 4．2基于行駛仿真試驗(yàn)的行星架動(dòng)力學(xué)仿真研究 由于履帶車輛的工作路面復(fù)雜多變，各種重型機(jī)械在工作過程中受到是交變動(dòng)載荷，由于目前研究手段的限制，故大多數(shù)的機(jī)械產(chǎn)品沒有進(jìn)行動(dòng)載荷下的壽命預(yù)測，因此導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中實(shí)際壽命與設(shè)計(jì)壽命相差較大的情況，要解決此類問題，研究不同任務(wù)剖面下的交變動(dòng)載荷是進(jìn)行再設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及壽命預(yù)測的關(guān)鍵問題。由于測試手段、試驗(yàn)時(shí)間及資金的限制，以及計(jì)算機(jī)仿真在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上對各零部件進(jìn)行動(dòng)載荷情況下仿真分析成為解決上述問題的一個(gè)有效手段，行星減速機(jī)中的行星架的例子就證明了這種方法的可行性。 本文基于行駛仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對行星減速機(jī)進(jìn)行了不同的路面、不同行駛速度的動(dòng)力學(xué)仿真，但由于篇幅有限，文中只給出其在某實(shí)驗(yàn)跑道上分別掛3擋4擋和5擋時(shí)的行駛仿真結(jié)果，并計(jì)算出在不同擋位時(shí)行星架所承受的交變動(dòng)載荷。圖6所示為掛3擋時(shí)行星架軸徑所承受交變動(dòng)載荷。 由圖6所得的交變動(dòng)載荷的最大絕對值計(jì)算，在某一路段內(nèi)行星架的危險(xiǎn)斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（取最大轉(zhuǎn)矩為5233N•m） 圖7為某試驗(yàn)跑道掛4擋時(shí)，行星架軸徑所承受的交變動(dòng)載荷。 由圖7所得的交變動(dòng)載荷的最大絕對值計(jì)算，在某一路段內(nèi)行星架的危險(xiǎn)斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（取最大轉(zhuǎn)矩為8763N•m） 圖8為某試驗(yàn)跑道掛5擋時(shí)，行星架軸徑所承受的交變動(dòng)載荷。 由圖8所得的交變載荷的最大絕對值計(jì)算．在某一路段內(nèi)的行星架的危險(xiǎn)斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（取最大的轉(zhuǎn)矩為10707N·m） 由3擋、4擋和5擋交變動(dòng)載荷下行星架危險(xiǎn)斷面最大應(yīng)力的仿真結(jié)果與靜載荷下行星架危險(xiǎn)斷面的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力比較可以看出，3擋、4擋和5檔運(yùn)行時(shí)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自行火炮行星框架危險(xiǎn)斷面的設(shè)計(jì)時(shí)的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，在這種安全裕量很大的情況下，行星減速機(jī)零件失效的主要原因是行星減速機(jī)主要承受一種不規(guī)則的交變載荷，行星框架失效的主要原因是由于在工作過程中承受一系列交變載荷所產(chǎn)生疲勞損傷的累積而造成的，由于疲勞損傷演化的機(jī)理十分復(fù)雜，目前疲勞累積損傷理論尚沒有得到很好的解決，工程上廣泛應(yīng)用的是Miner線性疲勞累積損傷理論一。能較好地預(yù)測疲勞壽命的均值。 Miner理論定義包括三方面 1）一個(gè)循環(huán)造成的損傷 2）等幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷 變幅載荷下 ，n個(gè)循環(huán)造成的損傷 3）臨界疲勞損傷D[sub]CR[/sub]若是常幅循環(huán)載荷，顯然當(dāng)循環(huán)載荷的次數(shù)凡等于其疲勞壽命N時(shí)，疲勞破壞發(fā)生，即n=N，由式（12）得到D[sub]CR[/sub]=1，對于二級或者很少幾級加載的情況下，試驗(yàn)件破壞的臨界損傷值D[sub]CR[/sub]偏離1很大。對于隨機(jī)載荷，試驗(yàn)件破壞時(shí)的臨界損傷值 D[sub]CR[/sub]在1附近[6] 。 由Miner對疲勞損傷定義以及破壞準(zhǔn)則可以得出，行星減速機(jī)在工作過程中，由于系統(tǒng)工作任務(wù)剖面的變化，導(dǎo)致行星減速機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變，行星框架危險(xiǎn)斷面承受交變載荷的作用，且這些載荷的數(shù)值雖然不一定大得使零件突然損壞，但由于它們的經(jīng)常作用，這種變幅交變載荷對行星框架疲勞損傷積累到其臨界疲勞損傷D[sub]CR[/sub]時(shí)，就出現(xiàn)了行星框架在危險(xiǎn)斷面承受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)“安全”應(yīng)力情況下就發(fā)生突然破壞的現(xiàn)象。因此確定行星減速機(jī)在運(yùn)行過程中所承受的交變動(dòng)載荷，以及對動(dòng)載荷作用下行星減速機(jī)各零部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 5結(jié)論與展望 本文針對靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論下的行星減速機(jī)實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)壽命有很大差距這一問題，提出在行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上對履帶車輛行星減速機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，以期獲得其在不同任務(wù)剖面所承受的交變動(dòng)載荷，為進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命預(yù)測提供了重要的載荷參考數(shù)據(jù)。本文對某試驗(yàn)場地進(jìn)行了行駛仿真試驗(yàn)，結(jié)合行星減速機(jī)的虛擬樣機(jī)對不同擋位時(shí)行星架所承受的交變動(dòng)載荷進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并從疲勞損傷累積理論人手分析了在承受交變載荷情況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大應(yīng)力很多倍的情況下，仍然會(huì)發(fā)生疲勞破壞的原因。本文研究的基于行駛仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)仿真分析，對研究在交變動(dòng)載荷的情況下的壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有極其重要的意義。 參考文獻(xiàn) 1吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室編著．汽車設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1983 2吳大林．自行火炮行駛仿真試驗(yàn)研究[碩士學(xué)位論文]．石家莊：軍械工程學(xué)院，2oo5 3饒振綱．行星齒輪變速箱的設(shè)計(jì)研究．傳動(dòng)技術(shù)，1999，39～45 4鄭建榮．ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2002（1）：1～10 5王義質(zhì)，李叔涵．工程力學(xué)，重慶：重慶大學(xué)出版社，1～5（2） 6姚衛(wèi)星．結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析．北京：國防工業(yè)出版社．2oo3（1）