摘要：行星減速機在設計階段采用的靜強度設計理論，由于無法反映其在工作過程中所承受的動載荷，導致實際使用中故障較多。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剖面下行星減速機所承受的動栽荷。傳統(tǒng)載荷確定方法存在很大的局限性，隨著計算機仿真技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應用，本文對不同任務剖面下進行行駛仿真試驗，并在此基礎上對行星減速機進行動力學仿真，獲得不同任務剖面下行星減速機各零部件所承受的動載荷，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力遠遠小于設計最大應力很多倍的情況下，仍然會發(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剖面下其所承受的動載荷，為進行疲勞強度計算和壽命預測提供了重要的載荷參考數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：動力學 仿真 動載荷 虛擬樣機 行星架 引言 在現(xiàn)代汽車、坦克、自行火炮、工程機械和履帶車輛等機械傳動設備中已經(jīng)較廣泛的應用了行星減速機。行星減速機與普通的減速機構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、傳動比大、傳動效率高、承載能力大等優(yōu)點[1]。據(jù)調(diào)查，某履帶車輛中的行星減速機在使用過程中出現(xiàn)的裂紋、斷裂故障較多，嚴重影響了整個系統(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的可靠性，也就是出現(xiàn)故障就拆開整個機器進行維修，嚴重的影響了工作及生產(chǎn)任務的完成。但是這并不能從設計本身，也就是從根本上解決此類故障的再次發(fā)生。據(jù)對行星減速機設計單位的調(diào)查，行星減速機在進行設計研究的時候，缺乏準確的載荷資料，只是根據(jù)設計者的經(jīng)驗和積累的資料采用靜強度理論進行設計，設計零部件的安全系數(shù)一般都取得偏大，但是靜強度設計理論無法反映行星減速機在工作過程中所承受的動載荷，因此無法在設計階段就準確確定零部件的壽命據(jù)統(tǒng)計，承受動載荷而疲勞破壞的零件在汽車上多達70%以上[1]。因此，在設計和強度計算階段，除了采用先進的設計方法和準確的計算公式以外，確定所設計零件的真實載荷是一項基本而重要的工作。由于動載荷的大小和特性受到路面情況、使用條件、整個機器及其零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)等多項因素的影響，因此研究和確定行駛系載荷是一項很復雜的工作。在我國，對車輛行駛系隨機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測定法和數(shù)學分析法[1]，這些方法采用在全部行駛工況下實測載荷的方法，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，這就導致許多使用單位不進行這些試驗就投人生產(chǎn)使用，導致在使用過程中出現(xiàn)故障較多、壽命無法預測的現(xiàn)象。 隨著多體動力學和計算機軟硬件的發(fā)展及虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)，使進行整體機械系統(tǒng)的動力學仿真成為可能[4]。本文在行駛仿真實驗的基礎上，提供各種不同行駛路面上某行星減速機各零部件所承受的動載荷。在此基礎上，基于MSC．ADAMS平臺上建立了行星減速機的虛擬樣機模型，基于行駛仿真試驗基礎上對行星減速機進行動力學仿真，提供不同行駛路面下行星減速機各零部件所承受的動載荷，為失效原因分析和零部件的疲勞強度設計及疲勞試驗提供可靠的載荷數(shù)據(jù)[2]。 1基于行駛仿真試驗的動力學仿真分析流程圖 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及建模手段和仿真水平的提高，虛擬樣機技術(shù)為機械系統(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技術(shù)可以對機械系統(tǒng)建立虛擬樣機，模擬其在真實環(huán)境條件下的運動和受力，可以對機械系統(tǒng)的整體動態(tài)特性進行分析和評估。目前，虛擬樣機技術(shù)已成功運用于機械制造、航空和航天等領(lǐng)域，取得了可喜的成績[2][4]。 我們將虛擬樣機技術(shù)與動力學仿真分析相結(jié)合建立行星減速機虛擬樣機模型，并且結(jié)合履帶車輛的行駛仿真試驗，通過建立不同行駛工況的路面譜，確定選擇車輛地面力學模型，從而賦予合適的物理參數(shù)，可以較真實的反映行星減速機內(nèi)部的受力，大大提高履帶車輛動力學分析的準確度與可信度，加速新產(chǎn)品及改良產(chǎn)品試驗過程，減少研制費用。同時，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，可以進行物理樣機無法進行的各種極限條件下的試驗，這對改善履帶車輛的試驗條件、完善試驗手段、減少試驗費用、提高試驗效率和提高研制水平等都具有極其重要的意義。 基于行駛仿真試驗基礎上的行星減速機的動力學仿真分析應用到行星減速機的再設計的流程圖如圖1所示。 2行星減速機虛擬樣機的建立 2．1行星減速機的工作原理 本文所介紹的行星減速機采用了2K—H（A）型行星減速裝置（如圖2所示），此機構(gòu)通常被稱為單元行星齒輪機械或簡稱行星排[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件的具體情況，則可得出傳動比計算公式。本文所討論的行星減速機為內(nèi)齒輪b被制動，即n=0，太陽齒輪a輸入和行星架輸出（見圖2）的傳動形式，則其運動學方程為 則得其傳動比計算公式為 2．2行星減速機實體建模 根據(jù)圖1所示流程圖所示應該首先建立本文討論的行星減速機的各零部件的三維實體模型，并對各零部件進行組裝，形成各級子裝配并最后進行總裝配建模的過程中應注意的問題如下： （1）模型簡化 盡管行星減速機模型中的許多小部件不可忽略，但如果每個部件都加以考慮也是十分不現(xiàn)實的，例如一些密封的元器件，在動力學仿真中不必考慮的這些問題都可以在進行建模的過程中省略掉，以減小模型的大小和在進行動力學仿真時節(jié)省時問，在建立模型時對易損件和難修件進行了側(cè)重。 （2）三維實體模型物理特征及參數(shù)的確定 對所建立的行星減速機的三維實體模型進行物理特性及參數(shù)的驗證，以保證三維實體模型最大限度地與真實的零部件的實體特征如質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等相一致。圖3是應用Pro/E建立的行星減速機各零部件的實體模型，并根據(jù)以上注意事項將所建立的模型與設計圖紙一一進行檢查，結(jié)構(gòu)與物理特征都符合的較好。 2．3虛擬樣機的建立及校核 在MSC．ADAMS平臺上，根據(jù)行星減速機的工作原理對建立好的三維實體模型施加必要的約束，建立的虛擬樣機模型如圖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在 ADAMS平臺里進行定性模型驗證[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 模型驗證結(jié)果為沒有多余約束，模型驗證成功，證明了所建立行星減速機的虛擬樣機定性分析是正確的。為了增加所建立模型的準確度，本文又對所建立的虛擬樣機的模型進行了傳動比驗證，這樣可以確定虛擬樣機有極高的可信度。 本文所研究的行星減速機的傳動比，利用式（3）可得傳動比為 對所建立的虛擬樣機進行無驅(qū)動情況下的運動學仿真，由運動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體模型樣機的傳動比為3．5786，與設計的傳動比相差無幾，因此可以認為所建立的虛擬樣機是準確的，可以代替實物樣機來進行試驗。 3基于MSC．ATV的行駛仿真試驗 MSC．ArV系統(tǒng)是基于ADAMS軟件的一個工具包，是美國MDI（MechanicalDynamicsInc．）AB開發(fā)的一個履帶車輛工具箱ArV（AutomaticTrackVehicle），作為分析軍用或商用履帶式車輛各種動力學性能的理想工具，它具有在一個模型中、多履帶系統(tǒng)、全3D能力、不同的拓樸結(jié)構(gòu)、全動力學履帶模型以及軟、硬泥土路面接口等特點。基于ArrV行駛仿真系統(tǒng)可以對履帶車輛系統(tǒng)進行性能預測、疲勞分析以及系統(tǒng)的優(yōu)化設計[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力學性能；是分析軍用或商用履帶／輪胎式車輛各種動力學性能的理想工具；行駛仿真計算可以獲取大量與履帶車輛的結(jié)構(gòu)設計和動態(tài)性能密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，可為最終實現(xiàn)履帶車輛的虛擬制造、優(yōu)化設計以及性能預測提供一條行之有效的技術(shù)途徑。 4基于行駛仿真試驗的動力學仿真 4．1行星架危險斷面靜載荷下扭轉(zhuǎn)強度的驗算 本論文采用行星減速機中的典型零部件——行星架作為其中研究的一個特例來進行動力學仿真分析。由履帶車輛的行星減速機設計計算說明書得靜載荷強度設計條件為：在 30。側(cè)傾坡上按照履帶與土壤的附著力計算，一側(cè)力矩按車重的0．6G計算，此時計算力矩為 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)設計理論，行星架的危險端面為行星架的軸徑部位，這樣由已知的計算力矩和已知的材料特性得出行星架危險斷面扭轉(zhuǎn)應力。 扭轉(zhuǎn)許用應力[5]為 靜載荷下扭轉(zhuǎn)應力為 由靜載荷下的應力與許用應力相比可以得知，安全裕量較大，行星架的軸徑的危險斷面應該是滿足強度設計要求的。但是實際上并非如此，行星減速機在使用過程中，行星架軸徑卻出現(xiàn)了裂紋、斷裂的疲勞破壞現(xiàn)象。由于靜強度設計不能充分反映材料在動載荷作用下的特征，又由于履帶車輛在行軍過程中大多承受的是交變動載荷，所以必須對行星減速機進行動載荷下的疲勞強度的分析計算，對行星架的危險斷面進行動力學仿真分析。 4．2基于行駛仿真試驗的行星架動力學仿真研究 由于履帶車輛的工作路面復雜多變，各種重型機械在工作過程中受到是交變動載荷，由于目前研究手段的限制，故大多數(shù)的機械產(chǎn)品沒有進行動載荷下的壽命預測，因此導致在實際使用過程中實際壽命與設計壽命相差較大的情況，要解決此類問題，研究不同任務剖面下的交變動載荷是進行再設計、優(yōu)化以及壽命預測的關(guān)鍵問題。由于測試手段、試驗時間及資金的限制，以及計算機仿真在各行各業(yè)中的廣泛應用，基于行駛仿真試驗基礎上對各零部件進行動載荷情況下仿真分析成為解決上述問題的一個有效手段，行星減速機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的基礎上對行星減速機進行了不同的路面、不同行駛速度的動力學仿真，但由于篇幅有限，文中只給出其在某實驗跑道上分別掛3擋4擋和5擋時的行駛仿真結(jié)果，并計算出在不同擋位時行星架所承受的交變動載荷。圖6所示為掛3擋時行星架軸徑所承受交變動載荷。 由圖6所得的交變動載荷的最大絕對值計算，在某一路段內(nèi)行星架的危險斷面的最大扭轉(zhuǎn)應力（取最大轉(zhuǎn)矩為5233N•m） 圖7為某試驗跑道掛4擋時，行星架軸徑所承受的交變動載荷。 由圖7所得的交變動載荷的最大絕對值計算，在某一路段內(nèi)行星架的危險斷面的最大扭轉(zhuǎn)應力（取最大轉(zhuǎn)矩為8763N•m） 圖8為某試驗跑道掛5擋時，行星架軸徑所承受的交變動載荷。 由圖8所得的交變載荷的最大絕對值計算．在某一路段內(nèi)的行星架的危險斷面的最大扭轉(zhuǎn)應力（取最大的轉(zhuǎn)矩為10707N·m） 由3擋、4擋和5擋交變動載荷下行星架危險斷面最大應力的仿真結(jié)果與靜載荷下行星架危險斷面的許用扭轉(zhuǎn)應力比較可以看出，3擋、4擋和5檔運行時的最大應力遠遠小于自行火炮行星框架危險斷面的設計時的扭轉(zhuǎn)許用應力，在這種安全裕量很大的情況下，行星減速機零件失效的主要原因是行星減速機主要承受一種不規(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理十分復雜，目前疲勞累積損傷理論尚沒有得到很好的解決，工程上廣泛應用的是Miner線性疲勞累積損傷理論一。能較好地預測疲勞壽命的均值。 Miner理論定義包括三方面 1）一個循環(huán)造成的損傷 2）等幅載荷下，n個循環(huán)造成的損傷 變幅載荷下 ，n個循環(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，顯然當循環(huán)載荷的次數(shù)凡等于其疲勞壽命N時，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，試驗件破壞的臨界損傷值D[sub]CR[/sub]偏離1很大。對于隨機載荷，試驗件破壞時的臨界損傷值 D[sub]CR[/sub]在1附近[6] 。 由Miner對疲勞損傷定義以及破壞準則可以得出，行星減速機在工作過程中，由于系統(tǒng)工作任務剖面的變化，導致行星減速機構(gòu)件產(chǎn)生很大的動應力和應變，行星框架危險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，就出現(xiàn)了行星框架在危險斷面承受應力遠遠小于設計“安全”應力情況下就發(fā)生突然破壞的現(xiàn)象。因此確定行星減速機在運行過程中所承受的交變動載荷，以及對動載荷作用下行星減速機各零部件進行動力學分析有非常重要的現(xiàn)實意義。 5結(jié)論與展望 本文針對靜強度設計理論下的行星減速機實際使用壽命與設計壽命有很大差距這一問題，提出在行駛仿真試驗基礎上對履帶車輛行星減速機進行了動力學仿真，以期獲得其在不同任務剖面所承受的交變動載荷，為進行疲勞強度計算和壽命預測提供了重要的載荷參考數(shù)據(jù)。本文對某試驗場地進行了行駛仿真試驗，結(jié)合行星減速機的虛擬樣機對不同擋位時行星架所承受的交變動載荷進行了動力學仿真，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力遠遠小于設計最大應力很多倍的情況下，仍然會發(fā)生疲勞破壞的原因。本文研究的基于行駛仿真試驗基礎上的動力學仿真分析，對研究在交變動載荷的情況下的壽命預測及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有極其重要的意義。 參考文獻 1吉林工業(yè)大學汽車教研室編著．汽車設計．北京：機械工業(yè)出版社．1983 2吳大林．自行火炮行駛仿真試驗研究[碩士學位論文]．石家莊：軍械工程學院，2oo5 3饒振綱．行星齒輪變速箱的設計研究．傳動技術(shù)，1999，39～45 4鄭建榮．ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高．北京：機械工業(yè)出版社．2002（1）：1～10 5王義質(zhì)，李叔涵．工程力學，重慶：重慶大學出版社，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）