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摘 要

减速器是起重机中的关键零部件，行星齿轮减速器具有体积小、传动比大以及承载能力高等优点，同时在实际生活中很多起重机发生损坏是因为其中的减速器出现疲劳损坏，因此本文设计了位于门座式起重机中的行星齿轮减速器，同时对其进行疲劳寿命分析。选择NGW型行星齿轮减速器，参照设计手册完成配齿、齿轮尺寸等方面的计算和齿轮的强度校核，利用UG完成减速器的建模和装配。取减速器中的一级行星齿轮进行疲劳寿命研究，使用ANSYS Workbench首先完成静力学分析，再将分析结果结合S-N曲线和载荷谱等条件最终得到处行星齿轮的疲劳寿命和寿命较低处的分布情况，为后续行星齿轮减速器的设计优化提供了参考依据。

关键词：行星齿轮减速器；有限元分析；ANSYS Workbench；疲劳寿命分析

Design and fatigue life analysis of planetary gear reducer

ABSTRACT

Reducer is a key component of crane. Planetary gear reducer has the advantages of small volume, large transmission ratio and high carrying capacity. At the same time, many cranes are damaged in real life because of fatigue damage of the reducer. Therefore, this paper designs a planetary gear reducer in portal crane and analyzes its fatigue life. Select NGW planetary gear reducer, refer to the design manual to complete the calculation of gear matching, gear size and other aspects and the strength check of the gear, and use UG to complete the modeling and assembly of the reducer. The fatigue life of the first-stage planetary gear in the reducer is studied. The static analysis is completed by using ANSYS Workbench. Then the analysis results are combined with conditions such as S-N curve and load spectrum to finally obtain the fatigue life and the distribution of the lower life of the planetary gear, which provides a reference for the design optimization of the subsequent planetary gear reducer.

Key words: planetary gear reducer; finite element analysis; ANSYS Workbench; fatigue life analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 本课题的研究目的与意义 1

1.2 本课题发展现状 1

1.3 本课题主要内容 2

第二章 行星齿轮减速器设计 3

2.1 选取电动机类型和传动简图 3

2.2 电机的选择与验算 3

2.2.1 电动机静功率 3

2.2.2 坡道阻力矩 4

2.2.3 风阻力矩 5

2.2.4 电机验算 5

2.3 行星齿轮传动配齿计算 6

2.3.1 传动比和各齿轮齿数 6

2.3.2 齿轮材料 6

2.3.3 估算法向模数 7

2.4 各级齿轮尺寸 7

2.4.1 高速级主要几何尺寸 7

2.4.2 中速级主要几何尺寸 8

2.4.3 低速级主要几何尺寸 8

2.5 齿轮系强度校核 8

2.5.1 第一级外啮合齿面接触疲劳强度 8

2.5.2 第一级外啮合齿根弯曲疲劳强度 9

2.5.3 第一级内啮合齿面接触疲劳强度 10

2.5.4 第一级内啮合齿根弯曲疲劳强度 11

2.6 齿轮静强度校核 12

2.7 传动装配条件验算 13

2.7.1 传动比条件 13

2.7.2 邻接条件 13

2.7.3 同心条件 13

2.7.4 装配条件 13

2.7.5 啮合参数 13

2.8 几何尺寸计算 13

2.9 传动效率计算 14

2.10 轴承设计及校核 15

2.10.1 第一级行星轮轴承校核 15

2.11 联轴器计算 16

2.12 UG三维装配图 16

第三章 行星齿轮疲劳寿命分析 17

3.1 疲劳寿命分析方法 17

3.2 行星齿轮有限元分析 17

3.2.1 ANSYS Workbench软件简介 17

3.2.2 接触设置 17

3.2.3 网格划分 18

3.2.4 载荷和约束 19

3.2.5 有限元分析结果 19

3.3 疲劳寿命分析 21

3.3.1 齿轮材料的S-N曲线 21

3.3.2 疲劳分析设置 21

3.3.3 疲劳分析结果 22

第四章 总结与展望 25

4.1 总结 25

4.2 展望 25

致 谢 26

参考文献 27

绪论

1.1 本课题的研究目的与意义

门座式起重机是工矿企业、物流企业常用的基础机械设备，齿轮减速器作为门座式起重机的重要组成部分，其工作情况的好坏直接影响门座式起重机的工作效率。在齿轮减速器中，除了组成齿轮系的所有齿轮的集合轴线都在一条直线上的普通齿轮传动以外，还有一种齿轮传动为行星齿轮传动，跟普通齿轮相比，行星齿轮传动有多个优点，比如更高的传动效率、更高传动功率、更强的承载能力以及更大的传动比等，这是其非常具有吸引力，尤其是在航天航空中的涡轮螺旋桨发动机和直升机传动装置等，这使得行星齿轮减速器被我国越来越多的机械工程人员所了解和重视。行星齿轮传动可适用于多种机械传动装置同时还用作增减速运动以及变速运动，因此人们现在已经开始广泛使用行星齿轮减速器作为门座式起重机中的减速装置。随着近代工业的高速发展，行星传动技术有了标准化、多品种、硬齿面、高精度、高转速、大功率、大规格以及大转矩等新的发展方向，这就对其结构设计带来了巨大挑战，同时对行星齿轮减速器的优化设计、疲劳分析等方面也有着十分重要的地位。

目前很多起重机在超负荷、高强度、长时间运行，且设备所处环境条件比较恶劣，因此受力状态也较为复杂，在此条件下设备长时间运行很容易发生损伤引发坠物伤人、整机倾翻事故导致人员伤亡。起重机发生损坏的其中一个原因是其中的减速器在长期使用中出现疲劳破坏导致齿面产生磨损，齿根发生断裂从而出现故障，因此，为保证起重机安全运行，对其中的减速器进行疲劳寿命分析具有重要意义。

1.2 本课题发展现状

有关行星齿轮传动的大多数论文都关注其优化设计，即在保证耐用性的同时使用更轻的结构原件减轻重量。2017年，胡贵设计了一款安装在自动洗衣机内的行星减速器，完成了配齿、中心距、模数、几何尺寸以及轴等方面的计算，选择了双侧版整体式转臂结构以保证减速器的刚性，最后做了减速器主要传动零件的强度校核校核。2013年，王宪忠使用UG参数化建模优化设计了2K-H行星减速器，使用MATLAB软件中的遗传算法进行计算得到优化设计参数，并用UG软件完成减速器的三维建模和装配，运用ANSYS Workbench软件对行星齿轮进行了弯曲等效应力的有限元分析。

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