一、大型行星減速器行星結構損壞現象
行星輪齒面微裂紋：由于行星結構均載性的影響，微觀上各行星輪受力實時變化，雖然行星齒面為硬齒面齒輪，但因長期受力不均衡，會使齒面加大磨損，齒面油膜形成發生變化，這引起齒 面長期運轉后易產生微裂紋。
行星輪軸承損壞： 大型行星減速器行星輪軸一般設計為調心滾子軸承， 可適應于行星輪偏斜，但長期運行過程中，常出現軸承滾子劃傷、磨損加劇，或者保持架損壞、軸承外圈斷裂等現象，遠未達到設計要求。
行星輪內孔疲勞裂紋：行星輪長期運行后，常出現行星齒輪內孔拉傷或疲勞裂紋。如圖 1，斷口形貌具有典型的疲勞斷裂特征，在行星輪內孔處有輝狀紋路，其收斂于內孔淺表層，屬于裂紋起源區，裂紋擴散并最終與齒槽附近快速斷裂形成粗糙的撕裂區。
圖 1 某大型行星減速器行星輪內孔疲勞裂紋
行星輪軸承外圈滑動： 行星輪內孔與軸承外圈配合一般為過盈配合，裝配過程中采取加熱烘裝方式，但在損壞的某型行星減速器中， 發現行星輪外圈滑動，而載荷并沒有出現突變。圖2是某型行星輪內孔滑動痕跡，圖3是行星輪軸承外圈痕跡。
圖2 某型行星減速器行星輪內孔痕跡
圖 3 某型行星減速器行星軸承外圈痕跡
二、微觀原因分析
行星傳動均載系數影響： 行星傳動的均載系數通常受到行星架行星安裝孔位置度的制造精度、行星輪重量偏差，行星滾動軸承間隙、行星輪內孔配合等多方面因素影響，使均載系數超出原設計 輸入參數。行星輪在實際運轉時，行星輪受力不斷發生變化，引起瞬間沖擊，減少行星傳動使用壽命。瞬間沖擊帶來的扭矩變化，超出原行星輪在額定負荷的計算要求，行星傳動實際運轉中已超出了設計的傳扭能力，長期運轉后瞬間沖擊將發生幾何數量級增長。
行星輪壁厚影響：在常規設計手冊中，行星輪內孔的壁厚通常是齒輪模數的2.5-4 倍，這種設計規范是基于原中小型齒輪傳動長期經驗數據的模擬，但行星傳動向大型化方向發展時，行星輪內孔逐步增大，傳扭能力也相應加大，使原壁厚設計理論留下了一定的局限。行星輪內孔壁厚在受力逐步增大情況下，其變形將加劇，引起行星軸承受到額外的附加力。
行星軸承壽命計算影響：行星輪軸承設計計算時，通常采取額定負荷或最大負荷計算行星輪軸承，但在瞬間沖擊時，行星輪的實際負荷將遠超出最大負荷，雖然留有安全裕度，但遠沒有達到行星軸承瞬間沖擊的要求。長期運轉后，行星輪軸承壽命將大幅度縮短，無法達到減速器的使用要求。應綜合考慮持續瞬間沖擊的影響。
行星輪內孔微觀變形： 行星輪運轉中，理論上行星輪齒面是除受到內齒圈和太陽輪的扭矩外，內孔只承受行星輪軸承切向力，但在實際運行中，由于行星安裝孔的位置精度影響，內孔持續發生變化，行星輪內孔微小變形，形成一個橢圓，通過不斷的周期性橢圓，行星輪軸承外圈受到周期性的外力，使行星輪軸承繞行星內孔滑動，使齒輪嚙合發生變化。
瞬間沖擊影響： 大型行星減速機長期使用過程中的瞬間沖擊數據還無法準確掌握，但瞬間沖擊對行星齒輪造成的影響非常大，現基于瞬間沖擊t為沖擊產生時間，可通過瞬間扭矩按下列公式進行計算。
三、有限元仿真分析
有限元模型建立：大型行星減速器二級行星結構中，二級行星輪受力最復雜，受影響最大，對二級行星輪進行研究，可以解決二級行星結構可靠性關鍵技術。因此，本文只對二級行星輪作為有限元研究重點，忽略行星架的影響。 以某大型行星減速器二級行星輪進行有限元模型建立，齒輪主要參數為:模數Mn:14mm，齒數Z:42,齒頂圓直徑:ф622.62mm,內孔直徑:ф440,齒寬:300mm,材料:17CrNiMo6，將齒輪嚙合力轉化到行星輪軸承受力為430kN。三維模型見圖 4。
圖 4 某大型行星減速器行星輪三維模型
通過網格劃分，建立有限元模型，齒部嚙合放大圖見圖 5。
圖 5 齒部嚙合放大圖
有限元計算結果：①應力計算結果。結果顯示見圖 6：吊裝孔處最大等效應力約91.229MPa，齒根處應力最大約95.197MPa，最大應力位于齒面約344.17MPa。而17CrNiMo6 材料的拉伸屈服點為850MPa。雖然吊裝孔、輪齒齒根處應力遠小于材料屈服點，但通過分析，此二處仍然為輪齒應力集中部位。
圖 6 有限元計算應力仿真圖
②變形結果。通過仿真分析，忽略軸承對行星輪內孔的影響，其最大變形為0.104mm，軸承受力方向最大，與受力方向垂直的變形也達到0.04mm，行星輪內孔在受力情況下是橢圓。變形詳見圖 7。
圖 7 有限元計算變形仿真圖
同一外徑下壁厚變化影響：在相同的齒輪模數與齒數下，將行星輪齒根與內孔的壁厚按2.5Mn、3Mn、3.5Mn、4Mn 進行分析計算，計算齒根處的應力變化。
以上述二級行星輪為例進行三維模型設計，齒形應力見圖 8，進行網格劃分后，計算結果如表 1。
圖 8 有齒形應力仿真圖
經過分析，將直徑小于3.9之后，齒根應力的變化就很微小，內孔變形量也可忽略不計，因此，大型行星齒輪減速器的行星輪壁厚在設計時，應控制在3.9-4.2Mn時，確保內孔變形滿足要求。
表1 壁厚變化計算結果
四、解決方案
增加行星內孔壁厚：適當增加二級行星輪的壁厚，提高壁厚模數比，增強二級行星輪的剛度。增大吊裝孔距離齒根的距離，改善受力情況。
調整行星輪軸承壽命計算： 行星軸軸承計算時，適當增加沖擊系數，在原沖擊系數的基礎上，增加可靠性系數，提高行星輪軸承承受長期瞬間沖擊的能力。
提高行星輪內孔公差： 根據行星輪溫升的情況，適當提高行星輪公差的過盈配合，避免因行星輪溫升導致發生行星輪軸承的外圈滑動。
基于瞬間沖擊的齒輪強度計算： 長期不穩定瞬間沖擊，將使硬齒面齒輪齒面發生微裂紋，因此，在計算齒輪強度時，對于接觸安全系數也應進一步提高，減少齒面的功率密度，提高長期運轉的可靠性。
加大潤滑冷卻： 加大潤滑冷卻，進一步降低行星輪運轉后溫升對行星軸承的影響，可有效提高長期運轉的可靠性，而且對于齒面微裂紋改善也有積極作用。
優化零部件制造： 加工和裝配誤差，以及裝配時清潔度不夠等因素也可能導致行星級均載出現異常，從而導致行星輪始終處于超負荷狀態運行。因此，制造過程中要特別關注行星輪的加 工質量和裝配清潔度。尤其是內孔表面質量是影響疲勞強度的重要因素之一，影響系數如表2所示。
表 2 影響系數
五、結論
本文通過對大型行星齒輪減速器行星輪損壞現象進行分析，利用有限元技術，對行星輪損壞進行了理論分析與剖析，提出了行星減速器可靠性提升的設計與制造解決方案，可廣泛應用于大型行星齒輪減速器的可靠性提升。