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柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)計實踐與應用
張立華
摘要 分析了回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計存問題引進了柔性傳動新概念提出了解決問題方法介紹了回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備采用柔性傳動裝置時幾點準則
關(guān)鍵詞 柔性傳動 回轉(zhuǎn)圓筒 設(shè)計 應用
國圖書資料分類法分類號 TH703.5
回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備鋼鐵、有色金屬冶煉、水泥、耐火材料等工業(yè)焙燒、揮發(fā)、鍛燒等工藝過程重要設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計般采用開式齒輪傳動由于受筒體變形、制造、安裝調(diào)整和使用環(huán)境等諸多因素影響開式齒輪副嚙合工況十分惡劣設(shè)備故障多作業(yè)效率低嚴重影響企業(yè)正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益柔性傳動正針對上述缺點從根本上解決存問題佳途徑本文結(jié)合作者參與韶關(guān)冶煉廠、株洲冶煉廠、河南濟源黃金冶煉廠和湘譚鋼鐵廠等工程對柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備應用情況加說明與總結(jié)
1 傳統(tǒng)設(shè)計存問題
國內(nèi)回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備通常采用傳動方式電動機—減速機—開式齒輪副開式齒輪副小齒輪支承基礎(chǔ)上大齒圈裝筒體上見圖1
圖1 圓轉(zhuǎn)筒體簡圖
1.筒體 2.滾圈 3.大齒圈 4.電動機 5.減速機 6.小齒輪(支座) 7.擋輪、托輪裝置
鋼負載及高溫作用下筒體產(chǎn)生撓曲變形和膨脹大齒圈初始位置發(fā)生變化開式齒輪副心距隨之發(fā)生變化兩齒輪心線平行精度降低因而其嚙合條件嚴重惡化輪齒偏載、磨損、沖擊、振動和噪聲加劇終導致傳動失效雖設(shè)計過程采用多種補救措施均能從根本上解決先天足缺陷回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)計時采用柔性傳動較好地解決問題
2 柔性傳動系統(tǒng)方案設(shè)計〔1〕
根據(jù)回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備傳動特點簡化結(jié)構(gòu)便于安裝調(diào)整般采用單點嚙合BF型懸掛小車式柔性傳動系統(tǒng)見圖2
圖2 柔性傳動系統(tǒng)示意圖
1.筒體 2.大齒圈 3.小齒輪 4.電動機 5.液力偶合器 6.減速機 7.萬向聯(lián)軸器 8.懸掛小車
2.1 電動機
根據(jù)回轉(zhuǎn)圓筒規(guī)格及要求選擇適當類型及規(guī)格電動機
2.2 減速機
合理分配低速級齒輪副與減速機速比般選用標準型減速機
2.3 液力偶合器
傳遞力矩大結(jié)構(gòu)尺寸小具有緩沖減振特點
2.4 萬向聯(lián)軸器
實現(xiàn)減速機輸出軸與懸掛小齒輪軸之間力矩傳遞保證小齒輪軸自由浮動般選用伸縮式大傾角萬向聯(lián)軸器
2.5 低速級齒輪副
采用小齒輪懸掛安裝于大齒圈上結(jié)構(gòu)方案見圖3
圖3 懸掛小齒輪(小車)結(jié)構(gòu)示意圖
1.筒體 2.彈簧座 3.滾輪 4.大齒圈 5.滾道 6.大齒圈凸緣 7.支承桿 8.支承座 9.萬向節(jié) 10.小車體 11.小齒輪凸緣 12.小齒輪
小齒輪安裝帶有滾輪箱體內(nèi)組成臺懸掛小車滾輪大齒圈兩側(cè)經(jīng)機械加工凸緣內(nèi)側(cè)滾道上滾動大小齒輪間由兩側(cè)凸緣保持小輪齒側(cè)隙由支承桿保持小車大齒輪上位置并承受傳動嚙合分力桿兩端采用特殊結(jié)構(gòu)保證小車相對基礎(chǔ)三維自由度運動實現(xiàn)小齒輪隨大齒圈同步位移
3 低速級齒輪副設(shè)計
3.1 齒圈分度圓直徑d2
按筒體外徑D、齒圈斷面型式及小車滾輪滾道上發(fā)生干涉等因素確定般取d2=(1.6～1.7)D
3.2 齒輪模數(shù)m與齒寬B
由于柔性傳動結(jié)構(gòu)保證了齒輪副始終處于正確嚙合狀態(tài)齒面載荷均勻分布齒寬已受傳統(tǒng)設(shè)計齒寬系數(shù)范圍限制滿足輪齒彎曲強度和接觸強度前提下隨著輪齒加寬模數(shù)呈減小趨勢齒圈齒數(shù)Z2增大減速比提高且小模數(shù)大齒圈易于加工、檢測
柔性傳動齒輪副參數(shù)與普通傳動比較具有下特點：①對齒輪副精度要求適當降低；②齒寬B明顯增大齒寬系數(shù)超出常規(guī)范圍；③模數(shù)m比同等規(guī)格回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備降低2～3級
4 懸掛小車受力分析
取整懸掛小車隔離體因小車基本上軸向?qū)ΨQ體故簡化平面力系實際運轉(zhuǎn)小車受力較復雜便于分析計算忽略滾輪滾動摩擦力則小車受力分析見圖4
圖4 懸掛小車受力分析平面圖
O——小車重心 R1——小齒輪分度圓半徑
由平面力系平衡條件得聯(lián)立方程組
式Pn大齒圈對小齒輪作用力；Mn小齒輪軸輸入扭矩；An、Bn齒圈滾道對滾輪支反力；Tn支承桿對小車支反力；G小車自重；α齒輪壓力角；δn小齒輪位置角；γTn與水平面夾角；θ0滾輪位置夾角；βnTn與O2t夾角；t小車與支承桿接點；O1小齒輪心；O2大齒圈心；R2大齒圈分度圓半徑
運轉(zhuǎn)過程允許齒輪間凸緣接觸而產(chǎn)生摩擦必須保持滾輪與滾道始終接觸即滿足An>0,Bn>0同時延長滾輪軸承使用壽命兩滾道對滾輪支反力應基本上接近即An≈Bn上式δn、θ0、γ與小車結(jié)構(gòu)型式及小車懸掛位置有關(guān)應綜合考慮上述因素同時根據(jù)自己經(jīng)驗確定其值Tn、An、Bn計算結(jié)作零件設(shè)計依據(jù)
5 效比較
回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備采用柔性傳動較之采用普通齒輪傳動技術(shù)性能明顯提高圓筒混合機例其良好效主要表現(xiàn)下三方面
5.1 齒輪嚙合良好
經(jīng)運行實測柔性傳動圓筒混合機傳動低速級齒輪副接觸斑點比普通齒輪傳動大大提高(見表1)說明其接觸精度較普通齒輪傳動高從而大大減小了齒輪嚙合偏載和沖擊力降低了接觸應力提高了齒輪壽命和承載能力
表1 接觸斑點實測值
單位：%
傳動方式 接觸斑點
沿齒寬方向 沿齒高方向
φ2.8×9m(柔性傳動)
圓筒混合機 98 83
φ3.0×12m(柔性傳動)
圓筒混合機 89 62
普通齒輪傳動圓筒混合機 50～60 40～45
5.2 振動小、噪聲低
由于采用懸掛小車結(jié)構(gòu)無論大齒圈軸線何變化、歪斜均能保證大小齒輪良好嚙合兩齒輪心距變傳動過程產(chǎn)生偏載和沖擊所與普通齒輪傳動相比具有振動小、噪聲低優(yōu)點其測定值見表2
表2 振動和噪聲測定值
圓筒混合機
規(guī)格 傳動
形式 垂直大
振幅
(μm) 大垂直
振動速度
(mm/s) 大噪聲
(dB(A))
φ2.2×6m
圓筒混合機 普通齒輪
傳動 29 4.87 94
φ2.2×6.5m
圓筒混合機 普通齒輪
傳動 30 4.5 94
φ2.8×9m
圓筒混合機 柔性傳動 3 2.6 86
φ3.0×12m
圓筒混合機 柔性傳動 3 2.5 87
5.3 勞動條件改善
生產(chǎn)實踐表明圓筒類設(shè)備采用柔性傳動勞動條件大改善勞動強度大降低主要因①設(shè)備振動小、噪聲低操作工人提供了較好工作環(huán)境；②設(shè)備運轉(zhuǎn)安全靠1991年湘潭鋼鐵廠柔性傳動圓筒混合機事故停機率零(見表3)節(jié)省了檢修工作量和降低了勞動強度
表3 停機時間
單位：h
傳動型式 清理漏料和粘料 設(shè)備調(diào)整 事故停機 合計
柔性傳動 32 16 0 48
普通傳動 48 27 21 96
此外采用柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)備作業(yè)效率高、電耗小、經(jīng)濟效益好
柔性傳動部分回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備圓筒混合機、圓筒制粒機、回轉(zhuǎn)窯、揮發(fā)窯等設(shè)備已得了應用若能回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備進步推廣應用其經(jīng)濟效益十分觀
致謝：本文曾得長沙有色冶金設(shè)計研究院王晶教授、宗復 高級工程師幫助
參考文獻
1 王晶.柔性傳動圓筒混合機研制與應用.工程設(shè)計與研究1995(88)：36～42
張立華 男1966年生南工業(yè)大學(長沙市 410083)機電工程學院機械電子工程研究所講師1988年師從國工程院院士鐘掘教授
收稿日期：1998—01—05
http://cache.baidu.com/c?word=%B8%D6%CC%FA%3B%B3%A7%3B%B5%C4%3B%BB%EC%BA%CF%3B%BB%FA&url=http%3A//www%2Ewanfangdata%2Ecom%2Ecn/qikan/periodical%2Earticles/zgjxgc/980725%2Ehtm&p=b4759a41d28c03fc57ee91125a4a90&user=baidu
柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)計實踐與應用
張立華
摘要 分析了回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計存問題引進了柔性傳動新概念提出了解決問題方法介紹了回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備采用柔性傳動裝置時幾點準則
關(guān)鍵詞 柔性傳動 回轉(zhuǎn)圓筒 設(shè)計 應用
國圖書資料分類法分類號 TH703.5
回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備鋼鐵、有色金屬冶煉、水泥、耐火材料等工業(yè)焙燒、揮發(fā)、鍛燒等工藝過程重要設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計般采用開式齒輪傳動由于受筒體變形、制造、安裝調(diào)整和使用環(huán)境等諸多因素影響開式齒輪副嚙合工況十分惡劣設(shè)備故障多作業(yè)效率低嚴重影響企業(yè)正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益柔性傳動正針對上述缺點從根本上解決存問題佳途徑本文結(jié)合作者參與韶關(guān)冶煉廠、株洲冶煉廠、河南濟源黃金冶煉廠和湘譚鋼鐵廠等工程對柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備應用情況加說明與總結(jié)
1 傳統(tǒng)設(shè)計存問題
國內(nèi)回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備通常采用傳動方式電動機—減速機—開式齒輪副開式齒輪副小齒輪支承基礎(chǔ)上大齒圈裝筒體上見圖1
圖1 圓轉(zhuǎn)筒體簡圖
1.筒體 2.滾圈 3.大齒圈 4.電動機 5.減速機 6.小齒輪(支座) 7.擋輪、托輪裝置
鋼負載及高溫作用下筒體產(chǎn)生撓曲變形和膨脹大齒圈初始位置發(fā)生變化開式齒輪副心距隨之發(fā)生變化兩齒輪心線平行精度降低因而其嚙合條件嚴重惡化輪齒偏載、磨損、沖擊、振動和噪聲加劇終導致傳動失效雖設(shè)計過程采用多種補救措施均能從根本上解決先天足缺陷回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)計時采用柔性傳動較好地解決問題
2 柔性傳動系統(tǒng)方案設(shè)計〔1〕
根據(jù)回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備傳動特點簡化結(jié)構(gòu)便于安裝調(diào)整般采用單點嚙合BF型懸掛小車式柔性傳動系統(tǒng)見圖2
圖2 柔性傳動系統(tǒng)示意圖
1.筒體 2.大齒圈 3.小齒輪 4.電動機 5.液力偶合器 6.減速機 7.萬向聯(lián)軸器 8.懸掛小車
2.1 電動機
根據(jù)回轉(zhuǎn)圓筒規(guī)格及要求選擇適當類型及規(guī)格電動機
2.2 減速機
合理分配低速級齒輪副與減速機速比般選用標準型減速機
2.3 液力偶合器
傳遞力矩大結(jié)構(gòu)尺寸小具有緩沖減振特點
2.4 萬向聯(lián)軸器
實現(xiàn)減速機輸出軸與懸掛小齒輪軸之間力矩傳遞保證小齒輪軸自由浮動般選用伸縮式大傾角萬向聯(lián)軸器
2.5 低速級齒輪副
采用小齒輪懸掛安裝于大齒圈上結(jié)構(gòu)方案見圖3
圖3 懸掛小齒輪(小車)結(jié)構(gòu)示意圖
1.筒體 2.彈簧座 3.滾輪 4.大齒圈 5.滾道 6.大齒圈凸緣 7.支承桿 8.支承座 9.萬向節(jié) 10.小車體 11.小齒輪凸緣 12.小齒輪
小齒輪安裝帶有滾輪箱體內(nèi)組成臺懸掛小車滾輪大齒圈兩側(cè)經(jīng)機械加工凸緣內(nèi)側(cè)滾道上滾動大小齒輪間由兩側(cè)凸緣保持小輪齒側(cè)隙由支承桿保持小車大齒輪上位置并承受傳動嚙合分力桿兩端采用特殊結(jié)構(gòu)保證小車相對基礎(chǔ)三維自由度運動實現(xiàn)小齒輪隨大齒圈同步位移
3 低速級齒輪副設(shè)計
3.1 齒圈分度圓直徑d2
按筒體外徑D、齒圈斷面型式及小車滾輪滾道上發(fā)生干涉等因素確定般取d2=(1.6～1.7)D
3.2 齒輪模數(shù)m與齒寬B
由于柔性傳動結(jié)構(gòu)保證了齒輪副始終處于正確嚙合狀態(tài)齒面載荷均勻分布齒寬已受傳統(tǒng)設(shè)計齒寬系數(shù)范圍限制滿足輪齒彎曲強度和接觸強度前提下隨著輪齒加寬模數(shù)呈減小趨勢齒圈齒數(shù)Z2增大減速比提高且小模數(shù)大齒圈易于加工、檢測
柔性傳動齒輪副參數(shù)與普通傳動比較具有下特點：①對齒輪副精度要求適當降低；②齒寬B明顯增大齒寬系數(shù)超出常規(guī)范圍；③模數(shù)m比同等規(guī)格回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備降低2～3級
4 懸掛小車受力分析
取整懸掛小車隔離體因小車基本上軸向?qū)ΨQ體故簡化平面力系實際運轉(zhuǎn)小車受力較復雜便于分析計算忽略滾輪滾動摩擦力則小車受力分析見圖4
圖4 懸掛小車受力分析平面圖
O——小車重心 R1——小齒輪分度圓半徑
由平面力系平衡條件得聯(lián)立方程組
式Pn大齒圈對小齒輪作用力；Mn小齒輪軸輸入扭矩；An、Bn齒圈滾道對滾輪支反力；Tn支承桿對小車支反力；G小車自重；α齒輪壓力角；δn小齒輪位置角；γTn與水平面夾角；θ0滾輪位置夾角；βnTn與O2t夾角；t小車與支承桿接點；O1小齒輪心；O2大齒圈心；R2大齒圈分度圓半徑
運轉(zhuǎn)過程允許齒輪間凸緣接觸而產(chǎn)生摩擦必須保持滾輪與滾道始終接觸即滿足An>0,Bn>0同時延長滾輪軸承使用壽命兩滾道對滾輪支反力應基本上接近即An≈Bn上式δn、θ0、γ與小車結(jié)構(gòu)型式及小車懸掛位置有關(guān)應綜合考慮上述因素同時根據(jù)自己經(jīng)驗確定其值Tn、An、Bn計算結(jié)作零件設(shè)計依據(jù)
5 效比較
回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備采用柔性傳動較之采用普通齒輪傳動技術(shù)性能明顯提高圓筒混合機例其良好效主要表現(xiàn)下三方面
5.1 齒輪嚙合良好
經(jīng)運行實測柔性傳動圓筒混合機傳動低速級齒輪副接觸斑點比普通齒輪傳動大大提高(見表1)說明其接觸精度較普通齒輪傳動高從而大大減小了齒輪嚙合偏載和沖擊力降低了接觸應力提高了齒輪壽命和承載能力
表1 接觸斑點實測值
單位：%
傳動方式 接觸斑點
沿齒寬方向 沿齒高方向
φ2.8×9m(柔性傳動)
圓筒混合機 98 83
φ3.0×12m(柔性傳動)
圓筒混合機 89 62
普通齒輪傳動圓筒混合機 50～60 40～45
5.2 振動小、噪聲低
由于采用懸掛小車結(jié)構(gòu)無論大齒圈軸線何變化、歪斜均能保證大小齒輪良好嚙合兩齒輪心距變傳動過程產(chǎn)生偏載和沖擊所與普通齒輪傳動相比具有振動小、噪聲低優(yōu)點其測定值見表2
表2 振動和噪聲測定值
圓筒混合機
規(guī)格 傳動
形式 垂直大
振幅
(μm) 大垂直
振動速度
(mm/s) 大噪聲
(dB(A))
φ2.2×6m
圓筒混合機 普通齒輪
傳動 29 4.87 94
φ2.2×6.5m
圓筒混合機 普通齒輪
傳動 30 4.5 94
φ2.8×9m
圓筒混合機 柔性傳動 3 2.6 86
φ3.0×12m
圓筒混合機 柔性傳動 3 2.5 87
5.3 勞動條件改善
生產(chǎn)實踐表明圓筒類設(shè)備采用柔性傳動勞動條件大改善勞動強度大降低主要因①設(shè)備振動小、噪聲低操作工人提供了較好工作環(huán)境；②設(shè)備運轉(zhuǎn)安全靠1991年湘潭鋼鐵廠柔性傳動圓筒混合機事故停機率零(見表3)節(jié)省了檢修工作量和降低了勞動強度
表3 停機時間
單位：h
傳動型式 清理漏料和粘料 設(shè)備調(diào)整 事故停機 合計
柔性傳動 32 16 0 48
普通傳動 48 27 21 96
此外采用柔性傳動回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備設(shè)備作業(yè)效率高、電耗小、經(jīng)濟效益好
柔性傳動部分回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備圓筒混合機、圓筒制粒機、回轉(zhuǎn)窯、揮發(fā)窯等設(shè)備已得了應用若能回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備進步推廣應用其經(jīng)濟效益十分觀
致謝：本文曾得長沙有色冶金設(shè)計研究院王晶教授、宗復 高級工程師幫助
參考文獻
1 王晶.柔性傳動圓筒混合機研制與應用.工程設(shè)計與研究1995(88)：36～42
張立華 男1966年生南工業(yè)大學(長沙市 410083)機電工程學院機械電子工程研究所講師1988年師從國工程院院士鐘掘教授
收稿日期：1998—01—05
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