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1、活齿减速 电动滚筒结构设计 发布时间：2009.11.19 新闻来源：泰州市运达电动滚筒有限公司 浏览次数：活齿减速电动滚筒结构设计山东理工大学工程技术学院(山东 255012) 邵光兰孙传祝【摘要】通过设计计算与分析，选择了符合条件的电动机和活齿减速器，并对主要零部件进行了结构设计和强度校核，从理论上论证了设计方法的可行性。【关键词】活齿减速器电动滚筒结构设计一、前言电动滚筒具有结构紧凑，传动效率高，运转平稳以及占用空间位置小等优点，因此目前国内外已将电动滚筒广泛应用于采矿、冶金、煤炭、交通、能源和粮食等各个生产建设领域 1。电动滚筒作为驱动装置在输送机上使用开始于 20 世纪 20 年代的
2、德国。电动滚筒是带式输送机的一个重要动力部件，就冷却形式而言有油冷式、油浸式及风冷式等，就减速形式而言有齿轮减速式及摆线针轮式等，就电动机的安装位置而言有 内置式和外置式等。目前应用较多的是齿轮减速、内置、油冷 式电动滚筒，特别是对于小型和微型电动滚筒来说，这种电动滚筒更具有不可替代的地位。但是，齿轮减速油冷式电动滚筒承载能力较差，传动效率低，右法兰轴结构复杂和工艺性较差，现已不能满足市场需求。而活齿减速器具有啮合齿数多，承载和抗冲击能力强，传动比大，结构紧凑，传动效率高和工艺性好等优点 3，如将活齿波动传动技术移植到电动滚筒内，将形成一种全新的活齿减速式电动滚筒 4。因此，采用活齿减速技术对
3、现有齿轮减速式电动滚筒进行了改进设计。二、选型设计1电动机的选用电动机是带式输送机的动力源，其特点是：长时间连续工作，因此要求电动机为连续工作制(S1)；带式输送机一旦停机，要求电动滚筒能够在有负荷情况下起动，因此要求电动机有较大的起动转矩，又要求电动机的起动电流不能太大。正确选择电动机额定功率的原则是：在电动机能够胜任机械负倚要求的前提下，最经济、最合理地确定电动机的功率。确定功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力和起动性能三个方面的因素。一般情况下，发热问题最重要。电动滚筒中电动机的使用场合很特殊，它安装在电动滚筒的简体内部，所以其电动机的散热条件优劣是极其重要的问题。从冷却方式来划分，
4、电动滚筒所用电动机可分为自然冷却式、风冷式及油冷式。在油冷式电动机中，根据冷却油与电动机定子绕组的相对位置，又可以进一步分为直接油冷式电动机和间接油冷式电动机。间接油冷式滚筒体内添加一定数量的冷却油，电动机壳体的下部浸泡在冷却油中(如图 1 所示)。滚筒体内壁上设有刮油板，当电动滚筒旋转时，刮油板可以把冷却油带起来。这样一方面可以使冷却油自身得到冷却，另一方面是能把冷却油浇到电动机壳体的上部及侧面，起到全方位冷却电动机的作用。在活齿减速油冷式电动滚筒中采用了间接油冷式电动机，并要求电动机功率 P=3kW，由此选择常用的电动机型号为 YGYl00L2-4。图 l 电动滚筒结构简图1左法兰轴 2冷
5、却油 3电动机 4减速装置 5右法兰轴2减速装置的结构特点及其选用活齿波动传动是一种传递两同轴间回转运动的装置，它具有结构紧凑，传动比大，承载能力强和传动效率高等优点5-8。主要有 3 个基本构件组成，即激波器(偏心轮)、活齿轮(包括活齿架、活齿等)和中心轮(如图 2 所示)。图 2 活齿传动的基本构件1中心轮 2活齿轮 3偏心轮活齿架与其上的活齿组成的活齿轮具有行星轮和输出机构的功能，偏心距为 e 的偏心轮相当于支承行星轮的行星架，它们与中心轮一起组成了 KHV 型少齿差行星传动，所以各种类型的活齿传动统称为“少齿差活齿行星齿轮传动”帕 1。活齿传动原理如图 3 所示：当输入驱动力后，输入轴
6、带动偏心轮绕固定中心 O 以等角速度蛾顺时针转动，由于偏心轮半径变化的轮廓曲线产生径向推力，迫使与中心轮工作齿形接触的各活齿在沿活齿架径向导槽移动的同时，通过与中心轮齿廓啮合，推动中心轮以等角速度顺时针转动，从而实现了活齿传动定传动比的转速变换。图 3 活齿传动的结构模型和传动原理图1中心轮 2活齿轮 3偏心轮由活齿传动结构原理可知，活齿传动是由 KHV 型少齿差行星齿轮传动演化而成的一种新型齿轮传动，它利用一组中间活动件活齿来实现两同轴之间的转速变换，变行星齿轮的轮齿与轮体的刚性联接为运动副活动联接，使行星齿轮的全部轮齿成为一组作循环运动的独立运动体，也就是活齿。活齿与活齿架组成了活齿轮，变
7、行星齿轮的行星运动为活齿轮绕固定轴线转动，并使各活齿在活齿架的导向槽中按一定的运动规律运动，以实现行星齿轮作行星运动的功能。活齿传动这一结构特征使其在小偏心距平行轴间的转速变换过程中，省去了少齿差行星齿轮传动必须采用的 w 运动输出机构，不但有效地克服了采用 w 运动输出机构给少齿差行星齿轮传动带来的激波器轴承寿命短的问题，而且传动链显著缩短，这给活齿少齿差行星齿轮传动带来了一系列优点：(1)结构新颖紧凑活齿传动省去了少齿差行星齿轮传动、摆线针轮传动所必需的 w 等速运动输出机构，减速运动通过活齿直接由活齿架输出，组成活齿传动的三个基本构件激波器、活齿轮和中心轮同轴布置，活齿轮放在中心轮里面，
8、简化了结构，使传动装置的轴向和径向尺寸都很小，缩小了体积并减轻了重量。(2)多齿啮合，承载能力高活齿轮由活齿和活齿架采用移动副或转动副联接组成，避免了内啮合齿轮副轮齿间的相互干涉，能使所有的活齿同时和中心轮齿廓接触，最多可以有 112 的活齿参加啮合，承载能力高。活齿传动共轭齿形的连续接触形式，避免了啮入啮出的冲击，传动平稳无噪声。(3)传动比大、范围广单级传动比为 8-60，双级传动比为 643 600；二齿差活齿传动和封闭型二级活齿传动等新型活齿传动的相继提出，不但使活齿传动传动比向大、小两个方向扩展，扩大了传动比范围，而且还有多路传动的功能。(4)传动效率高活齿传动采用活齿后，使输出机构
9、和活齿轮的分齿部分合成一体，使输入轴到输出轴之间的运动链缩短，减少了动力传递损失；活齿和中心轮、激波器和活齿架之间组成的一个低副和两个高副，使组成运动副的各运动副元素间有较多的相对波动，啮合效率提高；激波器采用双排结构，且互成 180。布置，使惯性力相互平衡，从而提高了活齿传动效率。(5)基本构件的工艺性激波器通常采用偏心圆，工艺性好。由于活齿传动具有上述突出特点，已引起国内外工程界的重视。活齿传动己应用到能源、通信、机床、汽车拖拉机和冶金等工业部门中。当滚筒体直径 D=400mm，带速 v=1.6m/s，筒长 l=690mm。选用的电动机型号 YGYl00L2-4 查得额定转速 n1=142
10、0r/min，由此求得传动比 i 为式中 n1-电动机额定转速，单位为 r/min；n4-电动滚筒名义转速，单位为 r/min。由此选用 TB6-3-20 型活齿减速机，其传动比为 20。由于传动比的增大所造成的带速误差为 7，能够满足实际生产需要。三、主要零部件设计1滚筒体设计滚筒体结构如图 4 所示，这是电动滚筒的关键部件之一，它直接承担着输送机的动力传递及输送带的改向功能，滚筒体工作时承受着复杂的交变复合应力，其破坏主要来自疲劳和磨损，所以滚筒体的合理设计也关系到电动滚筒甚至整条带式输送机的安全性和可靠性。图 4 滚筒体结构简图(1)受力分析将滚筒体视作简支梁，两端通过端盖支撑在左右法兰
11、轴上。作用在筒体上的载荷有输送带对滚筒的张力 F、圆周驱动力。以及输送带横向位移产生的轴向力，后者与前两项力相比数值较小，故忽略不计。筒体的受力分析如图 5 所示。图 5 滚筒体受力分析图图 5 中各符号意义如下：Fw圆周驱动力，单位为 N；F1、F 2输送带紧、松边张力，单位为 N；F输送带平均张力，单位为 N。式中 K0允许过载系数，通常取 K0=1.05。式中 输送带与滚筒之间的摩擦因数，光滑钢滚筒按潮湿空气运行取 =0.2；输送带包角，一般在 2.8-4.2rad(160240)之间，现取 a=3.5rad(200)。由此可以得出：(2)强度校核电动滚筒的总传动效率不低 73，由电动机
12、功率 P=3kW，选取滚筒的功率为 P=2.2kW，而直径 D=400ram，带速口=16ms，筒长 1=690mm，简体厚度 t=5nun，材料为 Q235-A，由此得：由计算结果可知，该电动滚筒实际应力比许用应力小很多，因此是安全的。2左右法兰轴的设计(1)受力分析及支反力计算在设计计算电动滚筒左、右法兰轴时，一般在同一机座号电动机下，以带宽最宽、速度最低这一极限条件来计算法兰轴的截面尺寸，以提高法兰轴的通用化程度。一般情况下将左、右法兰轴与电动机联接成一个组件，按简支梁进行受力分析和计算(如图 6 所示)。图 6 滚筒体受力分析不意图垂直方向的支反力(2)右法兰轴设计左右法兰轴结构相似，
13、下面以右法兰轴为例进行设计计算，右轴轴头所承受的弯矩和转矩如图 7 所示。图 7 右法兰轴受力分析图垂直方向弯矩因为 d1 轴上有一键槽，所以公式中引入了系数 1.04。为了提高轴的承载能力，取 d1=50mm，d=60mm。由于左法兰轴不受转矩作用，其载荷小于右法兰轴，因此当轴头与右法兰轴截面尺寸相同时，完全能危险截面 I-I、-的疲劳强度安全系数 S。假定轴表面不经强化处理和防腐处理，内部没有明显的影响疲劳强度的缺陷，安全系数 S 校核公式为：计算结果表明：右法兰轴两个截面的疲劳强度安全系数均大于许用安全系数 1.7，因此其疲劳强度能够满足使用要求。四、结束语各种电动滚筒就减速传动装置的结
14、构形式而言，多数存在着承载能力差、结构复杂和工艺性差等问题，而将活齿减速技术移植到普通电动滚筒内，可以大大提高其承载能力，并且结构紧凑、工艺性更好。同时，活齿减速机输入输出同轴，将左法兰轴、电动机、减速机和右法兰轴同轴配合，解决了普通齿轮电动滚筒存在的偏心问题，从而提高了传动平稳性和传动效率，形成一种全新的活齿减速式电动滚筒。参考文献1孙秀英电动滚筒类型的选型设计J煤矿现代化，2005，(3)：292刘建勋电动滚筒设计与选用手册M北京：化学工业出版社，20003杨黎明，黄凯机械零件设计手册M北京：国防工业出版社，19874江耕华机械传动设计手册M北京：煤炭工业出， 版社，19925曲继方微型摆
15、动活齿减速器J适用技术市场，2001，178(10)：28296成大先机械设计手册M北京：化学工业出版社，20027徐秀花，孙家林活齿中心轮齿廓曲线计算机辅助设计J机械传动，2004，28(6)：43448徐秀花双级滚柱活齿减速器的研究D济南：山东大学，2005.活齿减速电动滚筒结构设计作者： 邵光兰， 孙传祝作者单位： 山东理工大学工程技术学院,山东,255012刊名：通用机械英文刊名： GENERAL MACHINERY年，卷(期)： 2008，(5)引用次数： 0 次参考文献(8 条)1.孙秀英 电动滚筒类型的选型设计期刊论文-煤矿现代化 2005(3)2.刘建勋 电动滚筒设计与选用手册 20003.杨黎明.黄凯 机械零件设计手册 19874.江耕华 机械传动设计手册 19925.曲继方 微型摆动活齿减速器 2001(10)6.成大先 机械设计手册 20027.徐秀花.孙家林 活齿中心轮齿廓曲线计算机辅助设计期刊论文-机械传动 2004(6)8.徐秀花 双级滚柱活齿减速器的研究 2005本文链接：http:/ 年 10 月 10 日
