30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈鏈輪修形減振設(shè)計(jì)

趙俊天，胡升陽，董亞亞

（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈鏈輪修形減振設(shè)計(jì)

趙俊天，胡升陽，董亞亞

（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

鏈傳動(dòng)主要用于傳遞動(dòng)力和物料，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度提高和精密加工技術(shù)的發(fā)展，鏈傳動(dòng)的精確性、穩(wěn)定性越發(fā)重要。鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈?zhǔn)秦?fù)責(zé)鑄模和鋁錠的輸送。由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)不平穩(wěn)，導(dǎo)致鋁錠表面形成明顯的“水波紋”現(xiàn)象，影響鋁錠的表面質(zhì)量。在分析鏈傳動(dòng)振動(dòng)來源的基礎(chǔ)上，給出三種對(duì)鏈輪齒形的修正方法，采用修正后的鏈輪能夠減小嚙合沖擊，進(jìn)而降低輸送過程的振動(dòng)，提高鋁錠表面質(zhì)量。

輸送鏈；鏈輪；嚙合沖擊；多邊形效應(yīng)；水波紋

30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組是專門用于普通重熔用鋁錠連續(xù)鑄造的自動(dòng)化生產(chǎn)線，在國(guó)內(nèi)外已得到較廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)仍然存在許多技術(shù)難點(diǎn)，尚未得到突破。較為突出的問題之一是在生產(chǎn)中鋁錠表面出現(xiàn)水波紋，對(duì)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量影響很大，影響了其銷售價(jià)格。

常見的鋁錠表面波紋有同心圓狀、泡狀和兩端溝槽狀三種波紋［1］。

同心圓狀的水波紋是在鋁錠表面上以某一處為中心，以波紋狀向四面擴(kuò)散。泡狀水波紋則是在鋁錠表面形成的凸起或浮塊狀波紋，這種波紋形成后，使鋁錠表面凹凸不平，有時(shí)會(huì)形成夾層。兩端溝槽狀波紋是在鋁錠表面形成較深的溝槽狀波紋，并且中間最淺，兩端最深。

通常這三種波紋相互交織，共同存在。前兩種水波紋可以通過保持鋁液干凈、改進(jìn)工藝、提高操作人員技術(shù)水平等來改進(jìn)。其中第三種波紋對(duì)外觀質(zhì)量影響最大，也是重點(diǎn)研究的問題。通過對(duì)30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈系統(tǒng)的鏈輪齒形進(jìn)行修正，降低鏈條振動(dòng)，減小鋁錠波紋，從而改善鋁錠表面的質(zhì)量。

1　兩端溝槽狀波紋產(chǎn)生的機(jī)理

兩端溝槽狀波紋這類水波紋對(duì)鋁錠的外觀質(zhì)量影響最大，波紋幅度最大，就目前國(guó)內(nèi)同類型30?t/h鋁錠鑄造機(jī)組來言很難消除，其形成的原因有：

（1）輸送鏈系統(tǒng)的振動(dòng)形式主要為三種即鏈節(jié)的橫向振動(dòng)與縱向振動(dòng)、鏈輪的軸向與徑向振動(dòng)、滾子的徑向變形振動(dòng)［8］。而嚙合沖擊引起的鏈節(jié)振動(dòng)或鏈輪振動(dòng)是導(dǎo)致輸送鏈系統(tǒng)振動(dòng)和鋁錠表面出現(xiàn)水波紋的最主要原因之一?。其是由于嚙合過程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產(chǎn)生的。傳統(tǒng)的滾子鏈與鏈輪嚙合時(shí)，后一個(gè)滾子沿著前一個(gè)已嚙入的滾子的中心為圓心、以節(jié)距為半徑的圓弧嚙入鏈輪。滾子是首先直接與鏈輪底部接觸，這必然會(huì)有接觸的突然性，產(chǎn)生沖擊。隨著鏈條與鏈輪的嚙合，這種沖擊又會(huì)呈現(xiàn)出一定的周期性。

（2）鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)造成輸送鏈系統(tǒng)不平穩(wěn)。與傳動(dòng)鏈一樣，鏈條繞上鏈輪時(shí)圍成正多邊形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈輪勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏈運(yùn)行的速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，這就是鏈的多邊形效應(yīng)［6，7］。由于30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組，采用了較大的節(jié)距（pc=132.5?mm），因此鏈運(yùn)行的不平穩(wěn)性更加明顯［3］。

（3）鏈傳動(dòng)速度不均勻性會(huì)發(fā)生周期性變化，?這種變化將損害傳動(dòng)的同步性與均勻性，從而進(jìn)一步引起鑄模振動(dòng)使液態(tài)鋁晃動(dòng)，由于靠近鑄模內(nèi)壁溫度相對(duì)較低，此位置的液態(tài)鋁先凝固成型，未凝固的鋁水波峰每次接近已凝固的鋁時(shí)就在其上凝固成型，使得鋁錠以中部為界因鋁的減少而出現(xiàn)較深的溝槽。

2　鏈輪齒形的修正

2.1修正鏈輪節(jié)距

傳統(tǒng)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中，鏈輪的節(jié)距和鏈條的節(jié)距是相等的，并且鏈條的中心線位置呈周期性變化。鏈輪的節(jié)距是指在鏈輪的分度圓上與鏈條的對(duì)應(yīng)鏈節(jié)相嚙合的兩個(gè)齒槽間的距離，也就是分度圓上的弦節(jié)距［9］。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的三圓弧一直線齒形鏈輪，當(dāng)使鏈輪的弧節(jié)距p等于鏈條的節(jié)距pc，可以明顯的降低振動(dòng)且由于鏈條節(jié)距的相對(duì)伸長(zhǎng)量△p/pc≤3%，就不會(huì)發(fā)生跳齒與掉鏈［10］。

依據(jù)現(xiàn)用的30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下計(jì)算：

鏈輪的弦節(jié)距ps=?鏈條的節(jié)距pc=132.5mm

主動(dòng)鏈輪的弧節(jié)距：

從動(dòng)鏈輪的弧節(jié)距：

當(dāng)改用弧節(jié)距與鏈條節(jié)距相等時(shí)，主動(dòng)鏈輪的變化幅度為：

從動(dòng)鏈輪的變化幅度為：

由此可知，當(dāng)改用弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距后，皆不會(huì)出現(xiàn)跳齒和掉鏈的情況。而此時(shí)鏈輪的弦節(jié)距ps＜pc。由于鏈輪弦節(jié)距小于鏈條節(jié)距，鏈條在鏈輪上將出現(xiàn)爬高，如圖1中滾子?A?將沿鏈輪齒廓的非工作齒面爬高，但能處在較大的圓上，不會(huì)像傳統(tǒng)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)那樣下降到與分度圓呈最大相割位置?。因此可以減小鏈條的橫向振動(dòng)?。另外修正后的鏈輪，?滾子?B?將首先與鏈輪輪齒的工作齒面接觸?，?此時(shí)滾子與鏈輪齒槽底部之間會(huì)有一個(gè)間隙C。間隙?C的存在使得滾子不會(huì)突然接觸鏈輪齒槽底部，亦不會(huì)產(chǎn)生徑向沖擊，而只有切向接觸力。然后滾子沿工作齒廓逐漸嚙入，嚙入過程中切向沖擊能量得到了消耗。當(dāng)滾子完全嚙入鏈輪齒槽底部時(shí)。徑向接觸才出現(xiàn)。即切向沖擊與徑向沖擊不同時(shí)發(fā)生，有一個(gè)時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間延遲使得沖擊能量分布在較長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間，能降低振動(dòng)［4］。

圖1　修形鏈輪與滾子鏈嚙合示意圖

2.2增大齒溝圓弧半徑R1

增大30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組輸送鏈系統(tǒng)鏈輪齒溝圓弧半徑，可使得鏈輪的輪齒變窄，齒槽加深［4］。

上式中R0為標(biāo)準(zhǔn)滾子半徑。

現(xiàn)用的輸送鏈系統(tǒng)鏈條滾子半徑R0=35?mm，而齒溝圓弧半徑R1=35.23?mm?。

現(xiàn)改為：R1=35.35+0.069×4.121?23=35.634?36 4?87（mm）≈35.63（mm）。

2.3對(duì)鏈輪的壓力角進(jìn)行修正

滾子鏈的嚙入沖擊能量?E?可近似為：

式中，m為鏈輪質(zhì)量?，pc為?鏈條節(jié)距，z為鏈輪齒數(shù)?，γ為嚙合壓力角，vc為沖擊速度。

由公式可知對(duì)嚙入沖擊能量和沖擊速度影響最大的是嚙合壓力角，因此可以通過齒形修正減小嚙合壓力角γ，從而減少嚙入沖擊速度，進(jìn)而減小嚙入沖擊能量即降低振動(dòng)。對(duì)于鏈輪的嚙合壓力角來說，是可以取很多數(shù)值的，大致來說從英國(guó)常用的14.5°、15°到德國(guó)的20°以及25°都有使用。而當(dāng)鏈輪的嚙合壓力角越小，其傳動(dòng)效率就會(huì)越高，但齒部的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)越差。當(dāng)鏈輪嚙合壓力角越大時(shí)，其傳動(dòng)效率又會(huì)降低，但齒部的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)變強(qiáng)。因此可以采用英制齒輪的14.5°或15°，從而將降低滾子鏈嚙入時(shí)的沖擊能量，減小振動(dòng)［3］。

對(duì)現(xiàn)行的30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組主動(dòng)鏈輪：

對(duì)現(xiàn)行的30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組從動(dòng)鏈輪：

由此可得，沖擊能量得到較大的降低，可為30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)的主從鏈輪嚙合壓力角修形提供一定的方向。

3　結(jié)論

影響輸送鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的因素是多方面的，而且某些因素之間還存在相互作用。在分析30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈鏈傳動(dòng)振動(dòng)來源的基礎(chǔ)上，本文給出了對(duì)一些鏈輪齒形修正方法，通過改用弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距，增大齒溝圓半徑以及減小嚙合壓力角，發(fā)現(xiàn)可以明顯降低嚙入的沖擊振動(dòng)，從而降低輸送過程的振動(dòng)，達(dá)到提高生產(chǎn)的鋁錠的質(zhì)量的目的。

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The?vibration?reduction?design?of?sprocket's?profle?in?the?system?of?conveyor?chain?of?30t/h?Aluminum ingot continuous castingmachine

ZHAO?JunTian，HU?ShengYang，DONGYaYa
（Lanzhou?university?of?technology，Lanzhou?730050，GanSu，China）

Chain?drive?is?mainly?used?to?transfer?power?and?material.With?higher?degree?of?industrial?automation?and?the?development?of?precision?machining?technology，?the?accuracy?and?stability?of?the?chain?transmission?become?more?and?more?important.?The?onveyor?hain?of?Aluminum?ingot?continuous?casting?machine?is?responsible?for?the?delivery?of?molds?and?aluminum?ingots.The?unstability?of?chain?transmission?system?leads?to?the?forming?of?obvious?water?ripple?phenomenon?at?the?surface?of?the?aluminum?ingot，?which?affects?the?quality?of?aluminum?ingots.Based?on?the?analysis?of?the?vibration?source?of?the?transmission?chain，it?is?concluded?that?three?kinds?of?method?to?correct?the?sprocket?tooth?profle，?using?the?revised?sprocket?can?reduce?the?meshing?impact?and?the?vibration?of?the?transmission.?To?improve?the?quality?of?aluminum?ingots.

Transmission?chain；Sprocket；Meshing?impact；Polygon?effect；Water?ripple

TG249.7;

A；

1006-9658（2015）04-0036-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.010

2015-01-04

稿件編號(hào):1501-761

趙俊天(1965—）男，副教授，主要研究方向成套自動(dòng)化裝備、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).