用于洗灌器的行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與研究

劉軍，王琳，黃瀟蘋

(大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116021)

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用于洗灌器的行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與研究

劉軍，王琳，黃瀟蘋

(大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116021)

摘要：設(shè)計(jì)了一款利用高壓水射流進(jìn)行清洗作用的新型洗灌器的行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置，并通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析，對(duì)傳動(dòng)零件的選型、結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定做了一定的實(shí)用分析，可為洗灌器的機(jī)械傳動(dòng)裝置的深入研究與開(kāi)發(fā)提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：洗灌器；行星齒輪機(jī)構(gòu)；高壓水射流；傳動(dòng)系統(tǒng)

0引言

洗灌器是高壓水射流清洗系統(tǒng)用于容器、罐、反應(yīng)釜等物體內(nèi)表面清洗的專用清洗設(shè)備[1]，是目前自動(dòng)清洗市場(chǎng)應(yīng)用比較廣泛的設(shè)備。對(duì)其傳動(dòng)技術(shù)研究的發(fā)展歷程從二維清洗到三維清洗，從簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)到復(fù)雜機(jī)構(gòu)，從近距離清洗到遠(yuǎn)靶距清洗。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，自20世紀(jì)80年代中期傳入我國(guó)，歷時(shí)40年。

洗罐器從傳動(dòng)系統(tǒng)上可分為兩類：1) 是采用流體驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，首先經(jīng)一系列減速傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)洗罐器公轉(zhuǎn)，再同時(shí)驅(qū)動(dòng)噴嘴自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)齒輪配比關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了球面空間網(wǎng)狀覆蓋無(wú)盲點(diǎn)清洗，因此也稱作三維洗罐器；2) 高壓流體流經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴(如兩個(gè)成S型布置的出液口)噴出時(shí)產(chǎn)生一轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，形成噴嘴的自轉(zhuǎn)，同時(shí)由于噴出的反沖力矩以同一方向作用于反沖輪，形成反沖輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反沖輪又通過(guò)減速傳動(dòng)裝置帶動(dòng)洗灌器整體做公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了即自轉(zhuǎn)又在殼體的帶動(dòng)下公轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)容器內(nèi)壁同時(shí)做縱向和橫向360°方向的萬(wàn)向噴射，達(dá)到全面清洗作用。無(wú)論哪一種傳動(dòng)系統(tǒng)，其基本工作原理都是經(jīng)噴嘴噴出的射流，以其很高的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地作用在工業(yè)產(chǎn)品表面，從而使垢物脫落達(dá)到清洗的目的。

目前高壓水射流清洗技術(shù)領(lǐng)域?qū)ο垂奁鞯墓ぷ餍屎托阅艿难芯恐饕杏趥鲃?dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和終端設(shè)備——噴嘴的結(jié)構(gòu)性能的研究。目前國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品尚存在使用壽命較短、零件易損壞、工作效率較低的不足，文中從傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度提出了用于洗灌器的行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮行星傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

1.1行星齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

行星齒輪傳動(dòng)承載能力大、傳動(dòng)比大，且占用空間較小。由于是純扭矩傳動(dòng)，故傳動(dòng)效率高，同時(shí)，行星齒輪中每個(gè)齒輪分配到的動(dòng)力是相等的，所以行星齒輪的動(dòng)力輸出非常平穩(wěn)，而且可以多個(gè)行星齒輪互相搭配作用。

1.2行星齒輪減速結(jié)構(gòu)

根據(jù)洗灌器需要體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳動(dòng)效率高的工況要求，再結(jié)合各傳動(dòng)類型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用2K-H(WW)型作為減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中包括兩對(duì)外嚙合齒輪(WW)1和3、2和4，轉(zhuǎn)臂H繞著固定的中心齒輪2的軸心線旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)臂H的另一端與雙聯(lián)的行星齒輪3和4的軸固聯(lián)，因此，當(dāng)動(dòng)力從中心齒輪1的軸(或從轉(zhuǎn)臂H)輸入時(shí)，就帶動(dòng)了雙聯(lián)行星齒輪3和4既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。

1、2—中心齒輪；3、4—行星齒輪；H—轉(zhuǎn)臂圖1　2K-H(WW)行星齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3行星齒輪機(jī)構(gòu)的匹配計(jì)算分析

同時(shí)考慮在行星齒輪傳動(dòng)中各齒輪齒數(shù)需要滿足的同心條件，為了提高承載能力及整機(jī)運(yùn)動(dòng)的平衡性和平穩(wěn)性，并考慮為了相互抵消減速器的各齒輪嚙合時(shí)候產(chǎn)生的徑向力，采用3個(gè)行星齒輪，各傳動(dòng)零件的主要參數(shù)如表1 所示，最終修訂行星減速傳動(dòng)比系數(shù)為20.74。

表1　齒輪主要參數(shù)

1.4行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的液力洗罐器適用于鐵路油罐車體遠(yuǎn)靶距清洗場(chǎng)合。傳動(dòng)系統(tǒng)部分主要由葉輪、行星齒輪機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)組成。行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1、2—中心齒輪；3、4—行星齒輪；5—噴嘴；6、8—圓錐齒輪；7—葉輪；H—轉(zhuǎn)臂圖2　洗灌器行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

1.5行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的工作原理

圖2顯示了行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的工作原理：當(dāng)供液泵產(chǎn)生的一定壓力的水流(或洗滌液)從洗灌器的進(jìn)液口進(jìn)入，經(jīng)由葉輪7時(shí)，形成葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉輪又通過(guò)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂H旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)行星齒輪3和4的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中中心齒輪2固定，又通過(guò)中心齒輪1帶動(dòng)固連在洗灌器殼體上的圓錐齒輪6旋轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn))，由于與圓錐齒輪6嚙合的圓錐齒輪8固定，因此同時(shí)又形成了圓錐齒輪6的自轉(zhuǎn)，最終由圓錐齒輪6帶動(dòng)與其共軸安裝的噴嘴5既隨著殼體繞進(jìn)液軸公轉(zhuǎn)同時(shí)又繞著出液軸旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。

由技術(shù)參數(shù)計(jì)算可得洗罐器整機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，噴嘴的自轉(zhuǎn)速度為3.3周，使得噴嘴對(duì)容器內(nèi)壁同時(shí)做橫向和縱向360°方向的萬(wàn)向噴射，達(dá)到全面清洗的作用。

2行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的仿真研究

為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)品質(zhì)，采用CAD軟件對(duì)該行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置進(jìn)行了三維實(shí)體造型、虛擬裝配和機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行分析[10]。

2.1行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的三維建模

由表1所確定的參數(shù)進(jìn)行齒輪的三維建模，按照?qǐng)D1搭建2K-H(WW)型作為減速機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)進(jìn)液軸、出液軸、軸系零件、轉(zhuǎn)臂、殼體、噴嘴等零件的結(jié)構(gòu)形狀，最后通過(guò)虛擬裝配，確定行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置的三維模型如圖3所示。

圖3　洗罐器三維仿真模型

2.2運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

將洗罐器三維仿真模型按照實(shí)際工況施加約束，對(duì)葉輪輸入功率P=10kW，輸入轉(zhuǎn)速n=100r/min，取運(yùn)動(dòng)時(shí)間300s，做運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

得到行星齒輪在垂直于軸向平面內(nèi)角位移變化曲線如圖4所示，該曲線為近似更等規(guī)律曲線，表明行星齒輪在轉(zhuǎn)臂上做勻速公轉(zhuǎn)，且齒輪正常傳動(dòng)。

圖4　行星齒輪角位移曲線

運(yùn)動(dòng)仿真得到殼體、噴嘴的角位移曲線和角加速度曲線，分別如圖5~圖8所示，由圖6和圖8可以看出，在啟動(dòng)的前10s內(nèi)，殼體和噴嘴的加速度都略有波動(dòng)，隨后趨于穩(wěn)定，近似為零，兩者基本處于勻速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖5　殼體角位移曲線

圖6　殼體角加速度曲線

圖7　噴嘴角位移曲線

圖8　噴嘴角加速度曲線

3結(jié)語(yǔ)

高壓水射流清洗設(shè)備的核心部分是機(jī)械傳動(dòng)部分，針對(duì)鐵路油罐車體遠(yuǎn)靶距清洗的實(shí)際需要，綜合考慮機(jī)械零件的傳動(dòng)特點(diǎn)，用工程分析與仿真校驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零件進(jìn)行了選型，確定了零件的主要性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了用于洗灌器的行星齒輪復(fù)合傳動(dòng)裝置，并進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明，該傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、緊湊，傳動(dòng)比分配符合要求，可以很好的實(shí)現(xiàn)噴嘴的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，保證了洗罐器整機(jī)工作性能的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn):

[1] 諸雪征，吳明飛，等. 雙噴嘴三維洗罐器工作特性的研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),1998.4.

[2] 朱大衛(wèi)，趙松怡. 液力洗灌器[P]. 中國(guó)專利：87205368，1988-12.

[3] 江志祥，朱增寶，季軍. 基于UG與ADAMS的行星齒輪減速器動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]. 煤礦機(jī)械，2013，06.

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Design of Planetary Gear Transmission for Washing Filling Device and Its Research

LIU Jun, WANG Lin, HUANG Xiao-ping

(Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116021,China)

Abstract:This paper describes that the high pressure water jet technology for industrial cleaning. The core part of high pressure water jet cleaning device is mechanical transmission part. This paper designs a planetary gear transmission for the new washing filling device,and through the simulation analysis of its transmission kinematics,it does some practical analysis of the selection of the transmission parts and determination of the structural parameters, and the information and reference are provided for the deep research and development of the mechanical transmission of the washing filling device.

Keywords:washing filling device; planetary gear mechanism; high pressure water jet; mechanical transmission

收稿日期：2014-01-19

中圖分類號(hào)：TH132.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0065-03

作者簡(jiǎn)介：劉軍(1969-),女，遼寧大連人，副教授，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及機(jī)械CAD。