機(jī)械差速器的結(jié)構(gòu)分析及在離心機(jī)中的應(yīng)用*

葉 權(quán)

(上海章臣機(jī)械制造有限公司,上海 201907)

0 引 言

環(huán)境保護(hù)、節(jié)省資源、提高各種資源使用率成為現(xiàn)代社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問題， 我國在近年來開發(fā)出了一批新的離心機(jī)如臥式螺旋沉降離心機(jī)、臥式過濾離心機(jī)、臥式沉降帶過濾離心機(jī)、臥式篩網(wǎng)刮刀離心機(jī)、立式篩網(wǎng)刮刀離心機(jī)等(以下統(tǒng)稱為離心機(jī))，產(chǎn)品技術(shù)日益成熟，廣泛應(yīng)用于污水處理行業(yè)的污泥分離、石油行業(yè)的油泥分離、煤炭行業(yè)的煤泥篩選、化工食品等行業(yè)懸浮液中固液相的分離等等，作為離心機(jī)的核心傳動(dòng)件差速器的質(zhì)量直接決定著離心機(jī)的性能[1]，并影響著離心機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

電動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)安裝在差速器上的主皮帶輪，使轉(zhuǎn)鼓高速旋速(一般可達(dá)4 000 r/min，甚至達(dá)到6 000 r/min)，從而生成強(qiáng)大的離心力場，物料由進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后，物料中的固相和液相因比重的不同而得以分離，由于差速的存在，固相和液相由螺旋輸送到不同的出口，此分離過程必須依靠差速器才能完成，推料的扭矩計(jì)算、離心機(jī)差速的調(diào)節(jié)、差速器的差速范圍、差速器的結(jié)構(gòu)型式以及溫升控制方式等等技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)差速器的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，也給離心機(jī)的選型設(shè)計(jì)增加了難度。因此筆者針對(duì)離心機(jī)行業(yè)選型設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，通過對(duì)機(jī)械差速器結(jié)構(gòu)原理的詳細(xì)分析，得到了三種機(jī)械差速器差速的計(jì)算公式并探討了機(jī)械差速器的超前與滯后這一技術(shù)難點(diǎn)，為離心機(jī)整機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 臥式離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械差速器中的傳動(dòng)件主要采用短幅外擺線或漸開線等齒形結(jié)構(gòu)[2],差速器的殼體與離心的轉(zhuǎn)鼓相連，并通過連接在差速器殼體上或連接在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓上的主皮帶輪驅(qū)動(dòng)，差速器上的輸出部件通過花鍵軸與離心機(jī)的螺旋相連，差速器還帶有一個(gè)輔皮帶輪，輔皮帶輪與差速器內(nèi)的輸入軸相連，通過調(diào)節(jié)差速器的輔皮帶輪的轉(zhuǎn)速以及主皮帶輪的轉(zhuǎn)速即可控制離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的速度差，此速度差即為通常所說的差速。

差速器的作用是控制差速器主皮帶輪與副皮帶輪相對(duì)速度的快慢，使差速器的殼體與輸出花鍵之間產(chǎn)生差速，最終使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間產(chǎn)生相同的差速，通過差速器傳動(dòng)比的放大，為離心機(jī)螺旋提供充足的推料扭矩。

差速器參數(shù)含義如下：

(1) 差速Δn離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速減去螺旋的轉(zhuǎn)速所得數(shù)值。

(2) 差速器和離心機(jī)的連接 差速器的殼體與離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓剛性連接，差速器的輸出花鍵與離心機(jī)的螺旋通過花鍵軸剛性連接。

(3) 主皮帶輪(用c表示) 與差速器的殼體(或離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓)剛性連接的皮帶輪。

(4) 副皮帶輪(用a表示) 驅(qū)動(dòng)差速器輸入軸的皮帶輪。

(5) 超前與滯后 離心機(jī)的螺旋和轉(zhuǎn)鼓為同方向回轉(zhuǎn)，螺旋轉(zhuǎn)速快于轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為超前型，反之為滯后型。

(6) 旋轉(zhuǎn)方向 為了減少差速器內(nèi)部零件的相對(duì)轉(zhuǎn)速，通常將主皮帶輪與副皮帶輪的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置為同方向旋轉(zhuǎn)，并使主皮帶輪的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置的高于副皮帶輪的旋轉(zhuǎn)速度。

(7) 差速器速比 差速器殼體固定時(shí)，輸出部件轉(zhuǎn)一圈，輸入軸轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

2 機(jī)械差速器的結(jié)構(gòu)原理分析及應(yīng)用

2.1 擺線差速器

擺線差速器是我國開發(fā)比較早的一個(gè)產(chǎn)品，由擺線減速機(jī)的原理演化而來，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2，主要由輸入軸、偏心套及軸承(或直接采用偏心軸承)、擺線齒輪、針齒、針套、針齒殼、銷軸、銷套、輸出軸等部件組成，采用擺線偏心傳動(dòng)原理，由輔皮帶輪通過輪座與平鍵驅(qū)動(dòng)輸入軸，輸入軸驅(qū)動(dòng)偏心套及軸承(或偏心軸承)，偏心套驅(qū)動(dòng)擺線齒輪，在針齒殼、針齒與針套的作用下，擺線齒輪將作與輔皮帶輪相反方向的旋轉(zhuǎn)，由擺線齒輪自帶的銷孔，并經(jīng)過輸出軸上的銷軸與銷套將扭矩輸送出去，從而驅(qū)動(dòng)離心機(jī)的螺旋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

擺線差速器適用于小扭矩輸出(通常小于5 000 N·m)[3]、大傳動(dòng)比(單級(jí)速比有23、29、35、43、59、71最大可達(dá)87)的場合[4]，擺線差速器的差速計(jì)算公式為：

式中：nc為主皮帶輪轉(zhuǎn)速(即轉(zhuǎn)鼓、差速器殼體轉(zhuǎn)速);na為副皮帶輪轉(zhuǎn)速(即差速器輸入軸轉(zhuǎn)速);nb為輸出花鍵的轉(zhuǎn)速(即離心機(jī)螺旋的轉(zhuǎn)速)；i為殼體固定時(shí)，差速器的傳動(dòng)比。

圖2 擺線差速器結(jié)構(gòu)圖

在針齒殼固定的前提下，擺線差速器的輸出軸與輸入軸是反向傳動(dòng)的，因此在計(jì)算傳動(dòng)比的時(shí)候應(yīng)加入負(fù)號(hào)，根據(jù)以上公式可知，擺線差速器屬于超前型差速器，擺線差速器制作完成后，傳動(dòng)比i即為定值，在離心機(jī)的使用過程中，若要調(diào)節(jié)差速，需要變nc-na的數(shù)值，即需改變主皮帶輪與輔皮帶輪之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，通常nc-na的數(shù)值應(yīng)小于1 500 r/min。

另外，根據(jù)擺線差速器在離心機(jī)中的安裝方式不同，還有內(nèi)置式擺線差速器的設(shè)計(jì)，其核心傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是相同的，在此不予贅述。

2.2 雙變量控制行星差速器

雙變量控制行星齒輪差速器(也稱行星差速器)的典型結(jié)構(gòu)如圖3，其主要采用2K-H負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)、NGW型嚙合方式，通常采用雙級(jí)傳動(dòng)(速比有29、35、57、83、90等)，分為高速級(jí)行星齒輪組和低速級(jí)行星齒輪組，兩級(jí)行星齒輪組的結(jié)構(gòu)完全相同，高速級(jí)行星齒輪組輸出的行星架直接與低速級(jí)行星齒輪組中的太陽輪制作成一個(gè)零件，在形成較大的傳動(dòng)比的同時(shí)便于提高差速器的零件精度。經(jīng)過計(jì)算，雙變量控制行星齒輪差速器的差速的計(jì)算公式[5]為：

公式中a、b、c所代表的構(gòu)件見圖3，需要說明的是，行星差速器在殼體固定的前提下，輔皮帶輪與輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向是相同的，因此，行星差速器的傳動(dòng)比為正值，根據(jù)公式可知，行星差速器屬于滯后型差速器，行星差速器制作完成后，傳動(dòng)比i也是定值，在離心機(jī)的使用過程中，若要調(diào)節(jié)差速，需要改變nc-na的數(shù)值，即需改變主皮帶輪與輔皮帶輪之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，通常nc-na的數(shù)值應(yīng)小于2 000 r/min。

圖3 雙變量控制行星差速器結(jié)構(gòu)圖

行星差速器扭矩從1 500～20 000 N·m的設(shè)計(jì)較成熟，在選煤行業(yè)中已經(jīng)擁有達(dá)到100 000 N·m的應(yīng)用，未來高速、小型化的設(shè)計(jì)將是主流。

根據(jù)分離物料的特性，當(dāng)需要離心機(jī)差速比較小的場合，則差速器的速比需要做的更大，此時(shí)差速器也有設(shè)計(jì)成三級(jí)行星齒輪組的結(jié)構(gòu)型式。

2.3 單變量控制行星差速器

單變量控制行星差速器是最近研究開發(fā)的新產(chǎn)品，其差速的控制由一個(gè)變量參數(shù)進(jìn)行控制。單變量控制行星差速器由三級(jí)NGW結(jié)構(gòu)行星齒輪組構(gòu)成，分為控制級(jí)行星齒輪組，輸入級(jí)行星齒輪組和輸出級(jí)行星齒輪組，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 單變量控制行星差速器結(jié)構(gòu)圖

控制級(jí)與輸入級(jí)共用行星架和行星輪軸，一般將輸入級(jí)與控制級(jí)的齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)的完全相同，這樣便于計(jì)算，在使用中控制級(jí)的太陽輪是需要固定的，輸入軸經(jīng)過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接相連，當(dāng)輸入軸a與主皮帶輪c同方向時(shí)，差速的計(jì)算公式為：

式中：nc為主皮帶輪c的轉(zhuǎn)速(即離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速)；nb為輸出軸b的轉(zhuǎn)速(即離心機(jī)螺旋的轉(zhuǎn)速)；na為輸入軸a的轉(zhuǎn)速；Zb3為輸出級(jí)行星齒輪組中內(nèi)齒圈的齒數(shù)；Za3為輸出級(jí)行星齒輪組中太陽輪的齒數(shù)，Zb2為輸入級(jí)行星齒輪組中內(nèi)齒圈的齒數(shù)；Za2為輸入級(jí)行星齒輪組中太陽輪的齒數(shù)。

單變量控制行星差速器，在制造完畢后，各齒輪齒數(shù)即為定值，因此控制其差速，只需改變輸入軸a的轉(zhuǎn)速這一個(gè)參數(shù)即可，另外，通過改變輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向，可以控制差速器是超前型還是滯后型。

單變量控制行星差速器擁有廣泛的使用價(jià)值，其差速調(diào)節(jié)范圍廣，這為離心的差速控制以及新物料的分離試驗(yàn)，提供了更為簡便的方法。

3 結(jié) 論

通過對(duì)擺線、雙變量控制、單變量控制這三種機(jī)械差速器結(jié)構(gòu)原理的詳細(xì)分析，結(jié)合差速器在離心機(jī)中的應(yīng)用工況，總結(jié)以下要點(diǎn)：

(1) 擺線差速器和雙變量行星差速器在工作中主皮帶輪和副皮帶輪的旋轉(zhuǎn)方向必需一致，要改變差速，即需改變nc-na的數(shù)值，通常nc-na的數(shù)值應(yīng)小于2 000 r/min，否則差速器內(nèi)部零件的相對(duì)轉(zhuǎn)速很高，熱平衡很難控制，容易引起差速器燒瓦抱軸等故障產(chǎn)生。

(2) 擺線差速器屬于超前型差速器，雙變量行星差速器屬于滯后型差速器，根據(jù)擺線差速器和雙變量行星差速器差速的推導(dǎo)公式，理論上可以通過將輔皮帶輪的轉(zhuǎn)速提高并超過主皮帶輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)nc-na為負(fù)值，從而使擺線差速器成為滯后型，行星差速器成為超前型，但是在實(shí)際生產(chǎn)中將對(duì)差速器的精度及動(dòng)平衡提出很高的要求，因此在實(shí)踐中，不建議這樣使用。

(3) 單變量控制行星差速器屬于剛剛研發(fā)的新產(chǎn)品，其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)加工精度提出了較高的要求，但是單變量控制行星差速器的差速只需控制其輸入軸的轉(zhuǎn)速，因此差速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，并且通過輸入軸旋轉(zhuǎn)方向的改變，可以實(shí)現(xiàn)超前型或滯后型的功能，對(duì)于離心機(jī)的設(shè)計(jì)來說，當(dāng)分離的物料特性還不確定的時(shí)候，單變量控制行星差速器差速的控制方式，將為其提供理想的測試手段。單變量控制行星差速器的其它性能還有待于進(jìn)一步的研究。