科氏流量計(jì)用行星減速器設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析*

欒振輝， 張黎明

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

粉體輸送計(jì)量系統(tǒng)包括粉體喂料機(jī)、科里奧利粉體流量計(jì)和PLC控制系統(tǒng)三部分，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)流量計(jì)的實(shí)時(shí)流量值調(diào)整喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)粉體輸送計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]?？评飱W利粉體流量計(jì)是一種高性能的粉體質(zhì)量流量計(jì)，在水泥、制藥及石油化工等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2-3]。由于現(xiàn)有的扭矩傳感器動(dòng)態(tài)性能較低，導(dǎo)致粉體輸送計(jì)量系統(tǒng)流量波動(dòng)較大，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。為了提高粉體輸送計(jì)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，發(fā)明了一種新型的科氏粉體流量計(jì)，以自測(cè)扭矩行星減速器取代原流量計(jì)中的減速器和扭矩傳感器。文章分析了自測(cè)扭矩行星減速器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，建立了三維模型，分析了齒輪傳動(dòng)的接觸特性[4]。

1 自測(cè)扭矩行星減速器

1.1 科氏粉體流量計(jì)工作原理

圖1是科氏粉體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由電機(jī)1、減速器2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器3、聯(lián)軸器4及測(cè)量盤5等組成。圖2是其工作原理圖。粉體物料從進(jìn)料口進(jìn)入，流經(jīng)測(cè)量盤5后，最終通過出料口流出流量計(jì)。根據(jù)Coriolis原理，粉體的流量為[5]：

(1)

式中:qm為粉體的質(zhì)量流量，kg/s；T為科氏反力矩(測(cè)量盤扭矩)，Nm；ω為測(cè)量盤角速度，rad/s；R為測(cè)量盤半徑，m。

實(shí)踐中，由于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的動(dòng)態(tài)扭矩性能較低，當(dāng)喂料不均勻時(shí)，計(jì)量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。另外，隨著時(shí)間的推移，粉塵會(huì)進(jìn)入到傳動(dòng)軸下端的軸承中，增大了傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)阻力，進(jìn)而影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。為了解決上述問題，以自測(cè)扭矩行星減速器替代原有的減速器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，可提高流量計(jì)的動(dòng)態(tài)性能。

圖1 科氏粉體流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 自測(cè)扭矩行星減速器工作原理

新型科氏粉體流量計(jì)及自測(cè)扭矩行星減速器的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，其主要由電機(jī)1、自測(cè)扭矩行星減速器6及測(cè)量盤5等組成，測(cè)量盤角速度由轉(zhuǎn)速傳感器(圖中未示)測(cè)量并顯示。自測(cè)扭矩行星減速器主要由中心輪61、內(nèi)齒圈63、行星輪66、輸出軸65、壓電陶瓷力傳感器67、電荷放大器68及信號(hào)處理器69等組成。內(nèi)齒圈63處于浮動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)齒圈的外部有一凸塊，殼體64有一缺口，凸塊插入缺口中，凸塊的右側(cè)通過壓電陶瓷力傳感器67與機(jī)殼64連接，凸塊左側(cè)有一彈簧與機(jī)殼連接，壓電陶瓷力傳感器的輸出端連接電荷放大器68和信號(hào)處理器69，用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)行星傳動(dòng)理論，給出內(nèi)齒圈與輸入軸、輸出軸的關(guān)系即可。

圖2 科氏粉體流量計(jì)原理圖

圖3 新型科氏粉體流量計(jì)及自測(cè)扭矩行星減速器結(jié)構(gòu)原理

1.電機(jī) 6.自測(cè)扭矩行星減速器 5.測(cè)量盤

61.太陽輪 62.行星架 63.內(nèi)齒圈 64.殼體

65.輸出軸 66.行星輪 67.壓電陶瓷力傳感器

68.電荷放大器 69.信號(hào)處理器

2 動(dòng)力學(xué)分析

2.1 減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用NGW型行星減速器，并采用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按照現(xiàn)有粉體流量計(jì)中測(cè)量盤的尺寸、扭矩及轉(zhuǎn)速，確定行星減速器輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算(計(jì)算過程略)，各齒輪基本參數(shù)如表1所示。行星減速器中太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈的材料為40Cr，屈服極限是485MPa行星架材料為HT200，屈服極限是235MPa。

表1 減速器各齒輪基本參數(shù)

2.2 模型的建立

按照表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立行星減速器的模型?？紤]到對(duì)行星齒輪進(jìn)行ANSYS仿真分析時(shí)的復(fù)雜性，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立完之后進(jìn)行裝配得到減速器的三維裝配模型，模型如圖4所示。

圖4 行星減速器模型

3 仿真分析

通過ANSYS的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析[6]，得到行星輪、中心輪、內(nèi)齒圈和行星架的應(yīng)力分布云圖和部分應(yīng)力變化曲線圖。

3.1 應(yīng)力云圖結(jié)果分析

零件的應(yīng)力云圖如圖5-圖8所示。

圖5 中心輪應(yīng)力云圖

通過應(yīng)力云圖可知，太陽輪最大應(yīng)力分布在齒根周圍，最大應(yīng)力為572.14MPa；行星輪最大應(yīng)力分布在齒根周圍,最大應(yīng)力為322.55MPa；內(nèi)齒圈最大應(yīng)力分布在齒根周圍，最大應(yīng)力值348.46MPa；行星架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與行星輪軸接觸的一側(cè),應(yīng)力值23.296MPa。

3.2 應(yīng)力變化曲線圖結(jié)果分析

各零件的應(yīng)力變化曲線如圖9-圖12所示。

圖6 行星輪應(yīng)力云圖

圖7 內(nèi)齒圈應(yīng)力云圖

圖8 行星架應(yīng)力云圖

圖9 太陽輪應(yīng)力變化曲線

圖10 行星輪應(yīng)力變化曲線

通過應(yīng)力變化曲線圖可知，零件的應(yīng)力峰值不同，其中太陽輪、行星輪及內(nèi)齒圈的應(yīng)力變化具有相似性，都是上下來回波動(dòng)。相比行星輪、太陽輪和內(nèi)齒圈，行星架的應(yīng)力變化上下波動(dòng)幅度不是很大，先由小變大，然后趨于平穩(wěn)小幅度波動(dòng)，而太陽輪和行星輪的應(yīng)力變化相對(duì)于內(nèi)齒圈和行星架上下波動(dòng)很大。

圖11 內(nèi)齒圈應(yīng)力變化曲線

圖12 行星架應(yīng)力變化曲線圖

4 結(jié) 語

按照類比法確定了測(cè)量盤的扭矩和轉(zhuǎn)速，以此確定了自測(cè)扭矩行星減速器的速比，對(duì)行星減速器主要零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用隱式求解法接觸理論進(jìn)行了仿真分析，得到應(yīng)力云圖和應(yīng)力變化曲線。結(jié)果表明，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。