干熄焦提升機(jī)差動減速器速比計(jì)算

喬雙鵬 鞠國強(qiáng) 翟淑東 趙 婧

山東華成中德傳動設(shè)備有限公司 淄博 255200

0 引言

在焦化廠干熄焦系統(tǒng)中，干熄焦提升機(jī)是提升運(yùn)輸紅焦的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要由車架、起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、焦罐吊具、司機(jī)室、電控系統(tǒng)等組成。起升機(jī)構(gòu)安裝在車架上部，通過鋼絲繩與自動吊具相連，帶動焦罐進(jìn)行升降運(yùn)動[2]。起升驅(qū)動通常采用差動減速器，其一旦出現(xiàn)故障，將會影響干熄焦提升機(jī)及干熄焦整個系統(tǒng)的運(yùn)行，故對差動減速器的設(shè)計(jì)提出較高要求。

本文涉及的差動減速器為德國原裝進(jìn)口，應(yīng)用于150 t干熄焦提升機(jī)。該減速器為四輸入四輸出設(shè)計(jì)，每一輸入軸通過帶有制動器的聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)接，控制電機(jī)及相應(yīng)制動器的啟停，輸出軸即可實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速。本文將采用差動單元的分析方法，對減速器的輸出轉(zhuǎn)速及速比進(jìn)行分析計(jì)算，為后續(xù)減速器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 差動單元及其行星架轉(zhuǎn)速分析

如圖1所示的復(fù)合輪系中，齒圈不固定且為內(nèi)外齒結(jié)構(gòu)（見圖2），太陽輪1、行星輪2、齒圈及行星架H組成差動輪系（自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系[3]），齒輪5、齒輪4及齒圈組成定軸輪系，為便于后序分析，將該復(fù)合輪系稱為差動單元。在該差動單元中，齒圈內(nèi)齒齒數(shù)為z3，外齒齒數(shù)為z3＇，太陽輪1、齒輪5及行星架H的轉(zhuǎn)速分別為：n1、n5、nH，以太陽輪1、齒輪5作為輸入構(gòu)件，行星架H作為輸出構(gòu)件，有

圖1 差動單元

圖2 齒圈

由式(1)分析可知，當(dāng)n1、n5同向時，行星架轉(zhuǎn)向與輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)向一致；當(dāng)n1、n5反向時，行星架轉(zhuǎn)向需經(jīng)具體計(jì)算后確定。

2 干熄焦提升機(jī)差動減速器速比分析

2.1 干熄焦提升機(jī)差動減速器工作原理

本文所介紹的差動減速器結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3、圖4所示，減速器為四輸入四輸出設(shè)計(jì)，每一輸入軸通過帶制動盤的聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)接，輸出軸為貫通軸，用以驅(qū)動卷筒。

圖3 減速器結(jié)構(gòu)圖

圖4 減速器機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

該減速器包含3個差動單元，差動單元1的輸入為輸入軸1、輸入軸2，行星架H1用以驅(qū)動差動單元3的太陽輪；差動單元2的輸入為輸入軸3、輸入軸4，行星架H2用以驅(qū)動差動單元3的齒輪6；在差動單元1、2的共同作用下，差動單元3的行星架H3帶動齒輪11并左右分流，最終驅(qū)動輸出軸1及輸出軸2。

2.2 干熄焦提升機(jī)差動減速器速比分析

在差動單元1中，太陽輪、行星輪、齒圈內(nèi)齒、齒圈外齒的齒數(shù)分別記為：z1、z2、z3、z3＇，差動單元2的齒輪參數(shù)與差動單元1相同，在差動單元3中，太陽輪、行星輪、齒圈內(nèi)齒、齒圈外齒的齒數(shù)分別記為：z8、z9、z10、z10＇，其余齒輪齒數(shù)標(biāo)記如圖4所示。

令輸入軸1、輸入軸2、輸入軸3、輸入軸4的轉(zhuǎn)速依次為n01、n02、n03、n04，且轉(zhuǎn)向相同，對應(yīng)輸出軸1、輸出軸2的轉(zhuǎn)速為n05、n06，轉(zhuǎn)向由計(jì)算結(jié)果確定。對差動單元1、2、3的行星架轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)中，有

式中：n8=nH1，n6=nH2。

將nH1、nH2代入后可得

則，輸出軸1轉(zhuǎn)速為

輸出軸2轉(zhuǎn)速為

計(jì)算結(jié)果顯示：輸出軸1與輸出軸2轉(zhuǎn)速相等，輸出軸1轉(zhuǎn)向與輸入軸轉(zhuǎn)向相反，輸出軸2轉(zhuǎn)向與輸入軸轉(zhuǎn)向相同。

在實(shí)際應(yīng)用中，干熄焦提升機(jī)差動減速器所配套的4臺電機(jī)相同，令電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，則輸入軸有兩種轉(zhuǎn)速，制動狀態(tài)時的零轉(zhuǎn)速及工作狀態(tài)時的n。根據(jù)電機(jī)工作情況，將輸入軸轉(zhuǎn)速代入式（6）、式（7）中，即可解出輸出軸轉(zhuǎn)速n05、n06，對應(yīng)減速器速比為n/n05及n/n06。

由于兩輸出軸轉(zhuǎn)速相等，且轉(zhuǎn)向已明確，減速器的輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值nout、速比數(shù)值i可表示為

當(dāng)z8z10＇=z10z6，且z1z3＇=z3z5時，有

此時，根據(jù)各電機(jī)工作情況，按式(9)、式(10)對減速器的輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值nout、速比數(shù)值i進(jìn)行分類討論。

1)當(dāng)1臺電機(jī)工作時

2)當(dāng)2臺電機(jī)工作時

3)當(dāng)3臺電機(jī)工作時

4)當(dāng)4臺電機(jī)工作時

因此，若減速器滿足條件z8z10＇=z10z6且z1z3＇=z3z5，則1臺電機(jī)、2臺電機(jī)、3臺電機(jī)工作時減速器的輸出轉(zhuǎn)速分別為4臺電機(jī)工作時的25%、50%、75%。

綜上所述，控制電機(jī)及相應(yīng)制動器的啟停，減速器即可實(shí)現(xiàn)不同的輸出轉(zhuǎn)速；當(dāng)某一電機(jī)故障時，制動器將立即制動相應(yīng)輸入軸，提升機(jī)可依靠其余電機(jī)在完成本班次的既定工作后再進(jìn)行故障排除[4]，避免緊急停車，造成重大損失。

3 干熄焦提升機(jī)差動減速器速比計(jì)算

某項(xiàng)目應(yīng)用的干熄焦提升機(jī)差動減速器，配套電機(jī)功率為4×315 kW，轉(zhuǎn)速為990 r/min，且所有工作電機(jī)轉(zhuǎn)向相同，減速器各齒輪齒數(shù)如表1所示。

表1 減速器齒數(shù)表

由表 1 可知：z8z10＇=z10z6=1 584，z1z3＇=z3z5=1 440。因此，該減速器的速比數(shù)值及輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值可按式(11)～式(18)求解，計(jì)算結(jié)果如表2所示。輸出軸1轉(zhuǎn)向與輸入軸轉(zhuǎn)向相反，輸出軸2與輸入軸轉(zhuǎn)向相同。

表2 減速器輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值及速比數(shù)值表

4 干熄焦提升機(jī)差動減速器速比計(jì)算驗(yàn)證

NX是當(dāng)今應(yīng)用廣泛、極具競爭力的CAD/CAE大型集成軟件之一[5]，在汽車、航空航天、通用機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[6]。為驗(yàn)證干熄焦提升機(jī)差動減速器速比分析的正確性，使用NX建立上述案例中復(fù)合輪系的三維模型，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。

1）建立復(fù)合輪系三維模型

根據(jù)分析需要，建立輸入軸、輸出軸、行星架、齒輪類零件三維模型，并完成虛擬裝配。其中，輸入、輸出軸與絕對坐標(biāo)系X軸平行，如圖5所示。

圖5 減速器復(fù)合輪系三維模型

2）創(chuàng)建構(gòu)件

進(jìn)入運(yùn)動仿真環(huán)境，創(chuàng)建新構(gòu)件，為簡化分析，將采用鍵聯(lián)接的兩零件定義為一個構(gòu)件。

3）添加運(yùn)動副

根據(jù)運(yùn)動關(guān)系，為構(gòu)件添加旋轉(zhuǎn)副及齒輪副。為便于后續(xù)分析，將輸入軸、輸出軸與機(jī)架的旋轉(zhuǎn)副方向均定義為絕對坐標(biāo)系X軸正向。

4）添加驅(qū)動

在每一輸入軸與機(jī)架旋轉(zhuǎn)副處添加驅(qū)動，定義方式選擇固定、速度，通過將速度設(shè)置為0或990 rad/s進(jìn)行電機(jī)工作狀態(tài)模擬。本次重點(diǎn)分析輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速數(shù)值及方向，故采用系統(tǒng)默認(rèn)轉(zhuǎn)速單位而不做轉(zhuǎn)化。

5）仿真設(shè)置

定義仿真時間為1 s，步數(shù)為1 000。

6）仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖6所示，圖6a～圖6d依次為1臺電機(jī)、2臺電機(jī)、3臺電機(jī)、4臺電機(jī)工作時輸出軸的轉(zhuǎn)速曲線。

圖6 輸出軸轉(zhuǎn)速曲線

從仿真結(jié)果可看出，減速器在不同輸入條件下，輸出軸的轉(zhuǎn)速數(shù)值及方向均與理論分析計(jì)算一致，故上述關(guān)于干熄焦提升機(jī)差動減速器輸出轉(zhuǎn)速及速比的分析正確。

5 結(jié)語

本文以差動單元行星架的轉(zhuǎn)速分析為基礎(chǔ)，對干熄焦提升機(jī)差動減速器進(jìn)行了分析，推導(dǎo)得出一般減速器及滿足特定齒數(shù)條件減速器的輸出轉(zhuǎn)速和速比計(jì)算公式。在應(yīng)用公式計(jì)算得出減速器輸出轉(zhuǎn)速及速比后，采用軟件NX對減速器輪系進(jìn)行了運(yùn)動仿真，得到不同輸入條件下減速器的輸出軸轉(zhuǎn)速曲線。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，表明基于差動單元的分析方法可作為差動減速器速比計(jì)算的一種可行思路。本文的分析結(jié)果為干熄焦提升機(jī)差動減速器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，同時也可為減速器的實(shí)際使用提供參考。