一種管狀帶式輸送機(jī)巡檢小車的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂培炎 阮學(xué)云 賈世林

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

管狀帶式輸送機(jī)作為皮帶機(jī)的一種，是煤礦生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。除了純粹的物料運(yùn)輸工作，皮帶機(jī)還可配合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程中的要求，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運(yùn)輸線[1]。皮帶機(jī)維修保養(yǎng)時(shí)，檢測其扭管、脹管以及托輥噪音等方面的故障一直是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的難題?，F(xiàn)有的人工巡檢和一些自動化檢測系統(tǒng)，存在勞動強(qiáng)度大、成本高、實(shí)時(shí)性差以及效率與可靠性低等缺陷。因此，研究一種用于管狀帶式輸送線的巡檢機(jī)械對煤礦的發(fā)展具有重要影響[2]。

1 管狀帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作流程

皮帶機(jī)主要由托輥、機(jī)架、皮帶、制動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和張緊機(jī)構(gòu)等部分組成[3]。管狀帶式輸送機(jī)的兩端各設(shè)有引導(dǎo)皮帶折疊的輥?zhàn)?。折疊后的皮帶在驅(qū)動裝置的作用下進(jìn)入機(jī)架進(jìn)行運(yùn)輸工作，機(jī)架中每隔一段距離都有6個(gè)托輥圍繞在管狀帶上。6個(gè)托輥總體呈等六邊形，每個(gè)托輥都與管狀帶線接觸。經(jīng)過驅(qū)動滾筒纏繞和機(jī)器尾部滾筒換向形成一個(gè)長環(huán)形連續(xù)帶，上層皮帶為工作段，下層皮帶為回空段。

2 管狀帶式輸送機(jī)巡檢小車傳動方案設(shè)計(jì)

巡檢小車工作環(huán)境為高于地面5 m左右南北走向的懸空廊道，地處工業(yè)區(qū)，西側(cè)為運(yùn)貨路線，皮帶線兩端從廠區(qū)伸出，經(jīng)過一片至少3 km的荒地，經(jīng)常行駛大型貨物運(yùn)輸車輛，且該地區(qū)綠化建設(shè)差，皮帶線附近風(fēng)沙嚴(yán)重、日夜溫差大。傳動系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合噪聲小、運(yùn)動穩(wěn)定以及穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，提出了3種方案。

2.1 摩擦傳動

摩擦傳動可以選擇的軌道有工字鋼軌和內(nèi)嵌式U型軌兩種。

2.1.1 工字鋼軌

一般懸掛式巡檢機(jī)器人都選用工字鋼作為運(yùn)行軌道。驅(qū)動系統(tǒng)主要由導(dǎo)向輪、傳動輪和軌道組成[4]。導(dǎo)向輪是工字鋼軌的重要部件。小車運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)向輪會一直與工字鋼邊緣摩擦，從而導(dǎo)致小車運(yùn)行速度不穩(wěn)定。此外，隨著工作時(shí)間的增加，它的導(dǎo)向精度也會隨之下降。

2.1.2 內(nèi)嵌式U型軌

該種導(dǎo)軌有U型內(nèi)嵌式軌道，相對于工字鋼軌，優(yōu)勢在于不需要額外設(shè)計(jì)導(dǎo)向輪，只要設(shè)計(jì)一種與其U型內(nèi)嵌式軌道相匹配的摩擦輪便可解決導(dǎo)向問題，且避免了摩擦輪精度下降過快和摩擦阻力導(dǎo)致的運(yùn)動不平穩(wěn)等問題。該種導(dǎo)軌采用高強(qiáng)度鋁合金材料，表面進(jìn)行過防潮耐腐蝕處理，比較適合在惡劣環(huán)境下工作。它的形狀如圖1所示。

圖1 內(nèi)嵌式U型軌

2.2 齒輪齒條傳動

該種方法主要靠預(yù)先在機(jī)架上設(shè)置好的齒條和與減速電機(jī)直接相連的驅(qū)動齒輪相互配合完成運(yùn)動，傳動比固定，傳動機(jī)構(gòu)可靠。相對于摩擦式傳動，齒輪齒條式傳動的穩(wěn)定性更好。齒輪齒條傳動的缺點(diǎn)：與齒輪嚙合的齒條作為小車運(yùn)動的直接軌道，其長度應(yīng)與皮帶線軌道等長；皮帶線周邊環(huán)境較為惡劣的特點(diǎn)，齒條容易受到風(fēng)沙侵蝕；只要一段齒條上的單個(gè)齒出現(xiàn)問題，便要替換整個(gè)齒條[5]。因此，齒輪齒條傳動雖然有一定的可靠性和穩(wěn)定性，但造價(jià)較高、齒條損耗快且維護(hù)煩瑣。

各傳動方案優(yōu)缺點(diǎn)對比，如表1所示。

表1 傳動方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 巡檢小車傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳動齒輪設(shè)計(jì)與電機(jī)的選用

經(jīng)過方案對比，巡檢小車的運(yùn)動軌道采用內(nèi)嵌式U型軌，傳動方式選擇摩擦式傳動。巡檢小車的主要驅(qū)動機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、電機(jī)基座、聯(lián)軸器、傳動齒輪以及摩擦輪組成。行星減速電機(jī)依靠自帶L型法蘭固定在外殼側(cè)面的伸出板上。主動齒輪軸遠(yuǎn)離伸出板一側(cè)的軸承固定在封閉端蓋上，另一側(cè)的軸承安置在開口端蓋上。伸出軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸相連，摩擦輪與從動齒輪軸之間采用螺紋螺孔旋緊連接。主動齒輪與從動齒輪的軸承端蓋均采用螺紋螺孔固定在外殼上，如圖2所示。

圖2 巡檢小車外部結(jié)構(gòu)

考慮到巡檢小車工作的穩(wěn)定性和可靠性，其速度不宜過快。參考一般巡檢機(jī)械的移動速度，將小車移動速度設(shè)計(jì)為v=0.3m·s-1。將移動速度作為小車電機(jī)的選用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行如下計(jì)算。

巡檢小車在t=10 s內(nèi)按設(shè)計(jì)速度v=0.3 m·s-1的位移量s為：

摩擦輪和從動齒輪軸采用螺紋螺孔連接，因此摩擦輪與從動齒輪軸在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動圈數(shù)r應(yīng)相同。又因摩擦輪外徑D=27 mm，那么在t=10 s內(nèi)軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)r為：

由式（1）和式（2），得r=35。

那么，從動齒輪軸在設(shè)計(jì)速度v下的額定轉(zhuǎn)速n為：

計(jì)算可得n=210 r·min-1。

巡檢小車的主動及從動齒輪均選用直齒圓柱齒輪，材料為45鋼。主動齒輪與從動齒輪的詳細(xì)數(shù)值如表2所示。

表2 齒輪詳細(xì)參數(shù)表

根據(jù)相互嚙合的齒輪的轉(zhuǎn)速比與齒數(shù)比呈反比的關(guān)系有：

式中：z1、z2分別為大齒輪齒數(shù)和小齒輪齒數(shù)；n1、n2分別為大齒輪轉(zhuǎn)速和小齒輪轉(zhuǎn)速。

利用主動齒輪軸轉(zhuǎn)速反推電機(jī)主動軸轉(zhuǎn)速nm為：

帶入數(shù)值，計(jì)算得出nm≈117 r·min-1

根據(jù)計(jì)算出的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，選用12 V微型直流減速電機(jī)，型號XD-37GB555。該種電機(jī)具有體積小、可調(diào)速、低轉(zhuǎn)速和大扭矩等特點(diǎn)，并且可以通過電機(jī)控制器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)詳細(xì)參數(shù)表

3.2 其他部件選型與設(shè)計(jì)

3.2.1 軸承

小齒輪采用型號為MR106Z高速微型軸承，內(nèi)徑為 6 mm，外徑為10 mm，厚度為3 mm，一共4個(gè)。大齒輪采用型號為MR128Z高速微型軸承，內(nèi)徑為8 mm，外徑為12 mm，厚度為3.5 mm，一共2個(gè)。以上兩種軸承采用高碳鉻鋼材質(zhì)，具有硬度高、耐磨性好、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 摩擦輪

摩擦輪采用的是型號為608R的定滑輪，摩擦輪直徑為27 mm，厚度為6.5 mm，螺紋型號為M4，螺紋柱長度為 6 mm，一共4個(gè)。

3.2.3 齒輪軸

齒輪軸材料為合金鋼，采用平鍵與齒輪連接，一側(cè)加工出軸肩，另一側(cè)使用軸套，軸肩軸套配合限制齒輪的軸向移動。從動齒輪軸兩側(cè)加工出螺紋孔，與摩擦輪之間采用螺紋螺孔連接。主動齒輪軸長端安裝有軸套，經(jīng)過開口端蓋與聯(lián)軸器相連，短端軸承則直接固定在封閉式軸承端蓋上。

3.2.4 外殼

外殼的輸入軸面如圖3所示。外殼整體為中空長方體，壁厚為3 mm，上部設(shè)計(jì)有4個(gè)安裝菱形端蓋的菱形凸起，兩面中部設(shè)計(jì)有安裝圓形端蓋的圓形凸起。與電機(jī)相連的一面安裝圓形開口式端蓋，另一面則安裝圓形封閉式端蓋。

圖3 輸入軸面

3.2.5 端蓋

端蓋設(shè)計(jì)有菱形端蓋、圓形封閉式端蓋以及圓形開口式端蓋3種。菱形端蓋安裝在外殼上部。圓形封閉式端蓋安裝在非輸入軸面，圓形開口式端蓋安裝在輸入軸面，與外殼均采用螺栓連接。

3.2.6 聯(lián)軸器

以主動齒輪軸與電機(jī)輸出軸的尺寸為選型標(biāo)準(zhǔn)，選用聯(lián)軸器外徑為19 mm，長度為25 mm，兩邊內(nèi)孔均為8 mm。 該種彈性聯(lián)軸器的材料為鋁合金，內(nèi)孔公差為H7，固定方式采用高強(qiáng)度緊固螺絲夾緊兩軸。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種用于管狀帶式輸送線的巡檢工作小車的傳動機(jī)構(gòu)，并根據(jù)其運(yùn)動速度，結(jié)合主動齒輪和從動齒輪的一些參數(shù)，先確定了電機(jī)所需轉(zhuǎn)速，再結(jié)合管狀帶式輸送線附近環(huán)境選擇電機(jī)型號，并且分別介紹了各零部件的設(shè)計(jì)與選型。