少齒差傳動(dòng)滾筒式振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)

邵昉亮，趙 悟，王東恒，趙文軍

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著基建的迅速發(fā)展，水泥混凝土的使用量越來(lái)越大。在生產(chǎn)和使用的過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大影響。例如，在攪拌站、混凝土運(yùn)輸車、混凝土泵車的清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾和混凝土廢水。廢水中通常含有水泥、礦粉、粉煤灰、沙石和外加劑等物質(zhì)，直接排放會(huì)對(duì)周邊水土、江河湖泊以及地下水資源造成污染。為了珍惜水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)該對(duì)混凝土清洗水進(jìn)行分離處理。滾筒篩是一種篩分裝置，它能夠分離混凝土的各個(gè)組分，包括沙子、石料、水泥漿，這樣對(duì)一些物料進(jìn)行了二次利用。然而普通滾筒篩雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單，但是物料容易黏網(wǎng)，設(shè)備不能連續(xù)作業(yè)，造成篩分效率低下[1]。

滾筒振動(dòng)篩常用的激振源是振動(dòng)電機(jī)。因此，每臺(tái)振動(dòng)篩都需要兩個(gè)電機(jī)作為能量輸入，但這樣會(huì)造成機(jī)器結(jié)構(gòu)笨重且功耗增加。本研究針對(duì)傳統(tǒng)圓振動(dòng)篩的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了少齒差傳動(dòng)的滾筒式振動(dòng)篩。

1 傳統(tǒng)振動(dòng)篩的傳動(dòng)方式

1.1 圓柱齒輪減速器

外嚙合漸開(kāi)線斜齒圓柱齒輪減速器，可靠耐用，承受過(guò)載能力高，運(yùn)行平穩(wěn)，所以振動(dòng)噪音小、減速機(jī)效率高達(dá)95%，因此節(jié)能高，能量消耗低，性能優(yōu)越，但是缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，相比其他減速機(jī)空間占比很大。

1.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)

蝸桿傳動(dòng)是振動(dòng)篩較常用的傳動(dòng)形式之一，通常所使用的傳動(dòng)比在80以內(nèi)，傳動(dòng)比與蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)有關(guān)。蝸桿頭數(shù)越多，傳動(dòng)比越小。為了提高傳動(dòng)比，蝸桿頭數(shù)應(yīng)盡量取小，但是蝸桿頭數(shù)越小，導(dǎo)程角越小，當(dāng)導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角后，蝸桿機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生自鎖，效率將很低。蝸桿頭數(shù)與傳動(dòng)比在實(shí)際的應(yīng)用中都有一定適用范圍。在潤(rùn)滑方面，蝸輪蝸桿減速器相對(duì)其他減速器要求較高。如果潤(rùn)滑不良，傳動(dòng)效率將顯著下降，箱體油溫升高，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，輪齒磨損加劇。

1.3 擺線針輪減速器

傳動(dòng)比較大，但該減速器輸入轉(zhuǎn)速不能高于3 000 r／min的場(chǎng)合，否則減速器承受載荷過(guò)大。擺線針輪機(jī)構(gòu)加工制造工藝較復(fù)雜，性價(jià)比大打折扣。

因此，針對(duì)圓柱齒輪減速器體積大、蝸輪蝸桿減速器效率低、擺線針輪減速器轉(zhuǎn)速適用范圍低等缺點(diǎn)，筆者提出采用少齒差行星減速器作為振動(dòng)篩的傳動(dòng)方式。

2 振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)

滾筒振動(dòng)篩主要由電機(jī)、少齒差減速器、篩體、支架、進(jìn)料斗、出料斗等部件組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 振動(dòng)篩總體結(jié)構(gòu)圖

3 工作原理

將未固化的廢棄混凝土從進(jìn)料斗加入，物料隨滾筒一起作螺旋運(yùn)動(dòng)，即一邊轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊向前運(yùn)動(dòng)[2]。筒體軸線采用傾斜安裝，這樣物料會(huì)受到重力的分力而自動(dòng)沿著篩網(wǎng)軸線運(yùn)動(dòng)[3]。該篩網(wǎng)采用雙層同心圓結(jié)構(gòu)，內(nèi)篩網(wǎng)的篩孔大于外篩網(wǎng)，可篩分出粒徑不同的三種物料，該結(jié)構(gòu)篩分效果更好。粒徑最小的物料將會(huì)通過(guò)兩層篩網(wǎng)流向底部的料槽，粒徑最大的物料，則無(wú)法通過(guò)第一層篩網(wǎng)而隨著網(wǎng)面的振動(dòng)，沿著篩網(wǎng)的傾斜面流到篩網(wǎng)一側(cè)的料槽當(dāng)中。粒徑中等的物料則會(huì)通過(guò)第一層篩網(wǎng)而到達(dá)第二層篩網(wǎng)，并經(jīng)過(guò)它的篩分而進(jìn)入相應(yīng)的料槽當(dāng)中。篩體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伴隨著振動(dòng)，因此篩孔不易堵塞且能夠大大提高篩分質(zhì)量和效率。傳動(dòng)裝置由少齒差行星減速器組成，該減速器無(wú)太陽(yáng)輪，只有行星輪和齒圈，它具有體積小、傳動(dòng)比大的優(yōu)點(diǎn)[4]。圓振動(dòng)篩振動(dòng)源所產(chǎn)生的振動(dòng)力是一繞定軸、方向呈正規(guī)律變化的慣性力，其本質(zhì)是由偏心質(zhì)量繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所形成離心力。最主要的特點(diǎn)是它在傳遞扭矩的同時(shí)產(chǎn)生高頻振動(dòng)。因此，無(wú)需單獨(dú)配備振動(dòng)電機(jī)，大大降低了振動(dòng)篩的功耗。

4 物料的運(yùn)動(dòng)分析

滾筒是傾斜安裝隨著軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以物料的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，因此，需要簡(jiǎn)化模型。只研究物料中很小的一部分，將其看成單元體P，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 滾筒篩內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)

單元體隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其被提升至O點(diǎn)時(shí)，將會(huì)脫離篩面，開(kāi)始作拋物線運(yùn)動(dòng)[3]。隨后會(huì)到達(dá)最高點(diǎn)D處，并且最終落到B處，然后就是按照此規(guī)律進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，最后排出滾筒篩。

單元體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可將其沿著軸方向和垂直于軸的xOy方向分解。在垂直于軸的方向xOy平面內(nèi)又可以進(jìn)一步分解，即隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng)，以及拋物線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楹Y筒有一定的傾斜角度，所以單元體會(huì)沿著軸方向運(yùn)動(dòng)。除此之外，物料在滾筒內(nèi)還存在滑動(dòng)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

從實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比方面考慮，普通圓柱齒輪和行星齒輪減速器的體積將會(huì)很大，所以考慮到外形尺寸的要求，這兩個(gè)不適合。蝸輪蝸桿減速器和少齒差減速器都可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，而且體積較小，但是相比較而言前者的效率太低，少齒差在傳遞扭矩的同時(shí)還可以傳遞高頻振動(dòng)。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是由普通行星傳動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)化發(fā)展過(guò)來(lái)的，如圖3所示，它主要由內(nèi)齒圈、行星輪、輸入軸、行星架、盤型輸出軸組成[5]。內(nèi)齒輪和外齒輪的齒數(shù)差很小，一般可以小到1、2、3、4這幾種差值[6]。正是因?yàn)檫@種特性，使得它的傳動(dòng)比很大。

圖3 少齒差減速器結(jié)構(gòu)圖和示意圖

5.1 傳動(dòng)比計(jì)算

行星傳動(dòng)不同于定軸傳動(dòng)，它有一個(gè)行星輪，它的軸有一個(gè)公轉(zhuǎn)，所以不能簡(jiǎn)單地輸出齒數(shù)/輸入齒數(shù)，這是定軸傳動(dòng)的計(jì)算公式：

雖然不可以直接使用，但是可以轉(zhuǎn)化。通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使行星輪的轉(zhuǎn)速變成零，這樣就相當(dāng)于軸固定了，也就可以套公式了。所以設(shè)以行星架為參考系，這樣它的速度為零，其它構(gòu)件減去V行。公式如下：

少齒差傳動(dòng)多用于減速，該減速器傳動(dòng)比在10～100，在允許效率較低的情況下，傳動(dòng)比可以達(dá)到幾百甚至幾千。

5.2 高頻振動(dòng)原理

該減速器的輸入軸是偏心軸，偏心軸連接著行星輪，使得行星輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)也在公轉(zhuǎn)，行星輪的公轉(zhuǎn)屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)屬于低速轉(zhuǎn)動(dòng)。該少齒差減速器輸出軸設(shè)計(jì)與通常意義上的輸出軸不同，它直接和行星輪剛性連接。因此，可以同時(shí)將行星輪的兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)輸出給篩體，使得篩體低速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)在高頻振動(dòng)。

6 主要的輸出機(jī)構(gòu)

1）銷軸式。外齒輪周向上開(kāi)許多銷孔，孔的多少由齒輪的直徑大小決定，直徑越大，孔的數(shù)量越多，傳遞動(dòng)力時(shí)越平穩(wěn)，可傳遞的扭矩越大?？椎臄?shù)量按直徑的劃分如表1所示：

表1 銷孔數(shù)量與齒輪直徑關(guān)系

雖然，銷的數(shù)量越多，傳遞的動(dòng)力大，但是這也意味著齒輪的質(zhì)心越難以保證在軸心了，所以這對(duì)孔的加工以及銷的加工都提出了比較高的要求。

2）滑塊式。這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需要太多的零件。它是通過(guò)一個(gè)凹槽和一個(gè)凸塊組成的，連接性能不是非常好，結(jié)合不是很緊密。這樣導(dǎo)致它不能輸出特別高的轉(zhuǎn)速，只適合低轉(zhuǎn)速，低扭矩。又因?yàn)椴叟c凸塊之間可能有相對(duì)滑動(dòng)，因此效率比較低。

3）浮動(dòng)盤式。該機(jī)構(gòu)上有均勻分布的四個(gè)缺口，兩兩位于一條直線上，因此在傳遞動(dòng)力時(shí)不會(huì)偏心，使受力不均勻。該機(jī)構(gòu)之間傳遞是滑動(dòng)摩擦，所以速度有所限制，一般不超過(guò)1 500 r/min，否則，銷套之間產(chǎn)生極高的溫度，最終發(fā)生膠合，無(wú)法傳遞扭矩。

因此，綜合以上分析，采用銷軸式作為少齒差減速器的輸出機(jī)構(gòu)，這樣可以同時(shí)滿足高轉(zhuǎn)速和大負(fù)載的工作需求。

7 結(jié)論

綜上所述，新型少齒差行星輪傳動(dòng)的振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)振動(dòng)篩有如下優(yōu)勢(shì)：

1）體積更小、結(jié)構(gòu)輕量化。與普通圓柱齒輪減速器相比，在傳動(dòng)比相同的情況下，少齒差減速器所占空間更小，在整機(jī)中的空間布置更加方便。

2）效率高、功耗小。雖然蝸輪蝸桿減速器體積小，但是效率低，容易發(fā)熱。然而少齒差減速器齒輪是圓柱直齒輪，效率和普通圓柱齒輪一樣高。

3）傳遞扭矩的同時(shí)傳遞振動(dòng)。傳統(tǒng)振動(dòng)篩需要布置兩個(gè)電機(jī)才能滿足工作性能需求，然而通過(guò)少齒差減速器傳遞動(dòng)力后，則不需要單獨(dú)的電機(jī)作為激振源產(chǎn)生振動(dòng)。