道岔清篩機(jī)挖掘鏈用鏈輪研制

岳文斌 陳 煒 張錦權(quán) 劉勇濤 唐國(guó)強(qiáng)

(常州市瑞泰工程機(jī)械有限公司 江蘇 常州 213011)

道岔清篩機(jī)是鐵路大修作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其良好的作業(yè)性能有助于清篩作業(yè)質(zhì)量的提高。道岔清篩機(jī)在工作時(shí)由挖掘系統(tǒng)對(duì)道砟進(jìn)行清篩。挖掘系統(tǒng)主要由挖掘桿、挖掘鏈、導(dǎo)槽與鏈輪組成，鏈輪驅(qū)動(dòng)挖掘鏈沿導(dǎo)槽環(huán)形運(yùn)動(dòng)，故鏈輪與鏈條嚙合性能的好壞直接影響著清篩機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

由于惡劣的清篩作業(yè)環(huán)境，使用不等節(jié)距設(shè)計(jì)的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以降低對(duì)鏈輪鏈條的裝配精度要求，提高挖掘鏈的使用壽命。然而目前國(guó)際上并沒有相關(guān)鏈傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。為此，本文在實(shí)踐的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)資料，對(duì)不等節(jié)距鏈輪設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探討。

1 原理設(shè)計(jì)

1.1 鏈條結(jié)構(gòu)分析

道岔清篩機(jī)挖掘鏈由鏈板、耙齒、中間體和鏈銷組成，如圖1所示。該鏈條結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)場(chǎng)拆裝，采用雙節(jié)距形式，其中節(jié)距T1=73 mm，T2=89 mm。

1.2 鏈輪結(jié)構(gòu)分析

1.2.1節(jié)圓計(jì)算公式

目前國(guó)際上并沒有針對(duì)不等節(jié)距鏈輪鏈條的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，閔德仁[1]給出了雙節(jié)距鏈傳動(dòng)的節(jié)圓直徑設(shè)計(jì)公式，本文在此基礎(chǔ)上，考慮節(jié)距補(bǔ)償系數(shù)，設(shè)計(jì)了一種鏈輪與鏈條對(duì)應(yīng)節(jié)距不相等的鏈傳動(dòng)，鏈輪鏈條嚙合圖如圖2所示，對(duì)鏈輪節(jié)圓公式進(jìn)行推導(dǎo)。

1—鏈板；2—耙齒；3—中間體；4—鏈銷。圖1 道岔清篩機(jī)挖掘鏈

圖2 鏈輪鏈條嚙合圖

已知圖中t1與t2為鏈輪節(jié)距，AB⊥AO，BC⊥AD，e為節(jié)距補(bǔ)償系數(shù)，其中t1≠T1、t2≠T2。

已知A為鏈輪節(jié)距中點(diǎn)，D0為節(jié)圓直徑，由圖可得：

(1)

由于sinα未知，現(xiàn)將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化

(2)

故

將該式代入式(2)，結(jié)合式(1)可得

(3)

1.2.2鏈輪節(jié)距修正

本文中取Z=6,t1=T1+e=73+e,t2=T2-e=89-e。

最終得到

(4)

根據(jù)公式(4)，可以得到節(jié)距補(bǔ)償間隙e與基圓D0的函數(shù)關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 節(jié)距補(bǔ)償間隙e與基圓D0的函數(shù)關(guān)系圖

可以看出節(jié)距補(bǔ)償間隙的選取對(duì)節(jié)圓大小并無顯著影響。但考慮到清篩作業(yè)惡劣的作業(yè)環(huán)境，以及挖掘鏈在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)因拉長(zhǎng)變形導(dǎo)致脫鏈，選取恰當(dāng)?shù)膃值，可以降低鏈輪鏈條對(duì)裝配精度的要求，保證清篩作業(yè)正常進(jìn)行。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文取e=3 mm，此時(shí)計(jì)算得出D0=313 mm。

1.3 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

由于該鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為非標(biāo)設(shè)計(jì)，故在完成鏈輪齒形設(shè)計(jì)后需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以判斷其嚙合特性[2-3]。鏈輪鏈條仿真模型如圖4所示，其中一只鏈輪設(shè)置為主動(dòng)鏈輪，另一只設(shè)置為從動(dòng)鏈輪。整體仿真時(shí)間設(shè)計(jì)為2 s，各時(shí)間段主動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

圖4 鏈輪鏈條運(yùn)動(dòng)仿真截圖

仿真完成后，得到鏈輪鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中各零部件的運(yùn)動(dòng)曲線。某節(jié)鏈條在仿真過程中的速度曲線如圖5所示，從圖中可以看出，該鏈節(jié)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期經(jīng)歷了加速、勻速與減速階段，與實(shí)際情況吻合，驗(yàn)證了鏈輪設(shè)計(jì)的合理性。

圖5 某鏈節(jié)在運(yùn)動(dòng)方向的速度曲線

2 樣機(jī)研制

清篩機(jī)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，長(zhǎng)期保持與道砟接觸，摩擦磨損嚴(yán)重，加之受到道砟板結(jié)、枕底異物帶來的沖擊，挖掘鏈輪具有一定的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，影響施工安全。因此，鏈輪在制造時(shí)，選材應(yīng)綜合考慮硬度、強(qiáng)度，并具有良好的塑性與韌性。

2.1 鏈輪受力仿真

根據(jù)已知整機(jī)工況參數(shù)，在清篩機(jī)工作時(shí)，挖掘鏈?zhǔn)艿降淖畲罄?2 kN。

對(duì)鏈輪內(nèi)圈固定并在齒部施加最大拉力后，經(jīng)仿真計(jì)算得到鏈輪應(yīng)力云圖，如圖6所示。可以看出鏈輪所受最大應(yīng)力為135 MPa。

2.2 鏈輪研制

由前文分析可知，鏈輪的選材具有較高的綜合性能要求，在提高耐磨性的同時(shí)需保證其具有良好的塑性及韌性，避免沖擊斷裂。

本文鏈輪選用合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行制造，鏈輪整體屈服強(qiáng)度大于880 MPa，并在齒形加工完成后對(duì)齒面進(jìn)行表面硬化與噴丸強(qiáng)化以提高其耐磨性。鏈輪實(shí)物如圖7所示。

圖6 鏈輪應(yīng)力云圖 圖7 鏈輪實(shí)物圖

3 裝車試用

目前，本文研制的鏈輪已于2019年8月裝車(見圖8)，現(xiàn)已完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)證明該鏈輪作業(yè)性能穩(wěn)定，與挖掘鏈配合良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 鏈輪現(xiàn)場(chǎng)試用圖

圖9 鏈輪使用情況圖

4 結(jié)論

本文以某型號(hào)道岔清篩機(jī)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，研究設(shè)計(jì)了一種不等節(jié)距鏈傳動(dòng)鏈輪，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)裝車試用，其可與挖掘鏈正確嚙合，裝配于整機(jī)實(shí)現(xiàn)挖掘道砟的功能，裝車試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

該鏈輪的成功應(yīng)用，解決了一種非標(biāo)鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)難題，提高了道岔清篩機(jī)配件的國(guó)產(chǎn)化率，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。