刮板輸送機(jī)鏈輪的逆向設(shè)計(jì)及建模

范鵬程，魏抗抗，王 龍，盧其文，程龍超

(上海中聯(lián)重科樁工機(jī)械有限公司，上海 201612)

0 引言

第一運(yùn)輸機(jī)(簡稱一運(yùn))是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的重要系統(tǒng)組件之一，其功能是不斷地把物料從鏟板部運(yùn)輸?shù)降诙\(yùn)輸機(jī)，因此其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接決定了掘進(jìn)機(jī)的工作效率。而鏈輪鏈條則是一運(yùn)的核心零件，一運(yùn)的運(yùn)輸功能是通過鏈輪鏈條的不斷嚙合得以實(shí)現(xiàn)，因此鏈輪鏈條的設(shè)計(jì)水平間接決定了掘進(jìn)機(jī)的工作效率[1]。

鏈輪以往是在確定鏈輪的齒數(shù)、鏈條的節(jié)距及直徑后，通過理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出鏈輪的節(jié)圓直徑、外徑及鏈窩等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這種靠理論經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出來的鏈輪與實(shí)際模型之間難免會(huì)存在較大誤差，因?yàn)殒溳嗘湕l嚙合時(shí)精度要求很高，稍有偏差都可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的鏈輪出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題[2]。

本文采取逆向設(shè)計(jì)的思路，將理論經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際建模相結(jié)合對(duì)鏈輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)鏈條進(jìn)行選型，然后在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上計(jì)算出鏈環(huán)的理論半徑，總結(jié)出鏈環(huán)半徑的計(jì)算公式，繪制出鏈環(huán)模型，最后在鏈環(huán)模型基礎(chǔ)上對(duì)鏈輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 鏈環(huán)的設(shè)計(jì)及建模

1.1 鏈環(huán)理論分析

鏈環(huán)是由相等數(shù)量的立鏈條與平鏈條交替組成的封閉圓環(huán)，理論上平鏈條剛好和鏈輪的齒形進(jìn)行嚙合[3]。組成鏈環(huán)的鏈條總數(shù)n與鏈輪的齒數(shù)z存在以下關(guān)系：

n=2z.

(1)

圖1為鏈輪齒數(shù)為5時(shí)的鏈條成環(huán)示意圖。由圖1可知，當(dāng)選定鏈條并確定鏈輪齒數(shù)后，鏈環(huán)的實(shí)際分度圓半徑R也隨之確定。下面分析討論如何通過鏈條直徑d、鏈條節(jié)距p以及鏈輪齒數(shù)z計(jì)算出鏈環(huán)分度圓半徑R。

圖1 鏈輪齒數(shù)為5的鏈條成環(huán)示意圖

如圖1所示，一個(gè)平鏈條在鏈環(huán)中所對(duì)應(yīng)的分度圓夾角為2α，2α與鏈條直徑d、鏈條節(jié)距p以及鏈輪齒數(shù)z理論上存在如下關(guān)系：

α=[(d+p)/(4pz)]×360°.

(2)

則理論上鏈環(huán)的分度圓半徑r為：

r=(d+p)/(2tanα).

(3)

實(shí)際上，由于多邊形逼近圓環(huán)時(shí)存在誤差，理論上計(jì)算得出的分度圓半徑r也相應(yīng)存在誤差。經(jīng)與實(shí)際模型對(duì)比計(jì)算可知：當(dāng)齒數(shù)為5時(shí)分度圓半徑誤差僅為0.75%，且誤差隨著齒數(shù)的增大而減??；當(dāng)齒數(shù)為36時(shí)分度圓半徑誤差則為0.016%，完全可以忽略；當(dāng)齒數(shù)大于36時(shí)，則可認(rèn)為實(shí)際分度圓半徑R與理論分度圓半徑r相等。則鏈輪齒數(shù)z與誤差系數(shù)γ近似有如下線性關(guān)系：

(4)

因此，實(shí)際的分度圓半徑R為：

(5)

1.2 鏈環(huán)設(shè)計(jì)及建模

由鏈條成環(huán)計(jì)算公式及輸入的相應(yīng)變量可得到鏈條成環(huán)計(jì)算表，如表1所示。表1中有3個(gè)變量參數(shù)，分別為鏈條直徑d、鏈條節(jié)距p以及鏈輪齒數(shù)z，當(dāng)確定了這3個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值后則可通過鏈條成環(huán)計(jì)算公式得到鏈環(huán)的分度圓夾角以及分度圓半徑，使得能更快速方便地設(shè)計(jì)出鏈環(huán)。

表1 鏈條成環(huán)計(jì)算表

由表1可知，鏈條直徑為30 mm、鏈條節(jié)距為108 mm及鏈輪齒數(shù)為5時(shí)所對(duì)應(yīng)的分度圓半徑約為161.33 mm。利用Creo6.0軟件對(duì)其進(jìn)行建模可得到所設(shè)計(jì)的鏈環(huán)模型，如圖2所示。

圖2 鏈環(huán)Creo6.0模型

2 鏈輪的逆向設(shè)計(jì)及建模

2.1 鏈輪理論分析設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)出鏈環(huán)后，在鏈環(huán)的基礎(chǔ)上逆向設(shè)計(jì)鏈輪。鏈輪的設(shè)計(jì)重、難點(diǎn)在于齒形及鏈窩的設(shè)計(jì)，需要計(jì)算鏈窩、齒形等相關(guān)參數(shù)。而基于鏈環(huán)逆向設(shè)計(jì)鏈輪，則可以完全借助鏈條的運(yùn)行軌跡完成對(duì)鏈輪齒形及鏈窩的設(shè)計(jì)，不用再計(jì)算齒形、鏈窩等相關(guān)參數(shù)，達(dá)到事半功倍的效果。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置鏈輪軸的尺寸，可確定2個(gè)參數(shù)，即鏈輪內(nèi)孔直徑以及鏈輪的長度[4]，鏈輪的其他外形尺寸則可通過計(jì)算得到。選定鏈輪齒數(shù)z，則鏈輪節(jié)距角θ為：

θ=π/z.

(6)

選定鏈條的直徑d以及鏈條節(jié)距p，則鏈輪節(jié)圓直徑為：

(7)

一般情況下，考慮到鏈條鏈輪實(shí)際運(yùn)行過程中存在磨損，則需要將計(jì)算得到的鏈輪節(jié)圓直徑D0進(jìn)行圓整[5]。

鏈輪外徑Dg為：

Dg=D0+2d.

(8)

通常情況下，為增加鏈齒的承載能力，可將鏈輪外徑適當(dāng)減小。

鏈輪立環(huán)立槽直徑Df為：

(9)

其中：b與Δ為鏈條型號(hào)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，可參考機(jī)械手冊(cè)查詢。

短齒齒厚W為：

W=(2H+d)sinθ-Acosθ+d.

(10)

(11)

A=1.075p+d.

(12)

其中：H為鏈輪中心至鏈窩底平面距離；A為鏈窩中心距離。

2.2 鏈輪Creo6.0建模

鏈輪的設(shè)計(jì)建模重點(diǎn)是齒形以及鏈窩的建模。在設(shè)計(jì)好圖2的鏈環(huán)后，鏈輪的設(shè)計(jì)建模過程如下：

(1) 根據(jù)上文的理論分析公式計(jì)算得到鏈輪的節(jié)圓直徑、外徑等參數(shù)，確定鏈輪的整體輪廓。

(2) 根據(jù)鏈環(huán)確定鏈輪外齒形的輪廓設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 鏈輪外齒形的輪廓設(shè)計(jì)

(3) 根據(jù)鏈環(huán)及外齒形確定鏈輪內(nèi)齒形的輪廓設(shè)計(jì)，如圖4所示。

(4) 對(duì)鏈輪的模型進(jìn)行圓整，即完成對(duì)整個(gè)鏈輪模型的設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖4 鏈輪內(nèi)齒形的輪廓設(shè)計(jì) 圖5 鏈輪Creo6.0建模

3 結(jié)語

本文創(chuàng)造性地提出鏈條成環(huán)的計(jì)算公式，精準(zhǔn)地對(duì)鏈環(huán)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)；在鏈環(huán)的基礎(chǔ)上對(duì)鏈輪進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性地給出了鏈輪的設(shè)計(jì)流程，提高了鏈輪的設(shè)計(jì)精度。本文對(duì)鏈輪所做的研究設(shè)計(jì)，對(duì)其他鏈輪的設(shè)計(jì)及建模流程具有一定的借鑒作用。