魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及功率分析

吳 鎮(zhèn)

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院人事處，陜西 咸陽 712000）

魔芋精粉機(jī)是采用干法加工工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、成批量生產(chǎn)魔芋精粉的主要設(shè)備。魔芋精粉機(jī)對(duì)魔芋顆粒多次重復(fù)研磨成粉末狀，使研磨后的各項(xiàng)參數(shù)滿足精粉級(jí)別，是一種高效實(shí)用的魔芋精粉加工設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中由多臺(tái)魔芋精粉機(jī)組成。魔芋精粉機(jī)中傳動(dòng)系統(tǒng)是保證設(shè)備動(dòng)力傳遞和生產(chǎn)加工的前提，其性能直接影響魔芋精粉的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是將電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以滿足設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)力傳遞。魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由四級(jí)傳動(dòng)所組成，分別為電動(dòng)機(jī)與快輥之間傳動(dòng)為第一級(jí)傳動(dòng)，快輥與慢輥之間傳動(dòng)為第二級(jí)傳動(dòng)，慢輥與喂料前輥之間傳動(dòng)為第三級(jí)傳動(dòng)，以及喂料前輥與喂料后輥之間傳動(dòng)為第四級(jí)傳動(dòng)。對(duì)于魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)傳動(dòng)，設(shè)計(jì)出以下傳動(dòng)方案。

1.1 電動(dòng)機(jī)與快輥間傳動(dòng)方案

魔芋精粉機(jī)第一級(jí)傳動(dòng)為電動(dòng)機(jī)到快輥間傳動(dòng)，目的是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到快輥上，以驅(qū)動(dòng)快輥，第一級(jí)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)如下：

（1）齒輪傳動(dòng)方案：第一級(jí)傳動(dòng)若采用齒輪系傳動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)與快輥的間距大，導(dǎo)致傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的齒輪較多，并且容易出現(xiàn)輪齒間的側(cè)隙變大，并且存在噪聲大、傳動(dòng)可靠性降低等缺點(diǎn)，故不采用齒輪系傳動(dòng)。

（2）鏈傳動(dòng)方案：第一級(jí)若采用鏈傳動(dòng)方式，與齒輪傳動(dòng)方式相比，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而且中心距可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是鏈傳動(dòng)具有多邊形效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)瞬時(shí)速度不穩(wěn)定，以及鏈傳動(dòng)工作時(shí)噪聲大，存在很大的沖擊、振動(dòng)，故鏈傳動(dòng)不合適。

（3）帶傳動(dòng)方案：帶傳動(dòng)具有中心距變化范圍大，傳動(dòng)平穩(wěn)且噪音小，能緩沖吸振，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低的優(yōu)點(diǎn)。帶傳動(dòng)中有平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)、圓形帶傳動(dòng)四種類型。平帶傳動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)斷帶，而V帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振的優(yōu)點(diǎn)。與平帶傳動(dòng)相比，由于V帶傳動(dòng)時(shí)摩擦力較大，所傳遞的功率較大，結(jié)構(gòu)緊湊，故傳動(dòng)更平穩(wěn)。綜上所述，傳動(dòng)系統(tǒng)中第一級(jí)傳動(dòng)采用V帶傳動(dòng)。

第一級(jí)傳動(dòng)中V帶的選型計(jì)算：

V帶傳動(dòng)計(jì)算功率為：

式中：Pca為計(jì)算功率，kW；KA為工作系數(shù)，取1.5；Pd為所需傳遞的額定功率，kW。

根據(jù)計(jì)算功率及快輥的轉(zhuǎn)速，選取B型的普通V帶。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，可確定小帶輪的基準(zhǔn)直徑為125mm，則大帶輪的基準(zhǔn)直徑為400 mm。

V帶帶速為：

可得V帶速度為9.42 m/s，由于V帶速度范圍為5~30 m/s，故帶速合適。

由小帶輪直徑和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由參考文獻(xiàn)[1]P0=2.19 kW，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比和B型帶，查表ΔP0=0.46 kW，Kα=0.96,KL=1.05，則帶的根數(shù)z為：

若帶的初拉力過小，會(huì)導(dǎo)致帶傳動(dòng)的工作能力減小，容易出現(xiàn)打滑。過大時(shí)，帶的壽命會(huì)降低。由于帶本身為柔性體，為了帶傳動(dòng)的穩(wěn)定，帶應(yīng)保持合適的預(yù)緊力。

單根V帶的預(yù)緊力F0為：

對(duì)快輥帶輪的壓軸力Fp為：

其中：Kα為V帶包角的修正系數(shù)，取0.95；Pca為計(jì)算功率，取11.25 kW；v為V帶的線速度，取9.42 m/s；z為V帶的根數(shù)，取4；q為V帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，取0.17 kg/m；α1為V帶的包角，取160°。

第一級(jí)傳動(dòng)中V帶主要參數(shù)為：B型V帶，4根，帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度2 870 mm，帶輪的基準(zhǔn)直徑分別為125 mm和400 mm，單根V帶張緊力約為259N，對(duì)快輥帶輪的壓軸力約為2 040 N。

1.2 快、慢輥間傳動(dòng)方案

魔芋精粉機(jī)第二級(jí)傳動(dòng)為快、慢輥間傳動(dòng)，目的是驅(qū)動(dòng)兩磨輥以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，保證將動(dòng)力傳遞到磨輥上，完成魔芋顆粒的研磨。則第二級(jí)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)如下：

（1）鏈傳動(dòng)方案：第二級(jí)傳動(dòng)若采用鏈傳動(dòng)形式，如圖1所示。大鏈輪裝在慢輥上，將大鏈輪放置于鏈條的外側(cè)；小鏈輪裝在快輥上，放置于鏈條的內(nèi)側(cè)，用鏈條連接小鏈輪、張緊輪，實(shí)現(xiàn)兩磨輥的轉(zhuǎn)向相反。由于鏈傳動(dòng)的任意瞬時(shí)速度不相等，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊，而且具有多邊形效應(yīng)，瞬時(shí)傳動(dòng)存在不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，故第二級(jí)傳動(dòng)不采用鏈傳動(dòng)。

圖1 鏈傳動(dòng)方案

（2）齒輪傳動(dòng)方案：第二級(jí)傳動(dòng)若采用齒輪傳動(dòng)形式，如圖2所示。由于鏈傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比不穩(wěn)定，可使用齒輪傳動(dòng)代替鏈傳動(dòng)。將慢輥齒輪安裝在慢輥軸，快輥齒輪安裝在快輥軸，通過中間齒輪嚙合連接起快輥齒輪、慢輥齒輪。雖然齒輪的傳動(dòng)比穩(wěn)定，可使兩磨輥有轉(zhuǎn)速差，但是存在齒面沖擊，輪齒嚙合時(shí)噪音大，輪齒磨損失效的缺點(diǎn)。故第二級(jí)傳動(dòng)不采用齒輪傳動(dòng)。

圖2 齒輪傳動(dòng)方案

（3）同步齒楔帶傳動(dòng)方案：由于以上傳動(dòng)方式存在噪音大、傳動(dòng)比不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，可采用同步楔形帶傳動(dòng)方式，如圖3所示。通過快輥、慢輥帶輪與楔形帶相接觸，其中張緊輪作用為改變兩帶輪轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)磨輥轉(zhuǎn)向相反，可實(shí)現(xiàn)魔芋顆粒研磨。同步齒楔帶具有同步帶和楔形帶的優(yōu)點(diǎn)，具有速比準(zhǔn)確、傳動(dòng)帶的軸向固定、可調(diào)節(jié)中心距的優(yōu)點(diǎn)。磨輥合軋時(shí)，快輥通過研磨區(qū)域的魔芋顆粒帶動(dòng)慢輥旋轉(zhuǎn)，同步齒楔帶將快輥消耗的能量傳遞到慢輥[2]，通過同步齒楔帶降低慢輥轉(zhuǎn)速；磨輥離軋時(shí)，快輥通過同步齒楔帶帶動(dòng)慢輥旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

圖3 同步齒楔帶傳動(dòng)方案

綜上所述，傳動(dòng)系統(tǒng)中第二級(jí)傳動(dòng)采用同步齒楔帶傳動(dòng)。

第二級(jí)傳動(dòng)中齒楔帶的選型計(jì)算：

同步齒楔帶的傳遞功率為：

式中：P0為計(jì)算功率，取7.5 kW；η1、η2為軸承、同步齒楔帶傳遞效率，分別取0.98和0.96；FM、FA為由文獻(xiàn)查表分別取1.5和0.1。根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速450 r/min，選取帶的型號(hào)為M型。同步齒楔帶作用于快、慢輥的周向力分別為：

則再結(jié)合公式（3）推出同步齒楔帶產(chǎn)生的徑向壓軸力為：

其中：KA為同步齒楔帶的工況系數(shù)，取0.77；KF為同步齒楔帶的修正系數(shù)，快輥、慢輥分別為0.98、0.92。經(jīng)計(jì)算，同步齒楔帶作用于快輥、慢輥的徑向壓軸力分別為1 620 N、1 584 N。選擇帶的型號(hào)為1120M6。

1.3 慢輥與前喂料輥間傳動(dòng)方案

魔芋精粉機(jī)第三級(jí)傳動(dòng)為慢輥與喂料輥間傳動(dòng)，將動(dòng)力從慢輥傳遞到前喂料輥，采用單根V帶傳動(dòng)方式。由于帶存在彈性滑動(dòng)，在第三級(jí)傳動(dòng)中設(shè)置一個(gè)張緊輪，可延長(zhǎng)V帶的使用壽命，其傳動(dòng)形式見圖4。

圖4 慢輥與喂料輥間傳動(dòng)

根據(jù)第一級(jí)傳動(dòng)中V帶的選型計(jì)算，同理，則第三級(jí)傳動(dòng)中V帶主要參數(shù)為：Z型V帶1根，帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度1 420 mm，小帶輪基準(zhǔn)直徑為110 mm，大帶輪基準(zhǔn)直徑為240 mm。

1.4 前、后喂料輥間傳動(dòng)方案

魔芋精粉機(jī)第四級(jí)傳動(dòng)為喂料輥間傳動(dòng)，作用是驅(qū)動(dòng)前、后喂料輥正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將動(dòng)力從前喂料輥傳遞到后喂料輥，采用同步帶傳動(dòng)方式，其傳動(dòng)形式見圖5。

圖5 喂料輥間傳動(dòng)

圖6為魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖，魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)左右對(duì)稱布置，左右組成結(jié)構(gòu)一樣，由第一級(jí)傳動(dòng)到第四級(jí)傳動(dòng)組成，驅(qū)動(dòng)著兩對(duì)磨輥完成研磨工作，圖7為魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖6 魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)功率傳遞分析

2.1 空載時(shí)功率傳遞分析

空載時(shí)，快輥、慢輥間無魔芋顆粒，兩磨輥的表面不直接接觸。此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞過程為：電機(jī)的動(dòng)力到電機(jī)帶輪，通過V帶傳遞到快輥帶輪，再到快輥，到同步齒楔帶定速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再到慢輥，最后傳到同步帶傳動(dòng)喂料機(jī)構(gòu)[4]。圖8為傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞路線，圖9為空載時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞過程。

圖8 空載下功率傳遞分析圖

圖9 空載下傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞路線

圖中及下面公式中字母的含義為：

P1為電機(jī)的輸出功率，kW；Pb1、Pb2、Pb3、Pb4為快、慢輥軸承摩擦消耗的功率，kW；Pd為同步齒楔帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)消耗的功率，kW；M1為快輥輸入端的力矩，N·m；Mb1、Mb2、Mb3、Mb4為快、慢輥軸承摩擦消耗的力矩，N·m；Mkm、Mmk為快輥、慢輥受到的阻力矩，N·m；ηv、ηd、ηb為V帶傳動(dòng)效率、同步齒楔帶傳動(dòng)效率、軸承傳動(dòng)效率，其分別為0.96、0.96、0.98。

空載時(shí)，功率平衡方程為：

快輥、慢輥力矩平衡方程為：

由于輥間傳動(dòng)定速機(jī)構(gòu)力矩關(guān)系為：

式中：i為快輥、慢輥的轉(zhuǎn)速比。則快輥的輸入力矩為：

（1）空載時(shí)，快輥等同于傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)構(gòu)件。

（2）空載時(shí)，快輥的輸入力矩與磨輥軸承的摩擦力矩有關(guān)，由于軸承的摩擦系數(shù)很小，軸承主要受磨輥、帶輪的重力的作用，產(chǎn)生的摩擦力矩很小[5]。電動(dòng)機(jī)的輸出功率用于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦消耗，消耗的功率用于V帶傳動(dòng)、磨輥軸承和同步齒楔帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.2 負(fù)載時(shí)功率傳遞分析

負(fù)載時(shí)，研磨區(qū)域有大量的魔芋顆粒，魔芋顆粒與快、慢磨輥之間存在擠壓力、摩擦力、剪切力相互作用，需要克服以上作用力，可完成魔芋顆粒研磨。

負(fù)載時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞過程為：電機(jī)將功率傳遞到快輥上，此時(shí)快輥與通過物料間的摩擦力使慢輥轉(zhuǎn)速增加趨于快輥轉(zhuǎn)速；由于同步齒楔帶定速機(jī)構(gòu)的存在，約束了慢輥加速的趨勢(shì)，使得快、慢輥間保持一定的轉(zhuǎn)速比[6]。快輥通過輥間定速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)慢輥，慢輥帶輪將部分功率回傳到快輥帶輪上，此時(shí)形成力和功率封閉循環(huán)回路，即快輥—慢輥—同步齒楔帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)—快輥。圖10為傳動(dòng)系統(tǒng)功率傳遞路線，圖11為負(fù)載時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)功率傳遞過程。

圖10 負(fù)載下功率傳遞分析圖

圖11 負(fù)載下傳動(dòng)系統(tǒng)的功率傳遞路線

其中：Mk為快輥研磨時(shí)受到的阻力矩，N·m；Mm為慢輥研磨時(shí)受到的阻力矩，N·m；Pf為磨輥研磨時(shí)消耗的功率，kW。

負(fù)載時(shí)，功率平衡方程為：

根據(jù)能量守恒定律，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為：

快輥、慢輥的力矩平衡方程為：

其中定速機(jī)構(gòu)存在關(guān)系：Mkm=iMmk。

在實(shí)際中軸承、帶傳動(dòng)的消耗功率和傳遞的扭矩很小，為了簡(jiǎn)化常?？梢院雎裕捎诟鞑考膫鲃?dòng)效率不同，各部分的實(shí)際損耗有以下關(guān)系：

則快輥輸入力矩為：

實(shí)際的傳動(dòng)效率不能達(dá)到100%，在理想狀態(tài)下，快輥的輸入力矩等于磨輥與物料之間因摩擦產(chǎn)生的力矩。魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞到快輥，此時(shí)輸入的功率由磨輥研磨魔芋顆粒所消耗。

3 結(jié)語

以魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，經(jīng)分析計(jì)算有以下結(jié)論：

（1）魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由第一級(jí)到第四級(jí)傳動(dòng)組成，第一級(jí)傳動(dòng)采用V帶傳動(dòng)方式，第二級(jí)傳動(dòng)采用同步齒楔帶傳動(dòng)方式，第三級(jí)傳動(dòng)采用單根V帶傳動(dòng)方式，第四級(jí)采用同步帶傳動(dòng)方式。

（2）魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在空載下，快輥等同于傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)構(gòu)件。

（3）魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞到快輥，輸入的功率主要因磨輥研磨魔芋顆粒所消耗。