吳 鎮(zhèn)
(陜西能源職業(yè)技術學院人事處,陜西 咸陽 712000)
魔芋精粉機是采用干法加工工藝實現工業(yè)化、成批量生產魔芋精粉的主要設備。魔芋精粉機對魔芋顆粒多次重復研磨成粉末狀,使研磨后的各項參數滿足精粉級別,是一種高效實用的魔芋精粉加工設備,在實際生產中由多臺魔芋精粉機組成。魔芋精粉機中傳動系統(tǒng)是保證設備動力傳遞和生產加工的前提,其性能直接影響魔芋精粉的加工質量和生產效率。
魔芋精粉機傳動系統(tǒng)的作用是將電動機輸出的動力傳遞到執(zhí)行機構,以滿足設備正常運轉和動力傳遞。魔芋精粉機傳動系統(tǒng)由四級傳動所組成,分別為電動機與快輥之間傳動為第一級傳動,快輥與慢輥之間傳動為第二級傳動,慢輥與喂料前輥之間傳動為第三級傳動,以及喂料前輥與喂料后輥之間傳動為第四級傳動。對于魔芋精粉機傳動系統(tǒng)中各級傳動,設計出以下傳動方案。
魔芋精粉機第一級傳動為電動機到快輥間傳動,目的是將電動機的動力傳遞到快輥上,以驅動快輥,第一級傳動方案設計如下:
(1)齒輪傳動方案:第一級傳動若采用齒輪系傳動,由于電動機與快輥的間距大,導致傳動結構復雜,需要的齒輪較多,并且容易出現輪齒間的側隙變大,并且存在噪聲大、傳動可靠性降低等缺點,故不采用齒輪系傳動。
(2)鏈傳動方案:第一級若采用鏈傳動方式,與齒輪傳動方式相比,其結構較為簡單,而且中心距可以進行調節(jié)。但是鏈傳動具有多邊形效應,會導致運轉時瞬時速度不穩(wěn)定,以及鏈傳動工作時噪聲大,存在很大的沖擊、振動,故鏈傳動不合適。
(3)帶傳動方案:帶傳動具有中心距變化范圍大,傳動平穩(wěn)且噪音小,能緩沖吸振,結構簡單成本低的優(yōu)點。帶傳動中有平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動、圓形帶傳動四種類型。平帶傳動時容易出現斷帶,而V帶傳動具有傳動平穩(wěn)、緩沖吸振的優(yōu)點。與平帶傳動相比,由于V帶傳動時摩擦力較大,所傳遞的功率較大,結構緊湊,故傳動更平穩(wěn)。綜上所述,傳動系統(tǒng)中第一級傳動采用V帶傳動。
第一級傳動中V帶的選型計算:
V帶傳動計算功率為:
式中:Pca為計算功率,kW;KA為工作系數,取1.5;Pd為所需傳遞的額定功率,kW。
根據計算功率及快輥的轉速,選取B型的普通V帶。
根據參考文獻[1],可確定小帶輪的基準直徑為125mm,則大帶輪的基準直徑為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機轉速,由參考文獻[1]P0=2.19 kW,根據電機轉速,傳動比和B型帶,查表ΔP0=0.46 kW,Kα=0.96,KL=1.05,則帶的根數z為:
若帶的初拉力過小,會導致帶傳動的工作能力減小,容易出現打滑。過大時,帶的壽命會降低。由于帶本身為柔性體,為了帶傳動的穩(wěn)定,帶應保持合適的預緊力。
單根V帶的預緊力F0為:
對快輥帶輪的壓軸力Fp為:
其中:Kα為V帶包角的修正系數,取0.95;Pca為計算功率,取11.25 kW;v為V帶的線速度,取9.42 m/s;z為V帶的根數,取4;q為V帶的單位長度質量,取0.17 kg/m;α1為V帶的包角,取160°。
第一級傳動中V帶主要參數為:B型V帶,4根,帶的基準長度2 870 mm,帶輪的基準直徑分別為125 mm和400 mm,單根V帶張緊力約為259N,對快輥帶輪的壓軸力約為2 040 N。
魔芋精粉機第二級傳動為快、慢輥間傳動,目的是驅動兩磨輥以一定的速度轉動,保證將動力傳遞到磨輥上,完成魔芋顆粒的研磨。則第二級傳動方案設計如下:
(1)鏈傳動方案:第二級傳動若采用鏈傳動形式,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;小鏈輪裝在快輥上,放置于鏈條的內側,用鏈條連接小鏈輪、張緊輪,實現兩磨輥的轉向相反。由于鏈傳動的任意瞬時速度不相等,運轉時產生較大的沖擊,而且具有多邊形效應,瞬時傳動存在不穩(wěn)定的缺點,故第二級傳動不采用鏈傳動。
圖1 鏈傳動方案
(2)齒輪傳動方案:第二級傳動若采用齒輪傳動形式,如圖2所示。由于鏈傳動的瞬時傳動比不穩(wěn)定,可使用齒輪傳動代替鏈傳動。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。雖然齒輪的傳動比穩(wěn)定,可使兩磨輥有轉速差,但是存在齒面沖擊,輪齒嚙合時噪音大,輪齒磨損失效的缺點。故第二級傳動不采用齒輪傳動。
圖2 齒輪傳動方案
(3)同步齒楔帶傳動方案:由于以上傳動方式存在噪音大、傳動比不穩(wěn)定等缺點,可采用同步楔形帶傳動方式,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向,驅動磨輥轉向相反,可實現魔芋顆粒研磨。同步齒楔帶具有同步帶和楔形帶的優(yōu)點,具有速比準確、傳動帶的軸向固定、可調節(jié)中心距的優(yōu)點。磨輥合軋時,快輥通過研磨區(qū)域的魔芋顆粒帶動慢輥旋轉,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速;磨輥離軋時,快輥通過同步齒楔帶帶動慢輥旋轉,實現動力的傳遞。
圖3 同步齒楔帶傳動方案
綜上所述,傳動系統(tǒng)中第二級傳動采用同步齒楔帶傳動。
第二級傳動中齒楔帶的選型計算:
同步齒楔帶的傳遞功率為:
式中:P0為計算功率,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為由文獻查表分別取1.5和0.1。根據小帶輪轉速450 r/min,選取帶的型號為M型。同步齒楔帶作用于快、慢輥的周向力分別為:
則再結合公式(3)推出同步齒楔帶產生的徑向壓軸力為:
其中:KA為同步齒楔帶的工況系數,取0.77;KF為同步齒楔帶的修正系數,快輥、慢輥分別為0.98、0.92。經計算,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。選擇帶的型號為1120M6。
魔芋精粉機第三級傳動為慢輥與喂料輥間傳動,將動力從慢輥傳遞到前喂料輥,采用單根V帶傳動方式。由于帶存在彈性滑動,在第三級傳動中設置一個張緊輪,可延長V帶的使用壽命,其傳動形式見圖4。
圖4 慢輥與喂料輥間傳動
根據第一級傳動中V帶的選型計算,同理,則第三級傳動中V帶主要參數為:Z型V帶1根,帶的基準長度1 420 mm,小帶輪基準直徑為110 mm,大帶輪基準直徑為240 mm。
魔芋精粉機第四級傳動為喂料輥間傳動,作用是驅動前、后喂料輥正常運轉,將動力從前喂料輥傳遞到后喂料輥,采用同步帶傳動方式,其傳動形式見圖5。
圖5 喂料輥間傳動
圖6為魔芋精粉機傳動系統(tǒng)三維結構圖,魔芋精粉機傳動系統(tǒng)左右對稱布置,左右組成結構一樣,由第一級傳動到第四級傳動組成,驅動著兩對磨輥完成研磨工作,圖7為魔芋精粉機傳動系統(tǒng)簡圖。
圖6 魔芋精粉機傳動系統(tǒng)結構圖
圖7 魔芋精粉機傳動系統(tǒng)簡圖
空載時,快輥、慢輥間無魔芋顆粒,兩磨輥的表面不直接接觸。此時傳動系統(tǒng)的功率傳遞過程為:電機的動力到電機帶輪,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機構,再到慢輥,最后傳到同步帶傳動喂料機構[4]。圖8為傳動系統(tǒng)的功率傳遞路線,圖9為空載時傳動系統(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為同步齒楔帶傳動機構消耗的功率,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帶傳動效率、同步齒楔帶傳動效率、軸承傳動效率,其分別為0.96、0.96、0.98。
空載時,功率平衡方程為:
快輥、慢輥力矩平衡方程為:
由于輥間傳動定速機構力矩關系為:
式中:i為快輥、慢輥的轉速比。則快輥的輸入力矩為:
(1)空載時,快輥等同于傳動系統(tǒng)的傳動構件。
(2)空載時,快輥的輸入力矩與磨輥軸承的摩擦力矩有關,由于軸承的摩擦系數很小,軸承主要受磨輥、帶輪的重力的作用,產生的摩擦力矩很小[5]。電動機的輸出功率用于整個傳動系統(tǒng)的摩擦消耗,消耗的功率用于V帶傳動、磨輥軸承和同步齒楔帶傳動機構。
負載時,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。
負載時傳動系統(tǒng)的功率傳遞過程為:電機將功率傳遞到快輥上,此時快輥與通過物料間的摩擦力使慢輥轉速增加趨于快輥轉速;由于同步齒楔帶定速機構的存在,約束了慢輥加速的趨勢,使得快、慢輥間保持一定的轉速比[6]。快輥通過輥間定速機構帶動慢輥,慢輥帶輪將部分功率回傳到快輥帶輪上,此時形成力和功率封閉循環(huán)回路,即快輥—慢輥—同步齒楔帶傳動機構—快輥。圖10為傳動系統(tǒng)功率傳遞路線,圖11為負載時傳動系統(tǒng)功率傳遞過程。
圖10 負載下功率傳遞分析圖
圖11 負載下傳動系統(tǒng)的功率傳遞路線
其中:Mk為快輥研磨時受到的阻力矩,N·m;Mm為慢輥研磨時受到的阻力矩,N·m;Pf為磨輥研磨時消耗的功率,kW。
負載時,功率平衡方程為:
根據能量守恒定律,此時電動機的輸出功率為:
快輥、慢輥的力矩平衡方程為:
其中定速機構存在關系:Mkm=iMmk。
在實際中軸承、帶傳動的消耗功率和傳遞的扭矩很小,為了簡化常常可以忽略,由于各部件的傳動效率不同,各部分的實際損耗有以下關系:
則快輥輸入力矩為:
實際的傳動效率不能達到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生的力矩。魔芋精粉機傳動系統(tǒng)在負載下,電動機將動力傳遞到快輥,此時輸入的功率由磨輥研磨魔芋顆粒所消耗。
以魔芋精粉機傳動系統(tǒng)為研究對象,經分析計算有以下結論:
(1)魔芋精粉機傳動系統(tǒng)由第一級到第四級傳動組成,第一級傳動采用V帶傳動方式,第二級傳動采用同步齒楔帶傳動方式,第三級傳動采用單根V帶傳動方式,第四級采用同步帶傳動方式。
(2)魔芋精粉機傳動系統(tǒng)在空載下,快輥等同于傳動系統(tǒng)的傳動構件。
(3)魔芋精粉機傳動系統(tǒng)在負載下,電動機將動力傳遞到快輥,輸入的功率主要因磨輥研磨魔芋顆粒所消耗。