基于封閉差動(dòng)行星齒輪的內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒的設(shè)計(jì)

胡 慧，劉 成

（1.合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院（原安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院），安徽 合肥 230011； 2.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011）

0 引言

傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)的主要部件之一， 承擔(dān)傳遞動(dòng)力的工作， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行起著非常重要的作用。 按照結(jié)構(gòu)的不同， 傳動(dòng)滾筒可分為外置式傳動(dòng)滾筒與內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒兩類。 外置式傳動(dòng)滾筒是將電動(dòng)機(jī)和減速裝置均置于滾筒外側(cè)，由電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，傳遞給減速裝置，再傳遞給滾筒。由于將電動(dòng)機(jī)和減速器置于滾筒外側(cè)，使得帶式輸送機(jī)的機(jī)頭變得笨拙，不容易移動(dòng)，直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒是將電動(dòng)機(jī)置于傳動(dòng)滾筒外， 減速裝置置于傳動(dòng)滾筒內(nèi)。內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒由于具有承載能力大、傳動(dòng)比大、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、占用面積小等優(yōu)點(diǎn)，成為各類帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的最佳選擇。 封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由差動(dòng)齒輪和行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行封閉式連接，具有功率分流、承載能力大、傳遞功率更大、輸出扭矩更大等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。 筆者以某皮帶運(yùn)輸機(jī)（機(jī)長L 為125 m，帶寬B 為1 000 mm，帶速v 為1.25 m／s，輸送高度h 為5 m，輸送量Q 為500 t／h）的傳動(dòng)滾筒為例， 設(shè)計(jì)了一種基于封閉差動(dòng)行星齒輪的內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒。

1 新型內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

1.1.1 傳動(dòng)滾筒軸功率的計(jì)算

傳動(dòng)滾筒軸功率的計(jì)算公式如式（1）所示［3］。

式中：C 為輸送帶、軸承等處的阻力系數(shù)，查文獻(xiàn)［3］中表6－7，可知C＝1.65；f 為托輥?zhàn)枇ο禂?shù)，取值范圍為0.025～0.030， 這里取0.028；L 為輸送機(jī)長，m；Gm為旋轉(zhuǎn)零部件的質(zhì)量，kg／m，查文獻(xiàn)［3］中表6－8， 可知Gm＝56 kg／m；H 為物料垂直提升高度，m；Q 為輸送量，t／h；v 為帶速，m／s。

將已知數(shù)據(jù)代入公式（1），得：

1.1.2 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算

輸送機(jī)功率的計(jì)算式為式（2）。

式中：PM為電動(dòng)機(jī)功率，kW；PA為輸送機(jī)所需要的軸功率，kW；K 為安全系數(shù)， 根據(jù)皮帶傳動(dòng)的平穩(wěn)性，一般要求取值在1.1～1.4 之間，這里取1.2；η 為總機(jī)械效率，等于傳動(dòng)滾筒的機(jī)械效率η1、滾筒表面效率η2和錐齒輪減速裝置效率η3的乘積，即η＝η1×η2×η3。

本設(shè)計(jì)采用光面滾筒，傳動(dòng)滾筒的機(jī)械效率η1取0.92，滾筒的表面效率η2取0.95，錐齒輪減速裝置效率η3取0.97。 經(jīng)計(jì)算，PM＝25.79 kW。

1.1.3 電動(dòng)機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)中需要的電動(dòng)機(jī)功率為25.79 kW，參考相關(guān)文獻(xiàn)，選擇Y200L－4 型電動(dòng)機(jī)，其具體參數(shù)如表1 所示［4］。

1.2 傳動(dòng)方案的確定

本設(shè)計(jì)選擇內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒。 傳動(dòng)滾筒常見的傳動(dòng)方式有定軸齒輪傳動(dòng)、 擺線針輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)3 種，其對(duì)比情況如表2 所示。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)表Tab.1 Motor parameters

表2 傳動(dòng)方式對(duì)比Tab.2 Comparison of driving modes

經(jīng)綜合分析，本設(shè)計(jì)采用行星齒輪傳動(dòng)方式。該傳動(dòng)滾筒是一種將電動(dòng)機(jī)置于傳動(dòng)滾筒外， 封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于傳動(dòng)滾筒內(nèi)的新型內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒［4］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.1 New built-in driving drum structure

2 傳動(dòng)滾筒主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 滾筒體的設(shè)計(jì)

2.1.1 滾筒體直徑的確定

滾筒體的直徑大小與運(yùn)輸帶種類有關(guān)。 傳動(dòng)滾筒的運(yùn)輸帶種類很多， 本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)滾筒的運(yùn)輸帶是鋼絲繩芯，滾筒體直徑D（不包括橡膠或者其他材料制造的保護(hù)層）應(yīng)大于等于150 d。 其中，d 為運(yùn)輸帶鋼絲繩芯的直徑， 取d＝3 mm，D 應(yīng)大于等于450 mm。

輸送帶的工作壓力一般為允許最大拉力的60%～100%。 根據(jù)傳動(dòng)滾筒的外形尺寸的選取規(guī)則，由文獻(xiàn)［5］可知，在輸送帶寬度B＝1 000 mm時(shí)，選擇滾筒體直徑D＝800 mm，傳動(dòng)滾筒長度L＝1 150 mm。

2.1.2 滾筒體厚度的確定

傳動(dòng)滾筒的破壞主要是磨損破壞， 因此傳動(dòng)滾筒多采用薄型滾筒體，必要時(shí)，滾筒體表面可加各種覆蓋層，以減少直接磨損，從而提高滾筒體的使用壽命。 薄型滾筒體的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式（3）所示［5］。

整理后得

式中：P 為功率，kW；v 為帶速，m／s；l 為滾筒長度，mm；D 為滾筒直徑，mm；R 為滾筒半徑，mm；W為抗彎截面模量，mm3；t 為滾筒體厚度，mm。

經(jīng)計(jì)算，t＝5.41 mm。 本文取t＝10 mm。

2.2 總傳動(dòng)比的計(jì)算

總傳動(dòng)比可按式（4）計(jì)算。

式中：D 為滾筒體直徑，m；n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r／min；v 為滾筒轉(zhuǎn)速，m／s。

已知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n＝1 470 r／min，滾筒轉(zhuǎn)速v＝1.25 m／s。 經(jīng)計(jì)算，i總＝51.29。

在此次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了機(jī)構(gòu)的合理性，選取了錐齒輪傳動(dòng)與行星齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)，故要將這總傳動(dòng)比分配給兩個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。所以，i總＝i錐·i行。 令i錐＝3，i行＝i總／i錐＝17.10。

2.3 封閉差動(dòng)行星輪系傳動(dòng)比分配

多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比的分配原則是，各級(jí)傳動(dòng)強(qiáng)度相等，并盡量使外廓尺寸較小。在封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)中，用角標(biāo)Ⅰ表示高速級(jí)參數(shù)，Ⅱ表示低速級(jí)參數(shù)［6］。

封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比分配可參考文獻(xiàn)［6］中的圖17.2－4。 查文獻(xiàn)［6］可得，低速級(jí)傳動(dòng)比

2.4 各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)已知參數(shù)， 計(jì)算封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)齒輪的尺寸參數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 各齒輪相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant parameters of each gear

3 滾筒三維建模

3.1 高速級(jí)

封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高速級(jí)包括太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪、行星架以及各軸、軸承、鍵等零件。 太陽輪和四周均布的行星輪的傳動(dòng)方式為外嚙合。太陽輪齒數(shù)為31，模數(shù)為3，中間為鍵槽孔，孔徑為60 mm，通過鍵與軸相連。 高速級(jí)行星輪數(shù)量為3個(gè)。 行星輪齒數(shù)為41，模數(shù)為3，采用帶有鍵槽孔的結(jié)構(gòu)，齒寬適當(dāng)加大，以保證該行星齒輪能夠同時(shí)與太陽輪和內(nèi)齒輪實(shí)現(xiàn)良好嚙合。內(nèi)齒輪與行星架上的行星輪的傳動(dòng)方式為內(nèi)嚙合，齒數(shù)為113，模數(shù)為3。內(nèi)齒輪采用四周均布若干凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到與滾筒體內(nèi)壁凹槽相配合的目的，實(shí)現(xiàn)與滾筒體的同步旋轉(zhuǎn)。由于高速級(jí)傳動(dòng)比大于4， 所以采用雙側(cè)板整體式行星架。 太陽輪軸的最小直徑為60，考慮到軸上零件的裝卸問題，故采用階梯軸。 軸的左右兩端各設(shè)計(jì)有鍵槽，左側(cè)鍵槽用于連接聯(lián)軸器，右側(cè)鍵槽用于連接齒輪。

采用三維繪圖軟件SolidWorks 繪制各零件圖，如圖2～圖6 所示。

3.2 低速級(jí)

封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的低速級(jí)包括太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪、行星架以及各軸、軸承、鍵等零件。 太陽輪和四周均布的行星輪的傳動(dòng)方式為外嚙合，太陽輪齒數(shù)為31，模數(shù)為4，中間為鍵槽孔，孔徑為75 mm，通過鍵與軸相連。 低速級(jí)行星輪數(shù)量為3個(gè)，齒數(shù)為42，模數(shù)為4。 同高速級(jí)一樣，低速級(jí)行星輪也采用帶有鍵槽孔的結(jié)構(gòu)，齒寬適當(dāng)加大。 內(nèi)齒輪與行星架上行星輪的傳動(dòng)方式為內(nèi)嚙合，內(nèi)齒輪齒數(shù)為115，模數(shù)為4。 同高速級(jí)一樣，低速級(jí)內(nèi)齒輪也采用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與滾筒體的同步旋轉(zhuǎn)。 由于低速級(jí)傳動(dòng)比＞4，所以采用雙側(cè)板整體式行星架。 太陽輪軸的最小直徑為75，考慮到軸上零件的裝卸問題，采用階梯軸，左側(cè)半鍵槽用于連接聯(lián)軸器。 考慮低速級(jí)太陽輪軸傳遞扭矩較大，右側(cè)采用雙鍵槽180°布置，用于連接齒輪。

圖2 高速級(jí)太陽輪Fig.2 High-speed sun gear

圖3 高速級(jí)行星輪Fig.3 High-speed planetary gear

圖4 高速級(jí)內(nèi)齒輪Fig.4 High-speed internal gear

圖5 高速級(jí)行星架Fig.5 High-speed planetary carrier

圖6 高速級(jí)太陽輪軸Fig.6 High-speed sun-gear axis

采用三維繪圖軟件SolidWorks 繪制各零件圖，如圖7～圖11 所示。

3.3 其他零件

本設(shè)計(jì)還包括連接電動(dòng)機(jī)和封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他零件，包括小錐齒輪、大錐齒輪、聯(lián)軸器和滾筒體等。 采用三維繪圖軟件SolidWorks繪制得到。

圖7 低速級(jí)太陽輪Fig.7 Low-speed sun gear

圖8 低速級(jí)行星輪Fig.8 Low-speed planetary gear

圖9 低速級(jí)內(nèi)齒輪Fig.9 Low-speed internal gear

圖10 低速級(jí)行星架Fig.10 Low-speed planetary carrier

圖11 低速級(jí)太陽輪軸Fig.11 Low-speed sun-gear axis

3.4 三維裝配圖

該新型內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒的具體構(gòu)件包括電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、一對(duì)圓錐齒輪、輸入端支座、輸入端端蓋、滾筒體、封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出端支座、輸出端端蓋等。 考慮到空間大小的限制，電動(dòng)機(jī)垂直于傳動(dòng)滾筒軸放置在滾筒體外部， 通過錐齒輪嚙合與傳動(dòng)滾筒體相連。 這樣可以有效地減小傳動(dòng)滾筒的軸向尺寸。 封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于滾筒體內(nèi)部，并且高、低速級(jí)內(nèi)齒輪外圓面設(shè)計(jì)的凸臺(tái)與滾筒體內(nèi)表面的凹槽配合， 實(shí)現(xiàn)了兩者的同步旋轉(zhuǎn)［7］。 三維裝配圖如圖12 所示。

圖12 三維裝配圖Fig.12 3D assembly drawing

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)置于滾筒外，封閉差動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)置于滾筒內(nèi)的新型內(nèi)置式傳動(dòng)滾筒裝置。 該設(shè)計(jì)將電機(jī)置于滾筒外，使電機(jī)故障率下降，裝拆維修方便，散熱條件也好。 同時(shí)，利用封閉差動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 具有傳遞效率高、輸出扭矩大、結(jié)構(gòu)緊湊和軸向尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。通過三維繪圖軟件SolidWorks 進(jìn)行模型創(chuàng)建，得到傳動(dòng)滾筒的三維模型。