（机械制造及其自动化专业论文）一种新型行星式轮碾机的研究与开发.pdf

酣咖汁帐窜澍阡帐高黟冲滞斟忸回茹v ，瀑 l 解 塞誊 圃 狮 越 窜 士 譬黟 譬譬 l 郴 毋 班 灯离 鋈霪 确 蒜h 荨 赢 揄 鼯妻碍 懈 螺h 砸滔 潘 卜 孓 辞 蕈齐 掎 辫排 萍琳 4 毋 n ， 焉 1 争乓 萄分 吵 节叶 分黑 慊，、辩斟嗡对*魁违 旷菩 心一 姗坚 高采昧排酉采慊 蚤& 心 西3 隧 黪嘲高蜷凿嚼寓 溯 心 碴 n器黔赫露琳黔 瘟 齐昧n 孺羁哥h 嵩蓠 藕瑟 母 田 谁 五i i 球高。薛。圊寄 醇l 一 蹿 - 一 曲 豇 鼢醇岢抖靴蛛鲁 乌 蝻碍薛 斟甜 谢 ： 阱瓣滋 h ：岭 眦 渺蓠；蓥警裂 蕈莒 邻 嚣。吣 忌 葛 孓 嵛藤蓁奔銎叠 龟 卜 j 、j q 鼢j 酒酒垛芬汁 叼 1 珥| 斟馘到臻昧 一蚕 曼 、b 、q 牟 吣 戳 滞四譬礴斟 口 田 吣 潲。 僻 啦对7 蓊黟冰 鄱 荨士按婚h 采 嚣 螭 。 晋龠器盟 念 誊 n 乓 蝻潞黪汹f 姆 q肆f 斟 o 赢 j 彗 怨 n 由氏 n 垮 歌 擎 ” 茁h 晋辩 捕+ ，i 前誉 强q 幽。憾u 【 立 姆 菇器弃班 讲 国 掣落譬蒸警 甘7 淋譬 州 壁龆龄黔 口、i 窜 、p啪鬻n r 广 叭攀琏尊 凑 j洒冷冷器洫 l洫唇i 血 珏i器。 阡 痢哥箫潜 峦 爵 赫材黪胃：i 慊 。釜h 皿8l皿 高 麓 髌斟 毒一 ； 、，、ipi 摘要 l i i ii iii ii iiill 17 4 7 摘要 轮碾机是一种传统的物料粉碎和混合设备，由于它同时具有碾揉和拌合作 用，对控制产品的细度非常方便，迄今仍然是建筑材料、耐火材料、陶瓷、化 工等许多行业在原料制备工序中普遍采用的重要设备。适宜拌合粉状物如：煤 矸石、粘土、粉煤灰、耐火泥、尾矿砂、炉渣、型砂等。但是旧式轮碾机的缺 点是搅拌不够均匀，碾练时间长，生产效率低，能源消耗大。为了解决以上问 题，近年来，世界各国都致力于研究和生产各种类型高效率轮碾机。主要有行 星式、逆流式几种类型。 目前国内主要有轮碾式混合机、行星式强制混合机、湿式轮碾机、逆流混 炼机等类型的轮碾机。其特点是：行星搅拌性能优越，混合均匀。搅拌铲 的自转与公转分别由单独的电机驱动。生产效率高，在很短时间内即可达到 充分混合的效果。体积小巧、重量轻，便于使用和安装维修。存在的问题是： 没有同时具备搅拌和碾压效果。由于这类混合机没有设计碾轮( 增加碾轮必 需从结构、动力等方面重新设计，而且属另一种机型) ，所以仅仅只是纯搅拌混 合，与本成果在轮碾效果和生产率上是不可比的。或者是仅仅具备搅拌效果。 电耗大。5 0 0 升容量的逆流混炼机，总功率均在4 0 5 0 千瓦以上，是本成果中 电耗的数倍。对电机要求高，加工制造难度大，造价高。 针对以上问题，本文研究与开发了一种新型的行星式轮碾机。其主要创新 点是：1 把行星齿轮传动引入传统的轮碾机，对旧式轮碾机的搅拌系统进行重 大改革和创新。2 设计了行星齿轮传动系统，实现了行星搅拌，在单位时间内 物料翻动到碾轮下的次数增加5 倍，缩短了碾练时间，产量提高2 3 倍，电耗 降低6 0 ，大大提高了生产率，而造价仅为原机型的5 0 。 关键字：行星式轮碾机；运动形式；结构；能耗 7洲70 a b s t r a c t a b s t r a c t r o l l e r - m i l li sat r a d i t i o n a l g r i n d i n ga n dm i x i n ge q u i p m e n t , b e c a u s eo fi t s g r i n d i n ga n dm i x i n gf u n c t i o n s ，i t sv e r yc o n v e n i e n tt oc o n t r o lp r o d u c tf i n e n e s s ，w h i c h m a d ei tt ob et h em o s tc o m m o nc h o o s ef o rm a t e r i a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s se q u i p m e n t i nb u i l d i n gm a t e r i a l s ，r e f r a c t o r i e s ，c e r a m i c s ，c h e m i c a l ，a n dm a n yo t h e ri n d u s t r i e s t h i se q u i p m e n ti ss u i t a b l ef o rm i x i n gp o w d e r s ，s u c h 弱c o a l ，c l a y , f l ya s h ，r e f r a c t o r y c l a y , r a i l i n g s ，s l a g ，s a n da n dt h el i k e h o w e v e r , t h e r ea r em a n yd e f e c t so ft h eo l d r o l l e rm i l l ，l i k em i x i n gn o tu n i f o r me n o u g h , g r i n d i n gt i m ei st o ol o n g ，l o w p r o d u c t i v i t y , e n e r g yc o n s u m p t i o n t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，v a r i o u sc o u n t r i e si nt h e w o r l dd e d i c a t e dt ot h er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no fv a r i o u st y p e so fh i g h - e f f i c i e n c y r o l l i n gm i l li nr e c e n ty e a r s ，p l a n e t a r y , r e v e r s e - f l o wa r et h ec o m m o nt y p e s i no u rc o u n t r y , t h em a i nc u r r e n t l yu s e dr o l l e r - m i l l sa r em i x e r , p l a n e t a r ym i x e r m a n d a t o r y , w e tw h e e l 州i i 培m a c h i n e s ，m i x i n gm a c h i n e sa n do t h e rt y p e s ，o fw h i c h t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea sf o l l o w ：p l a n e t a r ym i x i n gs u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，m i x w e l l s t i r r i n gb l a d er o t a t i o na n dr e v o l u t i o na r ed r i v e nb ys e p a r a t em o t o r s h i g he f f i c i e n c y , c a l lm i xw e l li nav e r ys h o r tt i m e s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，i t s e a s yt ou s ea n di n s t a l l d e f e c t sa r e ：t h e r en oo n ec a na c h i e v es i m u l t a n e o u s l y m i x i n ga n dr o l l i n g a st h e s em i x e r sd i d n td e s i g n e d 、析t l lg r i n d i n gw h e e l ( t oa d dt h e g r i n d i n gw h e e li sa n o t h e rm o d e l ，m u s tr e d e s i g nf r o ms t r u c t u r ea n dp o w e re t c ) ，i t s o n l ym i x i n gm a c h i n e ，w h i l et h em a c h i n ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri sm u c hm o r eb e t t e r i ne f f e c t i v e n e s sa n dp r o d u c t i v i t y b i gp o w e rc o n s u m p t i o n 5 0 0l i t e r sc a p a c i t y c o u n t e r c u r r e n tm i x i n gm a c h i n e ，t h et o t mp o w e ra r em o r et h a n4 0t o5 0k i l o w a t t s ， w h i c hi sm a n yt i m e so ft h eo u t c o m em e n t i o n e di n t h i sp a p e r h i g hr e q u i r e m e n t s o nt h em o t o r , m a n u f a c t u r i n gi sd i f f i c u l t 觞w e l la st h ec o s t t os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e do n en e wt y p e o fp l a n e t a r yw h e e lg r i n d i n gm a c h i n e t h ei n n o v a t i o n so fi ta r e ：1 i n t r o d u c e d p l a n e t a r yg e a ri n t ot r a d i t i o n a lw h e e lg r i n d i n gm a c h i n e ，w h i c hm a d eab i gr e f o r ma n d i n n o v a t i o n0 1 1o l dm i x i n gs y s t e m 2 d e s i g n e dp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， a c h i e v e dp l a n e t a r ym i x i n g , m a d et h er a t ei n c r e a s e5t i m e st h a nb e f o r e , r e d u c e d h a b s t r a c t g r i n d i n gt i m e ，p r o d u c t i o n i n c r e a s e d2t o3t i m e sa n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o n d e c r e a s e db y6 0 ，t h ep r o d u c t i v i t yi ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，w h i l ec o s to n l y5 0 o f t h eo r i g i n a lm o d e l s k e y w o r d s ：p l a n e t a r yw h e e lg r i n d i n gm a c h i n e ；m o v e m e n tf o r m s ；s t r u c t u r e ；e n e r g y c o n s u m p t i o n i i i 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 课题来源及研究的目的和意义。l 1 2 行星式轮碾机的国内外研究现状1 1 3l n x 系列行星式轮碾混合机设备的特点5 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理6 2 1 传动系统的主要特性。6 2 1 1 传动系统的选择6 2 1 2 行星齿轮传动系统的特性9 2 1 3 行星齿轮传动系统设计方案论证1 2 2 2 整体结构的传动方案论证1 2 2 3 行星齿轮箱中的传动方案论证1 3 2 4 行星齿轮箱两边行星轮布置方案论证1 3 第三章行星式轮碾混合机碾压机构设计1 5 3 1 碾轮运动分析及设计原理1 5 3 2 工艺方案的确定：1 9 3 2 1 双凸缘辗轮1 9 第四章行星式轮碾混合机主要结构及设计原理2 3 4 1 基本原理及其结构2 3 4 2 行星搅拌机构的结构和运动分析2 4 4 2 1 行星搅拌铲的结构。2 4 4 2 2 行星搅拌铲的运动分析：2 6 4 3 行星式轮碾机各部分功率消耗的分析与计算3 0 4 3 1 碾轮部分的功率计算3 0 4 3 2 内外刮板，行星铲翻动物料所需功率3 l 第五章行星式轮碾混合机使用效果及特点3 5 5 1 行星式轮碾机特点3 5 i v 目录 5 1 1 搅拌及碾练质量好3 5 5 1 2 生产效率高3 6 5 1 3 节约能源。3 6 5 1 4 结构紧凑，巧操作方便- 3 7 5 2 使用效果及综合经济效益3 7 第六章总结与展望4 0 6 1 总结4 0 6 2 展望4 0 致谢。4 2 参考文献4 3 附录4 4 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 轮碾机是建筑材料( 尤其是硅酸盐制品行业) ，耐火材料、陶瓷、铸造、建 筑施工等行业原料处理工序上的一种重要设备。它主要利用碾盘平面与碾轮园 柱面产生的压力与剪切力，将物料碾碎，同时又具有搓揉和拌合的作用。虽然 它原理、结构十分古老。但由于操作简单很容易调整不同物料要求的粉碎比， 所以至今各行业仍沿用旧式轮碾机。据有关资料统计，江西省约有1 日式轮碾机 2 0 0 台左右，均为三十年代的机型。旧机型笨重、能耗大，生产效率很低，加工、 安装和维修都不方便，远远不能适应生产的需要。 新型建筑材料“不烧结粘土制品”( 简称“免烧砖 ) 的研制，对轮碾机提 出了更高的要求，迫切需要一种高效、节能，适应性强的新型设备来取代旧式 轮碾机。近年来，世界各国都致力于研究高效的轮碾机。 。 所谓高效的轮碾机，应满足以下三方面的要求： 1 、在碾盘直径一定时，能增加每次加料量。 2 、在保证物料混炼质量的前提下，能缩短混炼周期，提高轮碾机的生产率。 3 、每次加料量和生产率提高后，功率消耗应适当。 行星式轮碾机是近年来出现的一种先进的轮碾设备，是国外轮碾机的一个 新品种。它对旧式轮碾机进行了较大改革，与同类机型比较，产量提高2 3 倍， 电耗降低5 0 了，大大提高了生产率，而造价仅为原机的6 0 ，从而引起了国 内有关厂家和科研单位的关注。 1 2 行星式轮碾机的国内外研究现状 轮碾机是用对称的两个碾轮与其下面的碾盘作相对运动，利用碾盘平面与 碾轮的园柱面产生的压力与剪切力将物料碾碎。由于它同时具有碾揉和拌合作 用，控制产品细度非常方便，迄今仍然是建筑材料、耐火材料、陶瓷、化工等 行业的一种重要的原料处理设备。近年来蓬勃发展的节能轻质建筑材料、粉煤 灰综合利用等新材料、新工艺对轮碾机的性能提出了更高的要求。 近年来，世界各国都致力于研究和生产各种类型高效率轮碾机。所谓高效 第一章绪论 率轮碾机。应该满足以下三个方面的要求：( 1 ) 碾盘直径一定时。能增加每次投 料量；( 2 ) 在保证碾炼质量前提下，缩短生产周期，提高生产率；( 3 ) 每次加料量 和生产率提高后，功率消耗应适当，通常用技术经济指数k ( 千克千瓦分) 来 全面衡量和评价一台轮碾混合机，k 值表示每一千瓦电力。每一分钟能碾炼的合 格物料数量。 1 日式轮碾机的k 值很低，1 6 0 0 x 4 5 0 铁轮碾，k 值为3 5 1 ，s 1 1 6 型混砂 机k 值为3 5 7 ，s 1 3 6 型混砂机值为6 6 7 。 通过对国内外有关文献资料的收集、分析，我们了解到欧洲各国在烧结制 品生产线上都采用轮碾机作为主要的原料处理设备，产品质量优良，合格率均 在9 5 以上。 我国北京的窦店砖瓦厂也是用轮碾机处理制砖原料，产品质量很好。太原 东关建材厂和西安新型建材厂引进的生产线都使用轮碾机，尤其是生产粉煤灰 高掺量时( 掺灰量在5 0 以上) ，使用轮碾机能使粉煤灰和粘土很好地均化。是 原料处理的理想设备。浙江省宁波市镇海建材厂引进波兰的粉煤灰砖生产线也 使用轮碾机作为粉煤灰和粘土的均化设备。 但是现在普遍使用的轮碾机产量低，能耗高。一台轮碾机的产量不能满足 年产3 0 0 0 万块砖的生产需要，致使没有几家建材机械厂生产这种设备。随着我 国墙改的进展及国家的节土、节能、利废政策的贯彻实施，轮碾机的使用又重 新受到重视。根据这一形势，黑龙江省双鸭山东方工业公司结合国情，参考国 外几种新型轮碾机，研制出新型湿式轮碾机，并已经在双鸭山空心砖厂使用， 运行情况良好。该轮碾机采用底传动型式，产量达到3 0 - - 3 5 m h ，能满足年产 6 0 0 0 万块标砖生产线的需要，动力只有5 5 k w ，而同样产量的高速细碎对辊机的 动力是2 0 0k w 。双鸭山空心砖厂的生产线，用轮碾机和用高速细碎对辊机都能 达到原料处理要求，而且用轮碾机的效果还要好一些，砖机的大断面用高速细 碎对辊机更光洁。 新型轮碾机已经在国内砖瓦生产尤其是利用工业废渣制砖中推广使用，成 为原料处理上的一种关键设备，是高掺量粉煤灰制砖的主要装备之一。 国外空心砖生产中对原材料的精细化处理都非常重视，各设备制造公司在 原材料处理设备方面均投入了很大的力量不断地研究和开发着新的设备，最近 几年在原材料处理方面开发出的新设备有：高效湿式轮碾机；高速细碎对 辊机；高效破碎机的新发展。以煤矸石和页岩为基本原料生产空心砖时，原 2 第一章绪论 材料破碎后的粒度至关重要。而这类物料在破碎时又会造成粉尘的扩散，运动 部件的磨损，又受到物料自然含水率的限制等，长期以来，这是一直困扰着我 国煤矸石、页岩空心砖生产的问题之一。 行星式轮碾机是国内外轮碾机的一个新品种，他对旧式轮碾机进行了重大 改进，与同类机型比较，产量提高2 3 倍，电耗降低6 0 ，大大提高了生产率， 而造价仅为原机型的5 0 。它的高效节能、结构轻巧的特点，代表着当今轮碾 设备的发展方向。 据初步了解，目前有以下一些公司正在研制与生产轮碾机。 南昌机床厂和南昌海源机床有限公司生产的x l h 行星式轮碾混合机系列产 品、郑州远东机械制造有限公司生产的x j l l l 4 d 型轮碾式混合机、淄博荣强机 械制造有限责任公司生产的行星式强制混合机、郑州山川重工有限公司和海安 县蓝天机电制造有限公司生产的湿式轮碾机等。南昌机床厂和南昌海源机床有 限公司生产的x l h 行星式轮碾混合机产品外观图( 图1 1 ) 如下。 图1 1x l h 行星式轮碾混合机产品外观图 行星式轮碾混合机是一种先进的轮碾混合设备，具有高效、节能，结构轻 巧的特点，与同类机型，产量提高了3 倍，电耗降低5 0 ，大大提高了生产率， 而造价仅为原机型的6 0 。目前国外行星式轮碾混合机研制水平较高的有：日 本东京株式会社的埃利克型混炼机，丹麦s k a k o 公司的s k a k o 混炼机( 图 1 2 ) ，意大利c r o c i 逆流混合机( c r o c ir e v e r s ec u r r e n tm i x e r s ) 等。 3 第一章绪论 国内有冶金部鞍山焦化耐火材料设计研究院的q h 强力逆流混炼机。 上述设备均属一个类型，即采用技术先进的行星式搅拌装置，其特点是： 行星搅拌性能优越，混合均匀。 搅拌铲的自转与公转分别由单独的电机驱动。 生产效率高，在很短时间内即可达到充分混合的效果。 体积小巧、重量轻，便于使用和安装维修。 存在的问题是： 没有碾压效果。由于这类混合机没有设计碾轮( 增加碾轮必需从结构、 动力等方面重新设计，而且属另一种机型) ，所以仅仅只是纯搅拌混合，与本成 果在轮碾效果和生产率上是不可比的。 电耗大。5 0 0 升容量的逆流混炼机，总功率均在4 0 5 0 千瓦以上，是本成 果中电耗的数倍。 对电机要求高，加工制造难度大，造价高。 ( 2 ) 将行星搅拌原理运用于轮碾机，形成行星式轮碾机的，在国外主要有德 国的p z m 7 5 0 型( 图1 3 ) ，该设备采用行星搅拌，搅拌性能优越，在单位时间 内翻动到碾轮下的次数大为增加，因而可大大缩小碾轮和整机尺寸，电耗也随 之大幅度下降，是轮碾设备的更新换代产品，是当今轮碾设备的发展方向。 图1 2s k a k o 公司产品 4 第一章绪论 j j 一一。j ? 。一。，一，。，。? ，。 图1 3p z m 7 5 0 型 1 3l n x 系列行星式轮碾混合机设备的特点 江西省建筑材料工业科学研究设计院研制的l n x 系列行星式轮碾混合机设 备( 图1 4 ) 的特点是： 将行星搅拌运用于轮碾，混炼质量好，生产效率高，与传统的轮碾机相 比，生产率提高3 倍以上。 碾轮和行星搅拌铲均由行星齿轮箱体带动，结构设计新颖，但设计及制 造加工的难度较大。 大幅度地降低电耗，整机功率由3 7 千瓦降至1 5 千瓦，每台机一年可节 电达8 万度。 结构轻巧。整机重量由原机型的2 1 吨降至5 吨，每台机节约钢材1 6 吨， 而且减少了大量的安装维修费用和易损备件费。 图1 4l n x 系列行星式轮碾混合机设备 5 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 2 1 传动系统的主要特性 2 1 1 传动系统的选择 齿轮传动在各种机器和机械设备中已获得了较为广泛的应用。例如，起重 机械、工程机械、冶金机械、建筑机械、石油机械、纺织机械、机床、汽车、 飞机、火炮、船舶和仪器、仪表中均采用了齿轮传动。在上述各种机器设备和 机械传动装置中，为了减速、增速和变速等特殊用途，经常采用一系列互相啮 合的齿轮所组成的传动系统，在机械原理中，便将上述的齿轮传动系统称 之为轮系。 齿轮传动的分类 按一对齿轮轴与轴之间的相对位置关系，可分为平行轴齿轮传动、相交轴 齿传动和交错轴齿轮传动。 1 、平行轴齿轮传动可分为圆柱齿轮传动、非圆齿轮传动。 按齿廓形状分为浙开线齿轮传动、圆弧齿轮传动、摆线齿轮传动、其他。 2 、相交轴齿轮传动( 按齿线形状分) ：直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动 曲线齿锥齿轮传动分为弧齿锥齿轮传动、摆线齿锥轮传动、等基圆锥齿轮 传动。 3 、交错轴齿轮传动和交错轴斜齿轮传动 准双曲面齿轮传动可分为弧齿准双曲面齿轮传动和摆线齿准双曲面齿轮传 动。 蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动与环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动。 圆柱蜗杆传动1 5 可基米德圆柱蜗杆传动( z a ) 、圆弧圆柱蜗杆传动( z c ) 、 浙开线圆柱蜗杆传动( z i ) 、法面直廓圆柱蜗杆传动( z n ) 环面蜗杆传动可分为直廓环面蜗杆传动( t a ) 、平面齿包络环面蜗杆传动 ( t i ) 、浙开面包络环面蜗杆传动( t i ) 、锥面包络环面蜗杆传动( t k ) 按轮系中轴与轴之前的相对运动关系又可分为定轴轮系和周转轮系。在周 转轮系中，一个主动件形成确定运动的称为行星轮系，两个主动件形成确定运 动的称为差动系。在行星齿轮传动中主要有：浙开线行星齿轮传动、少齿差行 6 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 星齿轮传动。 少齿差行星齿轮传动可分为浙开线齿轮少齿差行星传动、摆线针轮行星减 速机、谐波齿轮传动。 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，它具有许多独特的优点。它的最显 著的特点是：在传递动力时它可以进行功率分流；同时，其输入轴与输出轴具 有同轴性，即输出轴与输入轴均设置在同一主轴线上。所以，行星齿轮传动现 已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统中的减速器、增速 器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高 的航空发动机、起重运输、石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需要差速器 的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置，行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应 用。 行星齿轮传动的主要特点如下。 ( 1 ) 体积小、质量小，结构紧凑，承载能力大 由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理 地应用内啮合齿轮副，因此可使其结构非常紧凑。再由于在中心轮的周围均匀 地分布着数个行星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小， 并允许这些齿轮采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力 大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其体积小，质量 小，结构非常紧凑，且承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约 为普通齿轮传动的1 2 1 5 ( 即在承受相同的载荷条件下) 。 ( 2 ) 传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得 作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动 效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达 o 9 7 0 9 9 。 ( 3 ) 传动比较大，可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而 获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几 千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量 小、体积小等许多优点。而且，它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种 变速的复杂的运动。 7 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 ( 4 ) 运动平稳、抗冲击和振动的能力较强 由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，从而可 使行星轮与转臂的性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿 轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。 总之，行星齿轮传动具有质量小、体积小、传动比大及效率高( 类型选用 得当) 等优点。因此，行星齿轮传动现已广泛地应用于工程机械、矿山机械、 冶金机械、起重运输机械、轻工机械、石油化工机械、机床、机器人、汽车、 坦克、火炮、飞机、轮船、仪器和仪表等各个方面。行星传动不仅适用于高转 速、大功率，而且在低速大转矩的传动装置上也已获得了应用。它几乎可适用 于一切功率和转速范围，故目前行星传动技术已成为世界各国机械传动发展的 重点之一。 随着行星传动技术的迅速发展，目前，高速渐开线行星齿轮传动装置所传 递的功率已达到2 0 0 0 k w ，输出转矩已达到4 5 0 0 k n m 。据有关资料介绍，人们 认为目前行星齿轮传动技术的发展方向如下。 ( 1 ) 标准化、多品种目前世界上已有5 0 多个渐开线行星齿轮传动系列设 计；而且还演化出多种型式的行星减速器、差速器和行星变速器等多器种的产 品。 ( 2 ) 硬齿面、高精度行星传动机构中的齿轮广泛采用渗碳和氮化等化学 热处理。齿轮制造精度一般均在6 级以上。显然，采用硬齿面、高精度有利于 进一步提高承载能力，使齿轮尺寸变得更小。 ( 3 ) 高转速、大功率行星齿轮传动机构在高速传动中，如在高速汽轮中 已获得日益广泛的应用，其传动功率也越来越大。 ( 4 ) 大规格、大转矩在中低速、重载传动中，传递大转矩的大规格的行 星齿轮传动已有了较大的发展。 行星齿轮传动的缺点是：材料优质、结构复杂、制造和安装较困难些。但 随着人们对行星传动技术进一步深入地了解和掌握以及对国外行星传动技术的 引进和消化吸收，从而使其传动结构和均载方式都不断完善，同时生产工艺水 平也不断提高。因此，对于它的制造安装问题，目前已不再视为一件什么困难 的事情。实践表明，在具有中等技术水平的工厂里也是完全可以制造出较好的 行星齿轮传动减速器。 8 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 2 1 2 行星齿轮传动系统的特性 行星齿轮传动的定义 轮系可由各种类型的齿轮副组成。由锥齿轮、螺旋齿轮和蜗杆轮组成的轮 系，称为空间轮系；而由圆柱齿轮组成的轮系，称为平面系统。 根据齿轮系运转时其各齿轮的几何轴线相对位置是否变动，齿轮传动分为 两大类型。 1 普通齿轮传动( 定轴轮系) 当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系的所有齿轮的几何轴线位置都是固定 不变的，则称为普通齿轮传动( 或称定轴轮系) 。在普通齿轮传动中，如果各齿 轮副的轴线均互相平行，则称为平行轴齿轮传动：如果齿轮系中含有一个相交 轴齿轮副或一个相错轴齿轮副，则称为不平行轴齿轮传动( 空间齿轮传动) 。 行星齿轮传动( 行星轮系) 当齿轮系运转时，如果组成该齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固 定，而绕着其他齿轮的几何轴线旋转，即在该齿轮系中，至少具有一个作行星 运动的齿轮，如图2 1 2 1 ( a ) 所示。在上述齿轮传动中，齿轮a 、b 和构件x 均绕几何轴线0 0 转动，而齿轮c 是活套在构件x 的轴o c 上，它一方面绕自身 的几何轴线o c 旋转( 自转) ，同时又随着几何轴线o c 绕固定的几何轴线0 0 旋 转( 公转) ，即齿轮c 作行星运行：因此，称该齿轮传动为行星齿轮传动，即行 星轮系。 行星齿轮传动按其自由度的数目可分为以下几种。 ( 1 ) 简单行星齿轮传动具有一个自由度( w = 1 ) 的行星齿轮传动，如图 2 1 ( b ) 所示。对于简单行星齿轮传动，只需要知道其中一个构件的运动后，其 余各构件的运动便可以确定。 ( 2 ) 差动行星齿轮传动具有两个自由度( w = 2 ) 的行星齿轮传动，即它 是具有三个可动外接构件( a 、b 和x ) 的行星轮系 见图2 1 2 1 ( a ) 】。对于差 动行星齿轮传动，必须给定两个构件的运动后，其余构件的运动才能确定。 在行星齿轮传动中作行星运动的齿轮c ，称为行星齿轮( 简称为行星轮) 。 换言之，在齿轮系中，凡具有自转和公转的齿轮，则称为行星轮，如图2 1 2 1 中所示齿轮c 。仅有一个齿圈的行星c ，称为单齿圈行星轮 见图2 1 2 1 和图2 1 2 ( a ) 】；带有两个齿圈的行星轮c 以，称为双齿圈行星轮 见图2 1 2 1 ( b ) 和图 2 1 2 3 】。 9 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 在行星齿轮传动中，支承行星轮c ( 或c d ) 并使它得到公转的构件，称为转臂 ( 又称为系杆) ，用符号x 表示。转臂x 绕之旋转的几何轴线，称为主轴线，如 轴线0 0 。在行星齿轮传动中，与行星齿轮相啮合的，且其轴线又与主轴线0 0 重合的齿轮，称为中心轮；外齿中心轮用符号a 或b 表示，内齿中心轮用符号b 或e 表示。最小的外齿中心轮a 又可称为太阳轮。而将固定不动的( 与机架连接 的) 中心轮，称为支持轮，如图2 1 2 1 ( b ) 中所示的内齿轮b 。 在行星齿轮传动中，凡是其旋转轴线与主轴线0 0 相重合，并承受外力矩的 构件，称为基本构件。换言之，所谓基本构件就是在空间具有固定旋转轴线的 受力构件；其中也可能是固定构件，如图2 1 2 1 ( b ) 中与机架相连接的内齿轮 b 而差动行星齿轮传动 见图2 1 2 1 ( a ) 】就是具有三个运动基本构件的行星齿轮 传动。在其三个基本构件中，若将内齿轮b 固定不动，则可得到应有十分广泛 的，输入件为中心轮a 或转臂x ，输出件为转臂x 或中心轮a 的行星齿轮传动 见 图2 1 2 1 ( b ) 】。仿上，当中心轮a 固定不动时，则可得到输入件为内齿轮b 或 转臂x ，输出件为转臂x 或内齿轮b 的行星齿轮传动。当转臂x 固定不动时，则 可得到所有齿轮轴线均固定不动的普通齿轮传动，即定轴齿轮传动。由于该定 轴齿轮传动是原来行星齿轮传动的转化机构，故又称之为准行星齿轮传动，如 图2 1 2 1 ( c ) 所示。 协麓动释基鸯匏传动a 略行瑟鸯耱镌葫l 磅壤行星搿轮传动 图2 1 2 1 行星齿轮传动 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 - r 1 ) 吃妻 弋 。f ； 一p - _ 一 c l 薰 图2232 z 型的正号机构 2 4 齿面接触线单位长度上所受的载荷示意图 分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。 (图4)沿齿面接触线单位长度上的平均载荷p(单位为nram)为：式中：fn 为作齿面接触线上的法向载荷，为公称载n；l为沿齿面的接触线长mm。 机及工作机性能的影响，以及齿轮的制造误差，特别是基节误差 和齿差的影响，会使法向载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，载荷的 分配是均匀的，即使在一对齿上，载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此 在计轮传动强度时，应按接触线单位长度上的最大载荷，即计算载荷pca(单 位为ram)进行计算， k p = 半 1 ) 载荷系数。包括使用系数k a ，动载系数k v ，齿间载荷分配系数k a 及齿荷分布系数k b ，即 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 ki k 盛撂口k | ( 式2 2 ) 2 1 3 行星齿轮传动系统设计方案论证 为了使行星式轮碾混合机同时具有搅拌和轮碾双重功能，就必须设计一个 专门的行星齿轮传动系统装置，使其按设定的运动参数驱动行星式搅拌机构， 实现搅拌功能；驱动碾压机构，实现碾压功能。此系统是行星式轮碾混合机的 核心部分。 2 2 整体结构的传动方案论证 整体结构的传动方案有下传动和上传动两种方案，其结构分别如下图 2 3 1 1 、图2 3 1 2 所示。 图2 3 1 1 下传动结构示意图图2 3 1 2 上传动结构示意图 把电动机安装在行星齿轮箱下面，并通过长立轴转动来带动行星齿轮转动， 称之为下传动。反之，把电动机安装在行星齿轮箱上方，通过轴来带动行星齿 轮转动，称之为上传动。 行星齿轮传动采用下传动方案时，能使整个结构紧凑，电机的振动对整个 设备影响小，维修、加料、操作都方便，也便于安排水及添加剂从顶部的进水 管加入，经活接头和喷水管直接加在物料上，生产时，活接头和水管道随行星 齿轮箱体同步转动，水喷洒在刚翻动过的物料上。但它对箱体的密封性能要求 较高，在设计箱体结构时，可通过改变箱体结构来达到箱体密封性能的要求。 采用上传动方案时，它没有下传动方案那些优点。电机的振动对设备影响 也特别大，这就要求设备外壳强度足够。结构也不紧凑，维修、加料、操作都 不太方便，特别是水和添加剂的安排困难。但唯一的优点就是对箱体的密封性 1 2 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 能要求较低。 由以上两方案的比较，再根据轮碾机的实际需要，考虑轮碾机的经济性及 进出料、操作的方便性，故选定下传动方案。 2 3 行星齿轮箱中的传动方案论证 行星齿轮箱中的传动方式有齿轮和链条两种传动方案，其优缺点及应用场 合比较如下。 链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动，链传动无弹性滑动和打滑现象， 能保持准确的平均传动比，传动效率较高，所需的张紧力小，结构较为紧凑， 同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作，与齿轮传动相比，链传动的制 造与安装精度要求较低，成本低廉，在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便 得多，其主要缺点是，在两根平行轴间只能用于同向回转的传动，运转时不能 保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪声，不宜在载荷变化 很大和急速反向时传动中应用。其主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远， 以及其它不宜采用齿轮传动的场合。 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式很多，应用广泛，传递的 功率可达近十万千瓦。圆周速度可达2 0 0d s 。齿轮传动的主要特点有效率高、 工作可靠、寿命长、传动比稳定。 由于水平面内的链传动使用效果不佳，而且在磨损后，链条的张紧力比较 麻烦。因此不如齿轮传动方便可靠。在本设计中，采用行星齿轮传动。 2 4 行星齿轮箱两边行星轮布置方案论证 行星齿轮箱两边行星轮布置方案有对称布置方案与非对称布置方案两种。 行星齿轮轴对称布置可使整个结构紧凑，箱体受力均匀，经济性好。 非对称布置使得结构不紧凑，箱体的受力也不均匀，制造加工和安装也不 方便。 根据以上几个方案的比较，最终的结果可归结于表2 3 3 1 1 3 第二章行星式轮碾混合机的传动系统原理 表2 3 3 1 方案比较结果 整体结构 行星齿轮箱 行星齿轮箱两边 传动方案中的传动方案行星轮布置方案 下传动上传动齿轮传动链条传动对称布置非对称 方案 方案方案方案 方案 方案 经济性方面好差好差好差 结构方面 紧凑不紧凑紧凑不紧凑紧凑不紧凑 振动对设备影响大小小大小大小大 维修、操作方面方便不方便方便不方便方便 不方便 加料方便与否方便不方便方便不方便 传动效率高低高低 制造与安装方面方便不方便 方便不方便方便不方便 噪音小大 小大 箱体受力方面 小大小大小大 工作可靠性好不好好不好好不好 根据以上方案论证，在设计时，除了满足传动比及承载能力等要求外，要 全面考虑制造、安装、使用和维修问题，力求做到技术上先进，经济上合理。 故可初步确定行星式轮碾机的传动系统，其系统采用的是下传动，行星齿轮箱 中的传动采用齿轮传动，两边的行星齿轮采用对称布置。其结构简图如下图3 1 3 所示。 第三章行星式轮碾混合机碾压机构设计 第三章行星式轮碾混合机碾压机构设计 3 1 碾轮运动分析及设计原理 在辗轮式混砂机中，辗轮对混砂质量的优劣，生产效率的高低，一起着很 重要的作用。通过对辗轮的运动分析，可以深入了解其混砂原理，为设计和改 进混砂机提供理论依据。辗轮与十字头的连接有两种方式，一种是拖带式，辗 轮可以随砂彦的厚薄而起伏，其工作表面始终与底盘保持平行，另一种是铰链 式，辗轮也能随着砂层起伏，但当碾轮抬起时，其工作表面与底盘倾斜，我国设 计的混砂轮多采用拖带式连接。 碾轮与十字头的连接为拖带式连接，即碾轮可以随物料层的厚薄而起伏， 其工作表面始终与底盘保持平行。( 图3 3 1 ) 图3 3 1 拖带式连接 1 5 第三章行星式轮碾混合机碾压机构设计 设计原理： 璧：警 产一 v曩) 图3 3 2 碾轮曲线图 设碾轮为均质刚体，碾轮轴线与混合机主轴轴线相交于o 点。( 图3 3 2 ) 碾 轮半径为r ，宽度为b ，轮心为c ，轮心绕o 点的回转半径为r ，过c 点垂直 碾轮轴的横对称面为无滑动的纯滚动面。 假若忽略由于物料厚度不均匀使碾轮在运转过程中产生的无规则跳动，则 碾轮的运动即为两种运动的合成： 、以角速度q 绕混合机主轴公转即牵连运动其牵连速度为： ve = r ，q ( 变量) ( 式3 1 1 ) 式中r ，一碾轮上某点到混合机主轴轴线的距离 、以角速度绕碾轮轴自转即相对运动，其相对速度为： vr _ - - t 0 2 ( 常量) ( 式3 1 2 ) 因碾轮横对称面是纯滚动贝0 碾轮圆周表面上任一点的相对速度等于轮心的 牵连速度： 即 vr 划e c r = r q p ， ： 第三章行星式轮碾混合机碾压机构设计 m 点的牵连速度及其分速度( 图3 3 2e ) 为： v ，= t 2 石砺= f 2 ( r + x ) 2 + ( r c o s o ) 2 v ：= q ( 1 h x ) v 3 = q r c o s m 点的相对速度及其分速度( 图3 3 2a ) 为： v ，= r = r q v ：- v ，c o s ( 等) = r 9 2 s i n 二 v l -