30t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈鏈輪修形減振設計

趙俊天，胡升陽，董亞亞

（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

30t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈鏈輪修形減振設計

趙俊天，胡升陽，董亞亞

（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

鏈傳動主要用于傳遞動力和物料，隨著工業自動化程度提高和精密加工技術的發展，鏈傳動的精確性、穩定性越發重要。鋁錠連續鑄造機輸送鏈是負責鑄模和鋁錠的輸送。由于鏈傳動系統不平穩，導致鋁錠表面形成明顯的“水波紋”現象，影響鋁錠的表面質量。在分析鏈傳動振動來源的基礎上，給出三種對鏈輪齒形的修正方法，采用修正后的鏈輪能夠減小嚙合沖擊，進而降低輸送過程的振動，提高鋁錠表面質量。

輸送鏈；鏈輪；嚙合沖擊；多邊形效應；水波紋

30?t/h鋁錠連續鑄造機組是專門用于普通重熔用鋁錠連續鑄造的自動化生產線，在國內外已得到較廣泛的應用，但在國內仍然存在許多技術難點，尚未得到突破。較為突出的問題之一是在生產中鋁錠表面出現水波紋，對產品的外觀質量影響很大，影響了其銷售價格。

常見的鋁錠表面波紋有同心圓狀、泡狀和兩端溝槽狀三種波紋［1］。

同心圓狀的水波紋是在鋁錠表面上以某一處為中心，以波紋狀向四面擴散。泡狀水波紋則是在鋁錠表面形成的凸起或浮塊狀波紋，這種波紋形成后，使鋁錠表面凹凸不平，有時會形成夾層。兩端溝槽狀波紋是在鋁錠表面形成較深的溝槽狀波紋，并且中間最淺，兩端最深。

通常這三種波紋相互交織，共同存在。前兩種水波紋可以通過保持鋁液干凈、改進工藝、提高操作人員技術水平等來改進。其中第三種波紋對外觀質量影響最大，也是重點研究的問題。通過對30t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈系統的鏈輪齒形進行修正，降低鏈條振動，減小鋁錠波紋，從而改善鋁錠表面的質量。

1　兩端溝槽狀波紋產生的機理

兩端溝槽狀波紋這類水波紋對鋁錠的外觀質量影響最大，波紋幅度最大，就目前國內同類型30?t/h鋁錠鑄造機組來言很難消除，其形成的原因有：

（1）輸送鏈系統的振動形式主要為三種即鏈節的橫向振動與縱向振動、鏈輪的軸向與徑向振動、滾子的徑向變形振動［8］。而嚙合沖擊引起的鏈節振動或鏈輪振動是導致輸送鏈系統振動和鋁錠表面出現水波紋的最主要原因之一?。其是由于嚙合過程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產生的。傳統的滾子鏈與鏈輪嚙合時，后一個滾子沿著前一個已嚙入的滾子的中心為圓心、以節距為半徑的圓弧嚙入鏈輪。滾子是首先直接與鏈輪底部接觸，這必然會有接觸的突然性，產生沖擊。隨著鏈條與鏈輪的嚙合，這種沖擊又會呈現出一定的周期性。

（2）鏈傳動的多邊形效應造成輸送鏈系統不平穩。與傳動鏈一樣，鏈條繞上鏈輪時圍成正多邊形，當驅動鏈輪勻角速度轉動時，鏈運行的速度會呈現周期性變化，這就是鏈的多邊形效應［6，7］。由于30t/h鋁錠連續鑄造機組，采用了較大的節距（pc=132.5?mm），因此鏈運行的不平穩性更加明顯［3］。

（3）鏈傳動速度不均勻性會發生周期性變化，?這種變化將損害傳動的同步性與均勻性，從而進一步引起鑄模振動使液態鋁晃動，由于靠近鑄模內壁溫度相對較低，此位置的液態鋁先凝固成型，未凝固的鋁水波峰每次接近已凝固的鋁時就在其上凝固成型，使得鋁錠以中部為界因鋁的減少而出現較深的溝槽。

2　鏈輪齒形的修正

2.1修正鏈輪節距

傳統的鏈傳動系統中，鏈輪的節距和鏈條的節距是相等的，并且鏈條的中心線位置呈周期性變化。鏈輪的節距是指在鏈輪的分度圓上與鏈條的對應鏈節相嚙合的兩個齒槽間的距離，也就是分度圓上的弦節距［9］。根據文獻［4］，對于標準的三圓弧一直線齒形鏈輪，當使鏈輪的弧節距p等于鏈條的節距pc，可以明顯的降低振動且由于鏈條節距的相對伸長量△p/pc≤3%，就不會發生跳齒與掉鏈［10］。

依據現用的30?t/h鋁錠連續鑄造機的數據進行如下計算：

鏈輪的弦節距ps=?鏈條的節距pc=132.5mm

主動鏈輪的弧節距：

從動鏈輪的弧節距：

當改用弧節距與鏈條節距相等時，主動鏈輪的變化幅度為：

從動鏈輪的變化幅度為：

由此可知，當改用弧節距等于鏈條的節距后，皆不會出現跳齒和掉鏈的情況。而此時鏈輪的弦節距ps＜pc。由于鏈輪弦節距小于鏈條節距，鏈條在鏈輪上將出現爬高，如圖1中滾子?A?將沿鏈輪齒廓的非工作齒面爬高，但能處在較大的圓上，不會像傳統的鏈傳動系統那樣下降到與分度圓呈最大相割位置?。因此可以減小鏈條的橫向振動?。另外修正后的鏈輪，?滾子?B?將首先與鏈輪輪齒的工作齒面接觸?，?此時滾子與鏈輪齒槽底部之間會有一個間隙C。間隙?C的存在使得滾子不會突然接觸鏈輪齒槽底部，亦不會產生徑向沖擊，而只有切向接觸力。然后滾子沿工作齒廓逐漸嚙入，嚙入過程中切向沖擊能量得到了消耗。當滾子完全嚙入鏈輪齒槽底部時。徑向接觸才出現。即切向沖擊與徑向沖擊不同時發生，有一個時間差。這個時間延遲使得沖擊能量分布在較長的時間區間，能降低振動［4］。

圖1　修形鏈輪與滾子鏈嚙合示意圖

2.2增大齒溝圓弧半徑R1

增大30?t/h鋁錠連續鑄造機組輸送鏈系統鏈輪齒溝圓弧半徑，可使得鏈輪的輪齒變窄，齒槽加深［4］。

上式中R0為標準滾子半徑。

現用的輸送鏈系統鏈條滾子半徑R0=35?mm，而齒溝圓弧半徑R1=35.23?mm?。

現改為：R1=35.35+0.069×4.121?23=35.634?36 4?87（mm）≈35.63（mm）。

2.3對鏈輪的壓力角進行修正

滾子鏈的嚙入沖擊能量?E?可近似為：

式中，m為鏈輪質量?，pc為?鏈條節距，z為鏈輪齒數?，γ為嚙合壓力角，vc為沖擊速度。

由公式可知對嚙入沖擊能量和沖擊速度影響最大的是嚙合壓力角，因此可以通過齒形修正減小嚙合壓力角γ，從而減少嚙入沖擊速度，進而減小嚙入沖擊能量即降低振動。對于鏈輪的嚙合壓力角來說，是可以取很多數值的，大致來說從英國常用的14.5°、15°到德國的20°以及25°都有使用。而當鏈輪的嚙合壓力角越小，其傳動效率就會越高，但齒部的機械強度會越差。當鏈輪嚙合壓力角越大時，其傳動效率又會降低，但齒部的機械強度會變強。因此可以采用英制齒輪的14.5°或15°，從而將降低滾子鏈嚙入時的沖擊能量，減小振動［3］。

對現行的30?t/h鋁錠連續鑄造機組主動鏈輪：

對現行的30?t/h鋁錠連續鑄造機組從動鏈輪：

由此可得，沖擊能量得到較大的降低，可為30?t/h鋁錠連續鑄造機的主從鏈輪嚙合壓力角修形提供一定的方向。

3　結論

影響輸送鏈運行穩定性的因素是多方面的，而且某些因素之間還存在相互作用。在分析30t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈鏈傳動振動來源的基礎上，本文給出了對一些鏈輪齒形修正方法，通過改用弧節距等于鏈條的節距，增大齒溝圓半徑以及減小嚙合壓力角，發現可以明顯降低嚙入的沖擊振動，從而降低輸送過程的振動，達到提高生產的鋁錠的質量的目的。

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[7] 梁志民，安宗文，李朝暉.輸送鏈運行平穩性分析[J].起重運輸機械， 2003(2):18.

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[10] 鄭志峰，王義行, 柴邦衡.鏈傳動[M].北京：機械工業出版社，1984.

The?vibration?reduction?design?of?sprocket's?profle?in?the?system?of?conveyor?chain?of?30t/h?Aluminum ingot continuous castingmachine

ZHAO?JunTian，HU?ShengYang，DONGYaYa
（Lanzhou?university?of?technology，Lanzhou?730050，GanSu，China）

Chain?drive?is?mainly?used?to?transfer?power?and?material.With?higher?degree?of?industrial?automation?and?the?development?of?precision?machining?technology，?the?accuracy?and?stability?of?the?chain?transmission?become?more?and?more?important.?The?onveyor?hain?of?Aluminum?ingot?continuous?casting?machine?is?responsible?for?the?delivery?of?molds?and?aluminum?ingots.The?unstability?of?chain?transmission?system?leads?to?the?forming?of?obvious?water?ripple?phenomenon?at?the?surface?of?the?aluminum?ingot，?which?affects?the?quality?of?aluminum?ingots.Based?on?the?analysis?of?the?vibration?source?of?the?transmission?chain，it?is?concluded?that?three?kinds?of?method?to?correct?the?sprocket?tooth?profle，?using?the?revised?sprocket?can?reduce?the?meshing?impact?and?the?vibration?of?the?transmission.?To?improve?the?quality?of?aluminum?ingots.

Transmission?chain；Sprocket；Meshing?impact；Polygon?effect；Water?ripple

TG249.7;

A；

1006-9658（2015）04-0036-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.010

2015-01-04

稿件編號:1501-761

趙俊天(1965—）男，副教授，主要研究方向成套自動化裝備、計算機仿真技術.