干熄焦提升機差動減速器速比計算

喬雙鵬 鞠國強 翟淑東 趙 婧

山東華成中德傳動設備有限公司 淄博 255200

0 引言

在焦化廠干熄焦系統中，干熄焦提升機是提升運輸紅焦的關鍵設備[1]，主要由車架、起升機構、運行機構、焦罐吊具、司機室、電控系統等組成。起升機構安裝在車架上部，通過鋼絲繩與自動吊具相連，帶動焦罐進行升降運動[2]。起升驅動通常采用差動減速器，其一旦出現故障，將會影響干熄焦提升機及干熄焦整個系統的運行，故對差動減速器的設計提出較高要求。

本文涉及的差動減速器為德國原裝進口，應用于150 t干熄焦提升機。該減速器為四輸入四輸出設計，每一輸入軸通過帶有制動器的聯軸器與電機聯接，控制電機及相應制動器的啟停，輸出軸即可實現不同的轉速。本文將采用差動單元的分析方法，對減速器的輸出轉速及速比進行分析計算，為后續減速器的設計奠定基礎。

1 差動單元及其行星架轉速分析

如圖1所示的復合輪系中，齒圈不固定且為內外齒結構（見圖2），太陽輪1、行星輪2、齒圈及行星架H組成差動輪系（自由度為2的周轉輪系[3]），齒輪5、齒輪4及齒圈組成定軸輪系，為便于后序分析，將該復合輪系稱為差動單元。在該差動單元中，齒圈內齒齒數為z3，外齒齒數為z3＇，太陽輪1、齒輪5及行星架H的轉速分別為：n1、n5、nH，以太陽輪1、齒輪5作為輸入構件，行星架H作為輸出構件，有

圖1 差動單元

圖2 齒圈

由式(1)分析可知，當n1、n5同向時，行星架轉向與輸入構件轉向一致；當n1、n5反向時，行星架轉向需經具體計算后確定。

2 干熄焦提升機差動減速器速比分析

2.1 干熄焦提升機差動減速器工作原理

本文所介紹的差動減速器結構和機構運動簡圖如圖3、圖4所示，減速器為四輸入四輸出設計，每一輸入軸通過帶制動盤的聯軸器與電機聯接，輸出軸為貫通軸，用以驅動卷筒。

圖3 減速器結構圖

圖4 減速器機構運動簡圖

該減速器包含3個差動單元，差動單元1的輸入為輸入軸1、輸入軸2，行星架H1用以驅動差動單元3的太陽輪；差動單元2的輸入為輸入軸3、輸入軸4，行星架H2用以驅動差動單元3的齒輪6；在差動單元1、2的共同作用下，差動單元3的行星架H3帶動齒輪11并左右分流，最終驅動輸出軸1及輸出軸2。

2.2 干熄焦提升機差動減速器速比分析

在差動單元1中，太陽輪、行星輪、齒圈內齒、齒圈外齒的齒數分別記為：z1、z2、z3、z3＇，差動單元2的齒輪參數與差動單元1相同，在差動單元3中，太陽輪、行星輪、齒圈內齒、齒圈外齒的齒數分別記為：z8、z9、z10、z10＇，其余齒輪齒數標記如圖4所示。

令輸入軸1、輸入軸2、輸入軸3、輸入軸4的轉速依次為n01、n02、n03、n04，且轉向相同，對應輸出軸1、輸出軸2的轉速為n05、n06，轉向由計算結果確定。對差動單元1、2、3的行星架轉速進行分析，將相關參數代入式(1)中，有

式中：n8=nH1，n6=nH2。

將nH1、nH2代入后可得

則，輸出軸1轉速為

輸出軸2轉速為

計算結果顯示：輸出軸1與輸出軸2轉速相等，輸出軸1轉向與輸入軸轉向相反，輸出軸2轉向與輸入軸轉向相同。

在實際應用中，干熄焦提升機差動減速器所配套的4臺電機相同，令電機轉速為n，則輸入軸有兩種轉速，制動狀態時的零轉速及工作狀態時的n。根據電機工作情況，將輸入軸轉速代入式（6）、式（7）中，即可解出輸出軸轉速n05、n06，對應減速器速比為n/n05及n/n06。

由于兩輸出軸轉速相等，且轉向已明確，減速器的輸出轉速數值nout、速比數值i可表示為

當z8z10＇=z10z6，且z1z3＇=z3z5時，有

此時，根據各電機工作情況，按式(9)、式(10)對減速器的輸出轉速數值nout、速比數值i進行分類討論。

1)當1臺電機工作時

2)當2臺電機工作時

3)當3臺電機工作時

4)當4臺電機工作時

因此，若減速器滿足條件z8z10＇=z10z6且z1z3＇=z3z5，則1臺電機、2臺電機、3臺電機工作時減速器的輸出轉速分別為4臺電機工作時的25%、50%、75%。

綜上所述，控制電機及相應制動器的啟停，減速器即可實現不同的輸出轉速；當某一電機故障時，制動器將立即制動相應輸入軸，提升機可依靠其余電機在完成本班次的既定工作后再進行故障排除[4]，避免緊急停車，造成重大損失。

3 干熄焦提升機差動減速器速比計算

某項目應用的干熄焦提升機差動減速器，配套電機功率為4×315 kW，轉速為990 r/min，且所有工作電機轉向相同，減速器各齒輪齒數如表1所示。

表1 減速器齒數表

由表 1 可知：z8z10＇=z10z6=1 584，z1z3＇=z3z5=1 440。因此，該減速器的速比數值及輸出轉速數值可按式(11)～式(18)求解，計算結果如表2所示。輸出軸1轉向與輸入軸轉向相反，輸出軸2與輸入軸轉向相同。

表2 減速器輸出轉速數值及速比數值表

4 干熄焦提升機差動減速器速比計算驗證

NX是當今應用廣泛、極具競爭力的CAD/CAE大型集成軟件之一[5]，在汽車、航空航天、通用機械等領域有廣泛的應用[6]。為驗證干熄焦提升機差動減速器速比分析的正確性，使用NX建立上述案例中復合輪系的三維模型，并進行運動學仿真分析。

1）建立復合輪系三維模型

根據分析需要，建立輸入軸、輸出軸、行星架、齒輪類零件三維模型，并完成虛擬裝配。其中，輸入、輸出軸與絕對坐標系X軸平行，如圖5所示。

圖5 減速器復合輪系三維模型

2）創建構件

進入運動仿真環境，創建新構件，為簡化分析，將采用鍵聯接的兩零件定義為一個構件。

3）添加運動副

根據運動關系，為構件添加旋轉副及齒輪副。為便于后續分析，將輸入軸、輸出軸與機架的旋轉副方向均定義為絕對坐標系X軸正向。

4）添加驅動

在每一輸入軸與機架旋轉副處添加驅動，定義方式選擇固定、速度，通過將速度設置為0或990 rad/s進行電機工作狀態模擬。本次重點分析輸入、輸出軸的轉速數值及方向，故采用系統默認轉速單位而不做轉化。

5）仿真設置

定義仿真時間為1 s，步數為1 000。

6）仿真結果與分析

仿真結果如圖6所示，圖6a～圖6d依次為1臺電機、2臺電機、3臺電機、4臺電機工作時輸出軸的轉速曲線。

圖6 輸出軸轉速曲線

從仿真結果可看出，減速器在不同輸入條件下，輸出軸的轉速數值及方向均與理論分析計算一致，故上述關于干熄焦提升機差動減速器輸出轉速及速比的分析正確。

5 結語

本文以差動單元行星架的轉速分析為基礎，對干熄焦提升機差動減速器進行了分析，推導得出一般減速器及滿足特定齒數條件減速器的輸出轉速和速比計算公式。在應用公式計算得出減速器輸出轉速及速比后，采用軟件NX對減速器輪系進行了運動仿真，得到不同輸入條件下減速器的輸出軸轉速曲線。仿真結果驗證了理論分析的正確性，表明基于差動單元的分析方法可作為差動減速器速比計算的一種可行思路。本文的分析結果為干熄焦提升機差動減速器的設計奠定了基礎，同時也可為減速器的實際使用提供參考。