少齒差傳動滾筒式振動篩的設(shè)計

邵昉亮，趙 悟，王東恒，趙文軍

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著基建的迅速發(fā)展，水泥混凝土的使用量越來越大。在生產(chǎn)和使用的過程中對環(huán)境產(chǎn)生極大影響。例如，在攪拌站、混凝土運輸車、混凝土泵車的清洗過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾和混凝土廢水。廢水中通常含有水泥、礦粉、粉煤灰、沙石和外加劑等物質(zhì)，直接排放會對周邊水土、江河湖泊以及地下水資源造成污染。為了珍惜水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)該對混凝土清洗水進(jìn)行分離處理。滾筒篩是一種篩分裝置，它能夠分離混凝土的各個組分，包括沙子、石料、水泥漿，這樣對一些物料進(jìn)行了二次利用。然而普通滾筒篩雖然結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單，但是物料容易黏網(wǎng)，設(shè)備不能連續(xù)作業(yè)，造成篩分效率低下[1]。

滾筒振動篩常用的激振源是振動電機(jī)。因此，每臺振動篩都需要兩個電機(jī)作為能量輸入，但這樣會造成機(jī)器結(jié)構(gòu)笨重且功耗增加。本研究針對傳統(tǒng)圓振動篩的缺點，設(shè)計了少齒差傳動的滾筒式振動篩。

1 傳統(tǒng)振動篩的傳動方式

1.1 圓柱齒輪減速器

外嚙合漸開線斜齒圓柱齒輪減速器，可靠耐用，承受過載能力高，運行平穩(wěn)，所以振動噪音小、減速機(jī)效率高達(dá)95%，因此節(jié)能高，能量消耗低，性能優(yōu)越，但是缺點也顯而易見，相比其他減速機(jī)空間占比很大。

1.2 蝸輪蝸桿傳動

蝸桿傳動是振動篩較常用的傳動形式之一，通常所使用的傳動比在80以內(nèi)，傳動比與蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)有關(guān)。蝸桿頭數(shù)越多，傳動比越小。為了提高傳動比，蝸桿頭數(shù)應(yīng)盡量取小，但是蝸桿頭數(shù)越小，導(dǎo)程角越小，當(dāng)導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角后，蝸桿機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生自鎖，效率將很低。蝸桿頭數(shù)與傳動比在實際的應(yīng)用中都有一定適用范圍。在潤滑方面，蝸輪蝸桿減速器相對其他減速器要求較高。如果潤滑不良，傳動效率將顯著下降，箱體油溫升高，導(dǎo)致潤滑失效，輪齒磨損加劇。

1.3 擺線針輪減速器

傳動比較大，但該減速器輸入轉(zhuǎn)速不能高于3 000 r／min的場合，否則減速器承受載荷過大。擺線針輪機(jī)構(gòu)加工制造工藝較復(fù)雜，性價比大打折扣。

因此，針對圓柱齒輪減速器體積大、蝸輪蝸桿減速器效率低、擺線針輪減速器轉(zhuǎn)速適用范圍低等缺點，筆者提出采用少齒差行星減速器作為振動篩的傳動方式。

2 振動篩的結(jié)構(gòu)

滾筒振動篩主要由電機(jī)、少齒差減速器、篩體、支架、進(jìn)料斗、出料斗等部件組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 振動篩總體結(jié)構(gòu)圖

3 工作原理

將未固化的廢棄混凝土從進(jìn)料斗加入，物料隨滾筒一起作螺旋運動，即一邊轉(zhuǎn)動，一邊向前運動[2]。筒體軸線采用傾斜安裝，這樣物料會受到重力的分力而自動沿著篩網(wǎng)軸線運動[3]。該篩網(wǎng)采用雙層同心圓結(jié)構(gòu)，內(nèi)篩網(wǎng)的篩孔大于外篩網(wǎng)，可篩分出粒徑不同的三種物料，該結(jié)構(gòu)篩分效果更好。粒徑最小的物料將會通過兩層篩網(wǎng)流向底部的料槽，粒徑最大的物料，則無法通過第一層篩網(wǎng)而隨著網(wǎng)面的振動，沿著篩網(wǎng)的傾斜面流到篩網(wǎng)一側(cè)的料槽當(dāng)中。粒徑中等的物料則會通過第一層篩網(wǎng)而到達(dá)第二層篩網(wǎng)，并經(jīng)過它的篩分而進(jìn)入相應(yīng)的料槽當(dāng)中。篩體旋轉(zhuǎn)的同時伴隨著振動，因此篩孔不易堵塞且能夠大大提高篩分質(zhì)量和效率。傳動裝置由少齒差行星減速器組成，該減速器無太陽輪，只有行星輪和齒圈，它具有體積小、傳動比大的優(yōu)點[4]。圓振動篩振動源所產(chǎn)生的振動力是一繞定軸、方向呈正規(guī)律變化的慣性力，其本質(zhì)是由偏心質(zhì)量繞定軸轉(zhuǎn)動所形成離心力。最主要的特點是它在傳遞扭矩的同時產(chǎn)生高頻振動。因此，無需單獨配備振動電機(jī)，大大降低了振動篩的功耗。

4 物料的運動分析

滾筒是傾斜安裝隨著軸一起轉(zhuǎn)動，所以物料的運動是比較復(fù)雜的，因此，需要簡化模型。只研究物料中很小的一部分，將其看成單元體P，其運動過程如圖2所示。

圖2 滾筒篩內(nèi)物料的運動

單元體隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)其被提升至O點時，將會脫離篩面，開始作拋物線運動[3]。隨后會到達(dá)最高點D處，并且最終落到B處，然后就是按照此規(guī)律進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，最后排出滾筒篩。

單元體的運動是一個復(fù)合運動，可將其沿著軸方向和垂直于軸的xOy方向分解。在垂直于軸的方向xOy平面內(nèi)又可以進(jìn)一步分解，即隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動的圓周運動，以及拋物線運動。因為篩筒有一定的傾斜角度，所以單元體會沿著軸方向運動。除此之外，物料在滾筒內(nèi)還存在滑動。

5 關(guān)鍵技術(shù)

從實現(xiàn)大的傳動比方面考慮，普通圓柱齒輪和行星齒輪減速器的體積將會很大，所以考慮到外形尺寸的要求，這兩個不適合。蝸輪蝸桿減速器和少齒差減速器都可以實現(xiàn)大傳動比，而且體積較小，但是相比較而言前者的效率太低，少齒差在傳遞扭矩的同時還可以傳遞高頻振動。少齒差行星齒輪傳動是由普通行星傳動逐漸轉(zhuǎn)化發(fā)展過來的，如圖3所示，它主要由內(nèi)齒圈、行星輪、輸入軸、行星架、盤型輸出軸組成[5]。內(nèi)齒輪和外齒輪的齒數(shù)差很小，一般可以小到1、2、3、4這幾種差值[6]。正是因為這種特性，使得它的傳動比很大。

圖3 少齒差減速器結(jié)構(gòu)圖和示意圖

5.1 傳動比計算

行星傳動不同于定軸傳動，它有一個行星輪，它的軸有一個公轉(zhuǎn)，所以不能簡單地輸出齒數(shù)/輸入齒數(shù)，這是定軸傳動的計算公式：

雖然不可以直接使用，但是可以轉(zhuǎn)化。通過相對運動，使行星輪的轉(zhuǎn)速變成零，這樣就相當(dāng)于軸固定了，也就可以套公式了。所以設(shè)以行星架為參考系，這樣它的速度為零，其它構(gòu)件減去V行。公式如下：

少齒差傳動多用于減速，該減速器傳動比在10～100，在允許效率較低的情況下，傳動比可以達(dá)到幾百甚至幾千。

5.2 高頻振動原理

該減速器的輸入軸是偏心軸，偏心軸連接著行星輪，使得行星輪在自轉(zhuǎn)的同時也在公轉(zhuǎn)，行星輪的公轉(zhuǎn)屬于高速轉(zhuǎn)動，自轉(zhuǎn)屬于低速轉(zhuǎn)動。該少齒差減速器輸出軸設(shè)計與通常意義上的輸出軸不同，它直接和行星輪剛性連接。因此，可以同時將行星輪的兩種運動同時輸出給篩體，使得篩體低速轉(zhuǎn)動的同時在高頻振動。

6 主要的輸出機(jī)構(gòu)

1）銷軸式。外齒輪周向上開許多銷孔，孔的多少由齒輪的直徑大小決定，直徑越大，孔的數(shù)量越多，傳遞動力時越平穩(wěn)，可傳遞的扭矩越大。孔的數(shù)量按直徑的劃分如表1所示：

表1 銷孔數(shù)量與齒輪直徑關(guān)系

雖然，銷的數(shù)量越多，傳遞的動力大，但是這也意味著齒輪的質(zhì)心越難以保證在軸心了，所以這對孔的加工以及銷的加工都提出了比較高的要求。

2）滑塊式。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要太多的零件。它是通過一個凹槽和一個凸塊組成的，連接性能不是非常好，結(jié)合不是很緊密。這樣導(dǎo)致它不能輸出特別高的轉(zhuǎn)速，只適合低轉(zhuǎn)速，低扭矩。又因為槽與凸塊之間可能有相對滑動，因此效率比較低。

3）浮動盤式。該機(jī)構(gòu)上有均勻分布的四個缺口，兩兩位于一條直線上，因此在傳遞動力時不會偏心，使受力不均勻。該機(jī)構(gòu)之間傳遞是滑動摩擦，所以速度有所限制，一般不超過1 500 r/min，否則，銷套之間產(chǎn)生極高的溫度，最終發(fā)生膠合，無法傳遞扭矩。

因此，綜合以上分析，采用銷軸式作為少齒差減速器的輸出機(jī)構(gòu)，這樣可以同時滿足高轉(zhuǎn)速和大負(fù)載的工作需求。

7 結(jié)論

綜上所述，新型少齒差行星輪傳動的振動篩結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)振動篩有如下優(yōu)勢：

1）體積更小、結(jié)構(gòu)輕量化。與普通圓柱齒輪減速器相比，在傳動比相同的情況下，少齒差減速器所占空間更小，在整機(jī)中的空間布置更加方便。

2）效率高、功耗小。雖然蝸輪蝸桿減速器體積小，但是效率低，容易發(fā)熱。然而少齒差減速器齒輪是圓柱直齒輪，效率和普通圓柱齒輪一樣高。

3）傳遞扭矩的同時傳遞振動。傳統(tǒng)振動篩需要布置兩個電機(jī)才能滿足工作性能需求，然而通過少齒差減速器傳遞動力后，則不需要單獨的電機(jī)作為激振源產(chǎn)生振動。