磁性球磨機(jī)全皮帶式傳動系統(tǒng)設(shè)計研究

董書革，石偉和，蘇海英

（1.百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000；2.廣西鋁基新材料工程研究中心，廣西 百色 533000）

0 引言

球磨機(jī)無齒輪傳動是ABB 公司于20 世紀(jì)60年代制造出的產(chǎn)品。當(dāng)時水泥需求急劇增長，企業(yè)對大功率粉磨系統(tǒng)需求迫切，但是當(dāng)時技術(shù)水平有限無法制造大功率齒輪傳動系統(tǒng)。改革開放后我國加快了球磨機(jī)的發(fā)展步伐，在使用齒輪傳動系統(tǒng)同時，根據(jù)實際情況開始探索全皮帶傳動系統(tǒng)，在部分磁性材料陶瓷等企業(yè)開始使用全皮帶傳動機(jī)構(gòu)。齒輪傳動系統(tǒng)采用齒輪邊緣傳動，筒體外周安裝大齒圈與小齒輪嚙合實現(xiàn)減速。此種傳動的不足：（1）大齒圈加工難度大，制造成本高；（2）齒輪傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難；（3）球磨機(jī)過載時起不到保護(hù)作用，造成零件損毀。筆者在長期現(xiàn)場工作實踐與探索，研制設(shè)計出全皮帶式傳動系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)除避免上述不足外，還具有：（1）降低工況噪音。全皮帶傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時沒有金屬撞擊的聲音，不會出現(xiàn)減速器齒輪磨損導(dǎo)致的噪音；（2）杜絕現(xiàn)場油污。全皮帶式傳動系統(tǒng)不使用潤滑油，無漏油現(xiàn)象；（3）降低制造成本。全皮帶傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成本比齒輪傳動式結(jié)構(gòu)小得多；（4）保證傳動比。全皮帶傳動系統(tǒng)是一種新型傳動系統(tǒng)，皮帶的根數(shù)，加保證了系統(tǒng)傳遞運動和動力的要求[1]，不會出現(xiàn)打滑失效，可以為開拓大型設(shè)備全皮帶式傳動系統(tǒng)[2-4]提供參考。

1 機(jī)構(gòu)組成和工作原理

（1）機(jī)構(gòu)組成，如圖1 所示。全皮帶式傳動系統(tǒng)由電機(jī)、三級帶傳動組件、筒體組成，其中，三級帶傳動組件包括三組大小皮帶輪和三組V 帶。最后一級傳動的大帶輪直接安裝在球磨機(jī)筒體上，將運動和動力直接輸出至筒體。

圖1 全皮帶式傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）工作原理。電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)第一級小帶輪和V帶，第一次減速傳至第一級的大帶輪。第二級小帶輪與第一級大帶輪同軸，轉(zhuǎn)速相同，經(jīng)第二級小帶輪和V帶，第二次減速傳至第二級大帶輪。同理，經(jīng)第三級小帶輪和V 帶第三次減速傳至筒體。筒體轉(zhuǎn)速根據(jù)研磨工藝要求設(shè)置。在設(shè)計各級帶輪參數(shù)和選擇V 帶型號時，首先確定筒體轉(zhuǎn)速范圍，經(jīng)過系列分析計算，并根據(jù)帶傳動設(shè)計規(guī)則，得到各級傳動分配[5]。

2 參數(shù)設(shè)計

全皮帶式傳動系統(tǒng)為三級傳動，各級傳動中各軸命名如圖2 所示。

圖2 全皮帶式三級傳動

（1）總傳動比及分配各級傳動比?？倐鲃颖仁侵匾脑O(shè)計參數(shù)，其由選定的電動機(jī)正常階段轉(zhuǎn)速nm和工作的筒體主軸轉(zhuǎn)速n之比得到，即傳動裝置總傳動比為：ia越nm/n。各級傳動比按照V 帶設(shè)計基本原則分配，取三級的傳動比分別為：i1、i2、i3，并符合ia越i1伊i2伊i3。

（2）各級傳動軸輸入功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。各軸輸入功率等于上一級軸輸入功率與各環(huán)節(jié)傳動效率連乘積，以域軸為例，功率表達(dá)式為：P域=P玉濁1濁2…，轉(zhuǎn)矩為：T域= 9550P域/n域。轉(zhuǎn)速n域=n玉/i2。

（3）傳動系統(tǒng)V 帶及帶輪設(shè)計。第一級帶傳動設(shè)計首先選擇帶型。根據(jù)主軸功率和帶傳動工作情況系數(shù)KA，確定第一級帶傳動計算功率PC1=KA1P1。根據(jù)計算功率和帶輪轉(zhuǎn)速確定V 帶型號。通常V 帶型號以普通型、窄V 型常用。由帶型圖規(guī)定的小帶輪直徑范圍，結(jié)合實際工況確定小帶輪的直徑。大帶輪直徑按照第一級傳動比確定，即dd2=i2dd1。第二級、第三級帶傳動設(shè)計方法同此。

帶傳動中其他參數(shù)設(shè)計和校核，諸如帶速驗證、大小帶輪中心距及基準(zhǔn)長度、小帶輪包角驗算、帶的根數(shù)及帶初拉力等，依據(jù)有關(guān)設(shè)計原則計算[6]。

3 V 帶根數(shù)設(shè)計

全皮帶式傳動系統(tǒng)，其顯著特點是用V 帶作為傳動介質(zhì)，球磨機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中，所需要的轉(zhuǎn)矩和運動完全通過V 帶來傳遞，所以，帶的型號和帶的根數(shù)設(shè)計至關(guān)重要[7，8]。

3.1 各級傳動的運動和動力參數(shù)

以MQ1950*2560 型球磨機(jī)為研究目標(biāo)，研究其全皮帶式傳動系統(tǒng)的設(shè)計。電機(jī)功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，工作時使用變頻器將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為1350 r/min。根據(jù)磨礦工藝要求，筒體轉(zhuǎn)速設(shè)定為23 r/min。則傳動系統(tǒng)總傳動比：ia越nm/n越1350/23 越58.67。按照帶傳動規(guī)則分配三級的傳動比，分別為：i1= 3.6、i2= 2.81、i3= 5.8，并符合ia越i1伊i2伊i3。經(jīng)過理論計算，得到三級傳動各軸的運動和動力參數(shù)，列于表1 中。

表1 各級傳動中軸運動和動力參數(shù)結(jié)果

3.2 第一級傳動V 帶根數(shù)設(shè)計

V 帶根數(shù)計算的表達(dá)式為：

首先解決第一級V 帶的計算功率：

式中，P1為第一級V 帶傳遞的功率（kW），第一級為電機(jī)功率，P1= 75 kW；KA1為工作情況系數(shù)，對于球磨機(jī)而言該系數(shù)屬于載荷變化較大范疇，取值范圍為1.3～1.5，考慮日工作時間，取1.4。則V 帶計算功率：PC1=KA1P1= 1.4 伊75 = 105 kW。

第一級傳動中，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速亦即小皮帶輪轉(zhuǎn)速為1350 r/min，結(jié)合V 帶計算功率為105 kW，根據(jù)機(jī)械設(shè)計規(guī)則，選擇窄V 帶SPC 型。

下面分析確定式（1）在第一級傳動中各參數(shù)取值。PC1為V 帶的計算功率，已經(jīng)求出；[P0]為實際工作條件下單根V 帶傳遞的許用功率，[P0]= （P0+ 駐P0）K琢KL，按照下面方法計算；P01為單根V 帶傳遞的基本額定功率（kW），根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率表，取P01=13.26 kW；駐P01為基本額定功率增量（kW），根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率增量表，取吟P01=2.29 kW；K琢1為包角修正修改（琢屹180毅），小帶輪包角大于120毅，則由手冊取K琢1= 0.92；KL1為帶長修正系數(shù)，取KL1= 0.92。這樣，可求解第一級傳動V 帶的根數(shù)z1：

第一級的傳動設(shè)計V 帶根數(shù)取8 根，符合機(jī)械設(shè)計一般規(guī)則。

3.3 第二級傳動V 帶根數(shù)設(shè)計

同樣首先計算第二級V 帶的計算功率：PC2=KA2P2。式中，P2為第二級V 帶傳遞的功率，由表1，P2=72 kW；KA2為工作情況系數(shù)，取1.4。則第二級V 帶計算功率：PC2=KA2P2= 1.4 伊72 = 100.8 kW。

第二級傳動中，玉軸轉(zhuǎn)速375 r/min，計算功率PC2=100.8 kW，根據(jù)機(jī)械設(shè)計規(guī)則，選擇窄V 帶SPC 型。

分析確定式（1）在第二級傳動中各參數(shù)取值。PC2為V 帶的計算功率，已經(jīng)求出；P02為單根V 帶傳遞的基本額定功率，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率表，取P02= 7.59 kW；駐P02為基本額定功率增量，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率增量表，取吟P02=0.63 kW；K琢2為包角修正系數(shù)（琢屹180毅），由手冊K琢2=0.95；KL2為帶長修正系數(shù)，KL2= 0.96。這樣，求解第二級傳動V 帶的根數(shù)z2：

向上圓整后，第二級傳動設(shè)計V 帶根數(shù)取14根，該數(shù)值超出了機(jī)械設(shè)計常規(guī)理論。

3.4 第三級傳動V 帶根數(shù)設(shè)計

計算第三級V 帶的計算功率：PC3=KA3P3。式中，P3為第三級V 帶傳遞的功率，P3= 68.43kW；KA3為工作情況系數(shù)，取1.4。則V 帶計算功率：PC3=KA3P3=1.4 伊68.43 = 95.802 kW。

第三級傳動中，域軸轉(zhuǎn)速133.45 r/min，計算功率PC3= 95.802 kW，根據(jù)機(jī)械設(shè)計規(guī)則，選擇普通V 帶D 型。

分析確定式（1）在第三級傳動中各參數(shù)取值。PC3為V 帶的計算功率，已經(jīng)求出；P03為單根V 帶傳遞的基本額定功率，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率表，取P03= 5.14 kW；駐P03為基本額定功率增量，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊窄V 帶額定功率增量表，取吟P03=0.47 kW；K琢3為包角修正系數(shù)（琢屹180毅），由手冊K琢3=0.88；KL3為帶長修正系數(shù)，KL3= 1.08。這樣，求解第三級V 帶的根數(shù)z3：

向上圓整后第三級的傳動設(shè)計V 帶根數(shù)取18根，該數(shù)值也超出了機(jī)械設(shè)計常規(guī)理論。

第二級和第三級傳動V 帶根數(shù)超出機(jī)械設(shè)計規(guī)則，其分析如下。

3.5 結(jié)果分析及試驗

全皮帶式傳動系統(tǒng)使用V 型帶傳遞運動和動力，是通過V 帶的外側(cè)面與皮帶輪槽內(nèi)側(cè)面之間的摩擦力作用實現(xiàn)。表1 數(shù)據(jù)表明，各級傳動轉(zhuǎn)速在逐級降低，最后一級為筒體轉(zhuǎn)速，而傳遞的扭矩在逐級增大，符合球磨機(jī)工作的低轉(zhuǎn)速大扭矩要求。帶的選型及根數(shù)方面，由于第一級的傳動比不是很大，傳遞的功率屬于正常設(shè)計范圍，則計算出的根數(shù)符合一般的設(shè)計原則。第二級、第三級傳動所需的V 帶根數(shù)超出機(jī)械設(shè)計一般原則（一般小于10 根），因其傳遞的扭矩增大，所需的帶與輪之間的摩擦力隨之增大，需有足夠的根數(shù)方能實現(xiàn)傳遞要求。表2 的計算結(jié)果也表明，帶的根數(shù)逐級增多，各級單根V 帶的額定功率及額定功率增量隨之增大，也符合設(shè)計規(guī)律。帶的根數(shù)增多，帶輪的寬度相應(yīng)增大，從材料強(qiáng)度上應(yīng)予以保證。

表2 計算結(jié)果

全皮帶式傳動系統(tǒng)原理圖如圖3（a）所示?，F(xiàn)場工作圖如圖3（b）（c）所示。

圖3 全皮帶式傳動系統(tǒng)原理圖及現(xiàn)場工作

對該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗，并與同規(guī)格的齒輪傳動球磨機(jī)進(jìn)行了性能對比（表3）。表3 數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過工藝要求的相同時間運行，傳動系統(tǒng)正常，能夠保證筒體工藝要求的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品粒度合格。另外，試驗中通過更換不同尺寸電機(jī)小皮帶輪而改變系統(tǒng)傳動比，調(diào)整靈活，而齒輪式傳動比是固定不變的。在運轉(zhuǎn)過程中V 帶無打滑現(xiàn)象及跳帶現(xiàn)象等失效形式出現(xiàn)。

表3 全皮帶傳動與齒輪傳動性能比較

4 結(jié)語

全皮帶式傳動系統(tǒng)是一種新型的傳動機(jī)構(gòu)，目前試用于小型磁性球磨機(jī)中。相比于傳統(tǒng)的齒輪傳動減速器，全皮帶式傳動具有運行噪音低、現(xiàn)場無污染、制造成本低、裝配精度要求不高等優(yōu)點。全皮帶式傳動系統(tǒng)由三級傳動組成，各級傳動均由大小皮帶輪和V帶組成。通過設(shè)備技術(shù)參數(shù)及工藝要求對傳動系統(tǒng)總傳動比進(jìn)行了計算，按照帶傳動一般規(guī)則，進(jìn)行了三級傳動比分配，并符合三級傳動比連乘積等于總傳動比的要求。對各級傳動中各軸的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計算。對各級傳動的V 帶根數(shù)進(jìn)行設(shè)計研究，根據(jù)生產(chǎn)實際情況，分析確定了計算V 帶根數(shù)表達(dá)式中各參數(shù)的賦值。通過對各級傳動計算，得到了第一級傳動V 帶型號為SPC 窄型號，根數(shù)8 根，符合一般設(shè)計規(guī)則；第二級傳動V 帶型號為SPC 窄型號，根數(shù)14根；第三級傳動V 帶型號為普通D 型，根數(shù)18 根。第二級、第三級傳動V 帶根數(shù)超出一般設(shè)計規(guī)則（一般小于10 根），因其傳遞的扭矩逐級增大，所需的帶與帶輪之間的摩擦力亦隨之增大，需有足夠的根數(shù)方能實現(xiàn)傳遞要求。計算V 帶根數(shù)選取的各參數(shù)也表明，帶的根數(shù)逐級增多，各級單根V 帶的額定功率及額定功率增量隨之增大，符合球磨機(jī)工作的低轉(zhuǎn)速大扭矩的一般運轉(zhuǎn)規(guī)律。全皮帶式傳動系統(tǒng)的設(shè)計遵循一般的機(jī)械設(shè)計規(guī)則，且又有創(chuàng)新之處，為開拓大型設(shè)備全皮帶式傳動系統(tǒng)提供了思路。