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(xù)鑄造機輸送鏈鏈輪修形減振設(shè)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(yè)自動化程度提高和精密加工技術(shù)的發(fā)展，鏈傳動的精確性、穩(wěn)定性越發(fā)重要。鋁錠連續(xù)鑄造機輸送鏈是負責鑄模和鋁錠的輸送。由于鏈傳動系統(tǒng)不平穩(wěn)，導致鋁錠表面形成明顯的“水波紋”現(xiàn)象，影響鋁錠的表面質(zhì)量。在分析鏈傳動振動來源的基礎(chǔ)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(zhì)量。

輸送鏈；鏈輪；嚙合沖擊；多邊形效應(yīng)；水波紋

30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機組是專門用于普通重熔用鋁錠連續(xù)鑄造的自動化生產(chǎn)線，在國內(nèi)外已得到較廣泛的應(yīng)用，但在國內(nèi)仍然存在許多技術(shù)難點，尚未得到突破。較為突出的問題之一是在生產(chǎn)中鋁錠表面出現(xiàn)水波紋，對產(chǎn)品的外觀質(zhì)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(shù)水平等來改進。其中第三種波紋對外觀質(zhì)量影響最大，也是重點研究的問題。通過對30t/h鋁錠連續(xù)鑄造機輸送鏈系統(tǒng)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(zhì)量。

1　兩端溝槽狀波紋產(chǎn)生的機理

兩端溝槽狀波紋這類水波紋對鋁錠的外觀質(zhì)量影響最大，波紋幅度最大，就目前國內(nèi)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(tǒng)的振動形式主要為三種即鏈節(jié)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(jié)振動或鏈輪振動是導致輸送鏈系統(tǒng)振動和鋁錠表面出現(xiàn)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(chǎn)生的。傳統(tǒng)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(jié)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(chǎn)生沖擊。隨著鏈條與鏈輪的嚙合，這種沖擊又會呈現(xiàn)出一定的周期性。

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

（3）鏈傳動速度不均勻性會發(fā)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(tài)鋁晃動，由于靠近鑄模內(nèi)壁溫度相對較低，此位置的液態(tài)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(xiàn)較深的溝槽。

2　鏈輪齒形的修正

2.1修正鏈輪節(jié)距

傳統(tǒng)的鏈傳動系統(tǒng)中，鏈輪的節(jié)距和鏈條的節(jié)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(jié)距是指在鏈輪的分度圓上與鏈條的對應(yīng)鏈節(jié)相嚙合的兩個齒槽間的距離，也就是分度圓上的弦節(jié)距［9］。根據(jù)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(jié)距p等于鏈條的節(jié)距pc，可以明顯的降低振動且由于鏈條節(jié)距的相對伸長量△p/pc≤3%，就不會發(fā)生跳齒與掉鏈［10］。

依據(jù)現(xiàn)用的30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機的數(shù)據(jù)進行如下計算：

鏈輪的弦節(jié)距ps=?鏈條的節(jié)距pc=132.5mm

主動鏈輪的弧節(jié)距：

從動鏈輪的弧節(jié)距：

當改用弧節(jié)距與鏈條節(jié)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(jié)距等于鏈條的節(jié)距后，皆不會出現(xiàn)跳齒和掉鏈的情況。而此時鏈輪的弦節(jié)距ps＜pc。由于鏈輪弦節(jié)距小于鏈條節(jié)距，鏈條在鏈輪上將出現(xiàn)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(tǒng)的鏈傳動系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)。即切向沖擊與徑向沖擊不同時發(fā)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(qū)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(xù)鑄造機組輸送鏈系統(tǒng)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(xiàn)用的輸送鏈系統(tǒng)鏈條滾子半徑R0=35?mm，而齒溝圓弧半徑R1=35.23?mm?。

現(xiàn)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(zhì)量?，pc為?鏈條節(jié)距，z為鏈輪齒數(shù)?，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(shù)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(xiàn)行的30?t/h鋁錠連續(xù)鑄造機組主動鏈輪：

對現(xiàn)行的30?t/h鋁錠連續(xù)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(xù)鑄造機的主從鏈輪嚙合壓力角修形提供一定的方向。

3　結(jié)論

影響輸送鏈運行穩(wěn)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(xù)鑄造機輸送鏈鏈傳動振動來源的基礎(chǔ)上，本文給出了對一些鏈輪齒形修正方法，通過改用弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距，增大齒溝圓半徑以及減小嚙合壓力角，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)的鋁錠的質(zhì)量的目的。

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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(shù).