張華兵，蔣萍，馮海華，汪海艷

鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)方式分析

張華兵，蔣萍，馮海華，汪海艷

（天奇自動(dòng)化工程股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

文章介紹了兩種鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，并對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置中的軸分別進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示電機(jī)直接與萬(wàn)向聯(lián)軸器連接的傳動(dòng)方式明顯好于電機(jī)與鏈傳動(dòng)連接的傳動(dòng)方式，前者在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度條件的前提下同時(shí)降低了經(jīng)濟(jì)成本。

鏈傳動(dòng)；驅(qū)動(dòng)裝置；有限元分析；經(jīng)濟(jì)成本

引言

鏈傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)中運(yùn)用非常廣泛，而驅(qū)動(dòng)軸是連接鏈傳動(dòng)的重要零件，一旦軸出現(xiàn)斷裂，設(shè)備就會(huì)停工，因而有必要對(duì)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中的軸進(jìn)行分析校核[1-2]。隨著精益化的發(fā)展，粗大笨重的機(jī)械逐漸被淘汰，因而在保證驅(qū)動(dòng)軸強(qiáng)度的條件下，考慮進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)裝置，降低成本，就顯得十分必要了。

1 兩種驅(qū)動(dòng)裝置介紹

鏈輪齒面一般均需要經(jīng)過(guò)熱處理，所以鏈輪齒有一定的接觸強(qiáng)度和耐磨性。一組鏈輪中，相配合的小鏈輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)要多，受沖擊也多，故材質(zhì)會(huì)優(yōu)于大鏈輪。從形狀上看，小直徑鏈輪一般是實(shí)心的，中等直徑以上的鏈輪為了減輕重量等可制成帶工藝孔的型式。

鏈傳動(dòng)根據(jù)用途不同可分為傳動(dòng)鏈、牽引鏈和起重鏈三種。傳動(dòng)鏈最常見(jiàn)，分滾子鏈和齒形鏈兩種。相對(duì)于齒形鏈，套筒滾子鏈運(yùn)動(dòng)精度要低一點(diǎn)，但是重量輕、成本低、壽命也長(zhǎng)，應(yīng)用更為廣泛。

鏈傳動(dòng)相對(duì)于帶傳動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)打滑和彈性滑動(dòng)，且張緊力小，但是潤(rùn)滑不及時(shí)或長(zhǎng)期有臟油潤(rùn)滑，鏈輪和鏈條會(huì)磨損，所以后期保養(yǎng)很重要。鏈傳動(dòng)瞬時(shí)速度是波動(dòng)的，工作時(shí)噪聲較大，但平均傳動(dòng)比穩(wěn)定、承載能力大，因而常常用于機(jī)床工業(yè)、交通運(yùn)輸、汽車(chē)生產(chǎn)輸送系統(tǒng)等領(lǐng)域[3]。

圖1所示鋼板鏈驅(qū)動(dòng)裝置A由減速電機(jī)、傳動(dòng)鏈輪、套筒滾子鏈條、主動(dòng)鏈輪、驅(qū)動(dòng)軸和兩側(cè)的軸承座組成，一般用于寬度方向空間不夠的情況。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)端的鏈輪選用小鏈輪（為了傳動(dòng)平穩(wěn)，小鏈輪齒數(shù)不能低于17個(gè)），驅(qū)動(dòng)軸側(cè)的鏈輪為大鏈輪；當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，兩側(cè)的鏈輪直徑和齒數(shù)均相同。從圖中可知，該鋼板鏈驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)鏈?zhǔn)侨沛?，?qū)動(dòng)軸上的主動(dòng)鏈輪是4排鏈。鏈的排數(shù)多少與承載能力有關(guān)，當(dāng)傳遞功率大，鏈排數(shù)越多，然而相應(yīng)的安裝精度也越高。當(dāng)鏈條鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，要有一個(gè)過(guò)渡鏈節(jié)銜接，對(duì)繁重的工況不推薦是使用過(guò)渡鏈節(jié)，因而鏈節(jié)數(shù)一般為偶數(shù)。

圖1 鋼板鏈驅(qū)動(dòng)裝置A

圖2所示鋼板鏈驅(qū)動(dòng)裝置B由減速電機(jī)、萬(wàn)向聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)軸、主動(dòng)鏈輪和兩側(cè)的軸承座組成。萬(wàn)向聯(lián)軸器用于傳遞不同軸之間的扭矩，尤其在重載傳動(dòng)中，萬(wàn)向聯(lián)軸器還有減震、緩沖、提高驅(qū)動(dòng)軸和電機(jī)軸使用壽命的作用。聯(lián)軸器按連接軸的相對(duì)位置，可分為固定式和可移式聯(lián)軸器。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用在兩軸對(duì)中且不發(fā)生位移的情況，兩軸轉(zhuǎn)速也保持相同，例如凸緣聯(lián)軸器。可移式聯(lián)軸器一般用于兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有相對(duì)位移的情況，通過(guò)補(bǔ)償位移的方法實(shí)現(xiàn)兩軸協(xié)調(diào)一致，如限于小角度位移及平行位移的十字溝槽聯(lián)軸器和可用于大角度位移的萬(wàn)向聯(lián)軸器等[4]。

圖2 鋼板鏈驅(qū)動(dòng)裝置B

圖1和圖2對(duì)比可知，除了電機(jī)端傳動(dòng)形式不一致，主動(dòng)鏈輪等均一致，承載也一樣。以某汽車(chē)廠總裝車(chē)間最終裝配輸送機(jī)項(xiàng)目為實(shí)例，鋼板鏈全長(zhǎng)31個(gè)工位，每個(gè)工位載重（車(chē)身）3520Kg+裝配人工重量200Kg。另外驅(qū)動(dòng)裝置B比驅(qū)動(dòng)裝置A占用橫向位置多一些。

2 兩種驅(qū)動(dòng)裝置受力分析

從圖3可知，滾子鏈不像齒形鏈，嚙合是不穩(wěn)定的[5]，從開(kāi)始嚙合到完全嚙合狀態(tài)，滾子鏈與鏈輪的接觸位置不固定的，因而瞬時(shí)傳動(dòng)速度不斷變化[6-8]。此外滾子鏈和鏈輪之間接觸時(shí)間久了鏈條會(huì)伸長(zhǎng)，所以后續(xù)維護(hù)也很重要，保證及時(shí)潤(rùn)滑，當(dāng)鏈條伸長(zhǎng)超過(guò)3%時(shí)，就要重新更換鏈條了，以免引起其他重要零件的損壞，造成停工停產(chǎn)等。

圖3 滾子鏈嚙合狀態(tài)

直接計(jì)算鏈傳動(dòng)是比較困難的，而有限元分析法是用簡(jiǎn)化的模型求解近似值，能適應(yīng)很多復(fù)雜模型，且計(jì)算精度高，常被用來(lái)模擬各種工程實(shí)例。本文運(yùn)用ANSYS對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置A和B的軸，分別進(jìn)行有限元分析。用solid185單元模擬實(shí)體單元，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷后獲得如圖4-7結(jié)果。可知直徑為220mm的驅(qū)動(dòng)軸A的最大應(yīng)力為189MPa，位于左側(cè)主動(dòng)鏈輪和軸承座之間，軸的材質(zhì)是40Cr，調(diào)質(zhì)處理后屈服強(qiáng)度為500 MPa；驅(qū)動(dòng)軸的最大變形是3.2mm，位于主動(dòng)鏈輪之間，兩軸承座的間距為3509mm，對(duì)于重要的軸，軸的許用撓度約為總長(zhǎng)的1/1000約3.5mm，所以從分析結(jié)果來(lái)看驅(qū)動(dòng)軸滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求。另外，主動(dòng)鏈輪受到從動(dòng)鏈輪的牽引及鋼板鏈上面承載物的作用，驅(qū)動(dòng)軸向一側(cè)受力變形，和實(shí)際情況一致。

圖4 驅(qū)動(dòng)軸A應(yīng)力云圖

圖5 驅(qū)動(dòng)軸A變形云圖

圖6 驅(qū)動(dòng)軸B應(yīng)力云圖

驅(qū)動(dòng)裝置B分析后得直徑為200mm的軸位于左側(cè)主動(dòng)鏈輪和軸承座之間的最大應(yīng)力為181 MPa，位于主動(dòng)鏈輪之間最大變形是3.5mm，和屈服強(qiáng)度和許用撓度相比，驅(qū)動(dòng)軸也滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求。從上述分析結(jié)果，可得兩種驅(qū)動(dòng)裝置相應(yīng)的最小軸承座和漲緊套型號(hào)，如表1，驅(qū)動(dòng)軸A的直徑是220mm，對(duì)應(yīng)的軸承座是SNL_3048_23048K，漲緊套為BIKON 2006 220x290；驅(qū)動(dòng)軸B的直徑是200mm，軸承座和漲緊套可以選小一號(hào)，分別為SNL_3044_23044K和BIKON 2006 200x270。此外，減速電機(jī)那邊的鏈傳動(dòng)比萬(wàn)向聯(lián)軸器價(jià)格也貴一些，因而驅(qū)動(dòng)裝置B更經(jīng)濟(jì)可靠，節(jié)約成本。

圖7 驅(qū)動(dòng)軸B變形云圖

表1 兩種驅(qū)動(dòng)裝置軸承座和漲緊套選型對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了兩種不同形式的鏈傳動(dòng)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)方式，對(duì)比了空間結(jié)構(gòu)上的差異，可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。在空間條件寬裕的情況下，結(jié)合有限元分析得，萬(wàn)向聯(lián)軸器連接的鏈傳動(dòng)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選用的漲緊套和軸承座均小一號(hào)，且鏈傳動(dòng)比萬(wàn)向聯(lián)軸器的成本高一點(diǎn)，因而在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的條件下，優(yōu)先選擇萬(wàn)向聯(lián)軸器連接電機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸。

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Analysis on Transmission Modes of the Chain Conveyor Drive Device

Zhang Huabing, Jiang Ping, Feng Haihua, Wang Haiyan

( Miracle Automation Engineering Co., Ltd, Jiangsu Wuxi 214000 )

This paper introduces the driving devices of two kinds of chain conveyor, and makes finite element analysis of the shaft in the driving devices respectively. It shows that the motor connected directly with the universal coupling is obviously better than the motor connected with the chain drive, which not only meets the strength and stiffness conditions, but also reduces the economic cost.

Chain drive; Driving device; Finite element analysis; Economic cost

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.033

TH132

A

1671-7988(2021)06-108-03

TH132

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張華兵（1977-），男，高級(jí)工程師，就職于天奇自動(dòng)化工程股份有限公司，主要研究方向是智能裝備設(shè)計(jì)。