欒振輝， 張黎明

(安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

粉體輸送計量系統(tǒng)包括粉體喂料機、科里奧利粉體流量計和PLC控制系統(tǒng)三部分，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)流量計的實時流量值調(diào)整喂料機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)粉體輸送計量系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]?？评飱W利粉體流量計是一種高性能的粉體質(zhì)量流量計，在水泥、制藥及石油化工等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2-3]。由于現(xiàn)有的扭矩傳感器動態(tài)性能較低，導(dǎo)致粉體輸送計量系統(tǒng)流量波動較大，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。為了提高粉體輸送計量系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，發(fā)明了一種新型的科氏粉體流量計，以自測扭矩行星減速器取代原流量計中的減速器和扭矩傳感器。文章分析了自測扭矩行星減速器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，建立了三維模型，分析了齒輪傳動的接觸特性[4]。

1 自測扭矩行星減速器

1.1 科氏粉體流量計工作原理

圖1是科氏粉體流量計的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由電機1、減速器2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器3、聯(lián)軸器4及測量盤5等組成。圖2是其工作原理圖。粉體物料從進料口進入，流經(jīng)測量盤5后，最終通過出料口流出流量計。根據(jù)Coriolis原理，粉體的流量為[5]：

(1)

式中:qm為粉體的質(zhì)量流量，kg/s；T為科氏反力矩(測量盤扭矩)，Nm；ω為測量盤角速度，rad/s；R為測量盤半徑，m。

實踐中，由于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的動態(tài)扭矩性能較低，當(dāng)喂料不均勻時，計量系統(tǒng)會產(chǎn)生較大波動。另外，隨著時間的推移，粉塵會進入到傳動軸下端的軸承中，增大了傳動軸的旋轉(zhuǎn)阻力，進而影響流量計的計量準(zhǔn)確度。為了解決上述問題，以自測扭矩行星減速器替代原有的減速器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，可提高流量計的動態(tài)性能。

圖1 科氏粉體流量計結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 自測扭矩行星減速器工作原理

新型科氏粉體流量計及自測扭矩行星減速器的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，其主要由電機1、自測扭矩行星減速器6及測量盤5等組成，測量盤角速度由轉(zhuǎn)速傳感器(圖中未示)測量并顯示。自測扭矩行星減速器主要由中心輪61、內(nèi)齒圈63、行星輪66、輸出軸65、壓電陶瓷力傳感器67、電荷放大器68及信號處理器69等組成。內(nèi)齒圈63處于浮動狀態(tài)，內(nèi)齒圈的外部有一凸塊，殼體64有一缺口，凸塊插入缺口中，凸塊的右側(cè)通過壓電陶瓷力傳感器67與機殼64連接，凸塊左側(cè)有一彈簧與機殼連接，壓電陶瓷力傳感器的輸出端連接電荷放大器68和信號處理器69，用于對輸出信號進行處理，根據(jù)行星傳動理論，給出內(nèi)齒圈與輸入軸、輸出軸的關(guān)系即可。

圖2 科氏粉體流量計原理圖

圖3 新型科氏粉體流量計及自測扭矩行星減速器結(jié)構(gòu)原理

1.電機 6.自測扭矩行星減速器 5.測量盤

61.太陽輪 62.行星架 63.內(nèi)齒圈 64.殼體

65.輸出軸 66.行星輪 67.壓電陶瓷力傳感器

68.電荷放大器 69.信號處理器

2 動力學(xué)分析

2.1 減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

本設(shè)計選用NGW型行星減速器，并采用類比法進行設(shè)計，即按照現(xiàn)有粉體流量計中測量盤的尺寸、扭矩及轉(zhuǎn)速，確定行星減速器輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計算(計算過程略)，各齒輪基本參數(shù)如表1所示。行星減速器中太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈的材料為40Cr，屈服極限是485MPa行星架材料為HT200，屈服極限是235MPa。

表1 減速器各齒輪基本參數(shù)

2.2 模型的建立

按照表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立行星減速器的模型?？紤]到對行星齒輪進行ANSYS仿真分析時的復(fù)雜性，對模型進行了簡化，建立完之后進行裝配得到減速器的三維裝配模型，模型如圖4所示。

圖4 行星減速器模型

3 仿真分析

通過ANSYS的瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析[6]，得到行星輪、中心輪、內(nèi)齒圈和行星架的應(yīng)力分布云圖和部分應(yīng)力變化曲線圖。

3.1 應(yīng)力云圖結(jié)果分析

零件的應(yīng)力云圖如圖5-圖8所示。

圖5 中心輪應(yīng)力云圖

通過應(yīng)力云圖可知，太陽輪最大應(yīng)力分布在齒根周圍，最大應(yīng)力為572.14MPa；行星輪最大應(yīng)力分布在齒根周圍,最大應(yīng)力為322.55MPa；內(nèi)齒圈最大應(yīng)力分布在齒根周圍，最大應(yīng)力值348.46MPa；行星架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與行星輪軸接觸的一側(cè),應(yīng)力值23.296MPa。

3.2 應(yīng)力變化曲線圖結(jié)果分析

各零件的應(yīng)力變化曲線如圖9-圖12所示。

圖6 行星輪應(yīng)力云圖

圖7 內(nèi)齒圈應(yīng)力云圖

圖8 行星架應(yīng)力云圖

圖9 太陽輪應(yīng)力變化曲線

圖10 行星輪應(yīng)力變化曲線

通過應(yīng)力變化曲線圖可知，零件的應(yīng)力峰值不同，其中太陽輪、行星輪及內(nèi)齒圈的應(yīng)力變化具有相似性，都是上下來回波動。相比行星輪、太陽輪和內(nèi)齒圈，行星架的應(yīng)力變化上下波動幅度不是很大，先由小變大，然后趨于平穩(wěn)小幅度波動，而太陽輪和行星輪的應(yīng)力變化相對于內(nèi)齒圈和行星架上下波動很大。

圖11 內(nèi)齒圈應(yīng)力變化曲線

圖12 行星架應(yīng)力變化曲線圖

4 結(jié) 語

按照類比法確定了測量盤的扭矩和轉(zhuǎn)速，以此確定了自測扭矩行星減速器的速比，對行星減速器主要零件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用隱式求解法接觸理論進行了仿真分析，得到應(yīng)力云圖和應(yīng)力變化曲線。結(jié)果表明，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計要求。