沉降离心机差速器参数选取与计算_张双江.pdf

沉降离心机差速器参数选取与计算张双江1，2(1 天地 唐山 矿业科技有限公司，河北唐山063012;2 河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北唐山063012)摘要:行星齿轮差速器是卧式沉降过滤式离心机的核心传动部件，差速器的工作性能直接关系到整机工作的可靠性和平稳性，合理选取差速器的参数尤为重要。本文通过分析确定了差速器的传动比，并对齿轮齿数进行了选配设计，计算了差速器的转矩与功率，为结构设计与选型奠定基础。关键词:卧式;沉降;离心机;差速器;传动比中图分类号:TQ05文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02000703卧式螺旋卸料沉降过滤式离心机(以下简称卧式沉降过滤式离心机)在选煤厂中主要用于浮选精煤、浮选尾煤及旋流器底流等的脱水，可替代高频筛降低精煤水分和提高产率，是细煤泥脱水的高效、可靠的回收设备。1 结构与工作原理卧式沉降过滤式离心机结构简图如图 1 所示。1 差速器;2 左轴承座;3 刮料盘;4 转鼓;5 螺旋;6 右轴承座;7 皮带轮;8 入料管;9 三通蝶阀;10 机座图 1卧式沉降过滤式离心机结构简图工作时煤泥水从三通阀经过入料管再通过螺旋内筒上均匀分布的分料口进入到转鼓的柱锥结合处，在离心力作用下粗颗粒被迅速沉降到转鼓内壁，形成沉渣，由于转鼓与螺旋之间存在转速差，转速差由差速器提供，沉渣就被螺旋推着往出料口方向移动，从沉降区经锥段推送至过滤段，在锥段、过滤段脱水后从出料口排到机外，实现沉渣的沉降过滤脱水，未及时沉降的颗粒与水则从转鼓右端面法兰上的溢流口流出转鼓，完成整个工作1。行星齿轮差速器是目前卧式沉降过滤式离心机中复杂而又极为重要的传动部件，行星齿轮差速器性能的好坏直接决定着整个设备的工作性能，因此要设计出结构紧凑、可靠耐用、效率高的差速器必须正确选择差速器类型，精确合理地计算各个参数。差速器类型很多，有摆线针齿行星差速器、渐开线行星齿轮差速器、谐波齿形差速器，及其他采用液力传动装置与电磁制动的传动装置实现差速的差速器。摆线针齿形差速器具有体积小、重量轻、结构紧凑、承载能力高等优点，但由于其要求零件的加工精度高，且差速器润滑散热条件差等缺点，主要应用于中小功率的螺旋卸料离心机。渐开线行星齿轮差速器是目前广泛应用于各种螺旋卸料离心机中的差速器，此差速器结构形式主要有 2KH 型、3K 型、KHV 型三种。而这三种中又以 2KH 型应用最多，由于 2KH 型负荷机构无论是在减速传动还是增速传动中啮合效率较高，且高于转化轮系的效率。因此，本项目中卧式沉降过滤式离心机差速器选用最典型的双级 2KH 型差速器2。2 差速器参数选取与分析2KH 双级差速器工作原理如图 2 所示。设输入轴转速为 1，转鼓转速为 2，螺旋转速为 3，各个齿轮齿数分别为 Za1、Za2、Zb1、Zb2、Zg1、Zg2。图 22KH 型差速器原理图由公式:H2=1Za1Za2+2(Zb1Za2+Za1Zb2+Zb1Zb2)(Za1+Zb1)(Za2+Zb2)(1)7DOI:10.13487/ki.imce.023175且 a1=1，H2=3，b1=2，可得:n=n2n3=n2n11+Zb1Za1()1+Zb2Za2()(2)由式(2)可知通过改变输入转速和行星齿轮差速器内外中心轮的齿数比即可得到所需的转速差。卧式沉降离心机的转差率一般为 18%25%，在大型沉降过滤式离心机研制中，增大转差率有利于提高处理能力，推料转矩减少，行星齿轮差速器受力情况改善。因此，在保证物料有足够停留时间的前提下，增大转鼓差速 n，减少推料转矩 M3。本项目离心机转鼓最高转速为 n2=600r/min，在此选取转差率 a=25%，求出转速差:n=n2a=60025%=15r/min沉降过滤式离心机差速器中太阳轮 a1 固定，所以n1=0，可得:1+Zb1Za1()1+Zb2Za2()=40(3)卧式沉降过滤式离心机差速器设计中总传动比在2050 之间时，低速级传动比 ib2a2H2取值在 33 62 之间，现暂取 ib2a2H2=5。由式(3)利用最小公约数原理确定传动比分配方案暂取Zb1Za1=7，Zb2Za2=4。在行星轮系中各齿轮的齿数选配需要满足四个条件，即:尽可能地实现给定传动比。均布安装条件Za+Zbk为整数，在此选行星轮个数k=3。保证满足同心条件，在行星齿轮系中内外齿轮几何尺寸相差较大，为了使内外齿轮在啮合过程中尽可能达到等强度采用角度变位或高度变位修正，采用等变位原理时各齿数必须满足如下条件 Zb=Za+2Zg。保证满足邻接条件(Za+Zg)sin180k()Zg+2h*a差速器在设计过程中要求结构尽可能紧凑，而差速器的几何尺寸与齿轮的大小有直接关系，齿轮的大小直接决定差速器的大小。齿轮齿数越多，模数越大则齿轮几何尺寸越大，但齿轮齿数过少则导致重合度下降，本项目沉降离心机差速器中齿数选取时先确定太阳轮 a1 的齿数。因 a1 为中心太阳轮，齿数不宜取大值，一般不超过 20，现取 Za1=16，同时考虑行星齿轮差速器中齿轮选配的四个条件可确定 Zb1=110，Zg1=47;同理取 Za2=15 可确定 Zb2=63，Zg2=24;行星轮个数 k=3。因此，最终Zb1Za1=6875，Zb2Za2=421+Zb1Za1()1+Zb2Za2()=(1+6875)(1+42)=4095n=n1n2=n21+Zb1Za1()1+Zb2Za2()=600(1+6875)(1+42)=1465r/min行星齿轮差速器作为大型沉降过滤式离心机的核心传动部件，在设计中需要重点考虑以下几个方面4:差速器的设计除满足转速、差转速的要求外，需根据载荷的性质差异，进行单级传动比的分配、齿数和齿轮强度等的设计计算。设计中力求使两级行星传动载荷趋于均衡。行星传动随着行星轮数的增加，载荷沿行星轮齿向和各行星轮均匀分配就成为能否发挥行星传动优越性的关键问题。因零部件在制造装配中不可避免地存在制造误差、装配误差等现象及零件在负荷作用下引起变形，均会致使中心轮偏移，造成不等的齿侧间隙，载荷在多个行星轮间分配不均。均载机构在行星轮受力不均衡时能自动调位补偿误差，达到行星轮间受力均衡和功率均匀分流的目的。因此，均载机构设计时，在低速级中用双联齿轮联轴节实现太阳轮 a2 浮动。高速级系杆 H1 浮动，并于高速级行星轮轴承为无多余约束的浮动机构能较好地实现均载。齿轮的设计中为改善啮合性能，提高承载能力，用减少行星轮齿数的方法修正齿数，决定变位系数，外啮合用大啮合角，一般取值在 2427保持或减少内啮合角的方法修正。低速级处啮合用正传动，啮合角 2425，啮合角增大，齿厚增加，提高其承载能力。同时，还基于行星传动中，基本构件(太阳轮、内齿轮、行星架)轴承受的总径向负荷等于零。这样，增大啮合角，但并不增加轴承的径向负荷。低速级内啮合用负传动，啮合角 192，这样一方面是为了凑中心距，但更主要的是在行星传动中，内啮合较外啮合强度富裕。这种修正结果，提高了外啮合齿轮承载能力，改善啮合性能。而使内外啮合趋于等强度，达到提高单级行星传动承载能力的目的。制造工艺中，齿轮均渗碳淬火或氮化处理，外齿精度 6 级，材质 20CrMnTi，这样齿轮尺寸较小，有利于8实现硬齿面、高精度，而硬齿面、高精度的结果提高了齿轮的承载能力。同时，本项目差速器属于重负荷工作，齿轮处于高压边界润滑状态，为提高重载齿轮传动抗点蚀和抗胶合能力，齿轮润滑油选用中负荷工业齿轮油润滑，并有独自的水冷强迫循环润滑系统。3 推料转矩与功率计算沉降过滤式离心机差速器的输出转矩等于螺旋推料转矩，而螺旋推料转矩包含沉降段转矩、过滤段转矩及锥段转矩，它是与转鼓参数、螺旋参数有关的量，本项目转鼓结构如图 3 所示5。图 3转鼓结构示意由公式 M螺旋=M沉+M过+M锥，M推=M沉+M过+M锥=60G2Sn16f12沉L沉tg(沉+2)+f12过L过tg(过+2)+2平L锥tg(锥+2)(sin+f1cos)式中:G=139kg/s，=628rad/s，S=360mm，n=1465r/min，f1=0 3，沉=700mm，L沉=696mm，沉=4.68，2=713，过=600mm，L过=725mm，过=546，2=14 04，平=650mm，L锥=479mm，锥=5 07，=12。计算可得:M螺旋=41679Nm。螺旋推料功率，转矩与转速差 n 关系如下:N推=Mn9550=95504167914659550=64kW式中:M螺旋推料转矩，Nm;N推推料功率，kW;n转鼓、螺旋之间的转速差，r/min。4 差速器功率计算由以上齿轮参数可算出 iH1a1b1=6875，iH2a2b2=42，ib2a1H2=ib1a1H1*ib1a2H2=4095，ia1b2H2=(iH2a2b21)(1iH1b1a1)iH2a2b2(1iH1b1a1)1=1025，ia1H2b2=1ia1b2H2=0976。螺旋滞后转鼓的差速器功率损失公式:Nf=Ni(ib2a1H21)(1a1b2H2)式中:Ni表示螺旋推料功率，kW。b2H2a1=H1H1(1iH1a1b1)(1iH2a2b2)(H1iH1a1b1)(H2iH2a2b2)=097式中，H1，H2分别为转臂固定时两级转化机构齿轮传动的啮合效率;而转臂固定时两级转化机构齿轮传动的啮合效率由公式:Hm=123f1Za+1Zg()式中，摩擦系数 f 推荐值为 00601，取 f=0.08，得出 H1=0985，H2=098，由此可得出，a1b2H2=ib2a1H21ib2a1H2b2H2a1=0999。本项目中卧式沉降螺旋卸料离心机的螺旋推料功率 N推=64kW，因此损失功率Nf=Ni(ib2a1H21)(1a1b2H2)=64(40951)(10999)=256kW差速器的设计功率为:N总=N推+Nf=64+256=6656kW5 结语卧式沉降过滤式离心机差速器作为核心部件，对设备良好运行起到关键作用。本文分析差速器齿轮的选配方法、设计要点及计算推料转矩与功率，可为差速器的后续结构设计提供依据，也能为差速器的选型提供参考。参考文献:1 李春杰，高广贺范各庄选煤厂煤泥水处理系统技术改造实践 J 选煤技术，2017(06):3336 2 刘锋，赵晴，朱宏政淮北选煤厂芦岭分厂浮选精煤高效降水实践 J 选煤技术，2021(03):6164 3 蒋斌斌，魏汝晖，刘力豪沉降过滤离心机在范各庄选煤厂浮选精煤脱水系统的应用探讨J 煤炭加工与综合利用，2016(05):3032+35 4 张展，张弘松，张晓维行星差动传动装置M 北京:机械工业出版社，2008 5 孙启才，金鼎伍离心机原理结构与设计计算M 北京:机械工业出版社，1987基金项目:北京华宇工程有限公司“科技项目”BJHYBJTS()(1)(2021)18。作者简介:张双江(1983)，男，浙江金华人，硕士，副研究员，从事离心脱水设备的研究与开发工作。9