諸葛敏
(廣西美斯達(dá)工程機(jī)械設(shè)備有限公司,廣西 南寧 530003)
傳統(tǒng)振動(dòng)篩在激振力的作用下,篩面的運(yùn)行軌跡有直線、圓和橢圓三種。直線軌跡振動(dòng)篩具有較強(qiáng)的輸送能力,處理量大,但容易產(chǎn)生堵孔現(xiàn)象。圓軌跡振動(dòng)篩的物料分層效果較好,不易產(chǎn)生堵孔現(xiàn)象,但輸送效率較低,需要較大的安裝傾角,而傾斜篩面使篩網(wǎng)的有效開口變小,導(dǎo)致有效篩分面積也變小,所以同樣的篩分產(chǎn)量,傾斜篩面需要更大面積的篩網(wǎng),從而帶來了更高的制作成本。橢圓軌跡振動(dòng)篩同時(shí)具有圓軌跡振動(dòng)篩和直線軌跡振動(dòng)篩的優(yōu)點(diǎn),既有直線運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)篩傳輸量大的特點(diǎn),也有圓形運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)篩物料層分散效果好,不易產(chǎn)生堵孔的特點(diǎn)[1]。砂石顆粒在橢圓軌跡振動(dòng)篩的篩分面上既具有較好的料層松散效果,又可獲得較高的輸送速度,能夠有效地提高振動(dòng)篩產(chǎn)量和篩分質(zhì)量,所以橢圓軌跡振動(dòng)篩在砂石破碎篩分領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
隨著砂石破碎篩分生產(chǎn)線逐步大型化和高效化,傳統(tǒng)圓軌跡振動(dòng)篩和直線軌跡振動(dòng)篩已無法滿足大型砂石破碎篩分生產(chǎn)線的產(chǎn)量和篩分質(zhì)量要求。因此,國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備廠家陸續(xù)開發(fā)了具有振動(dòng)強(qiáng)度大、篩分效率高、處理量大的橢圓軌跡振動(dòng)篩[2]。生產(chǎn)實(shí)踐證明,在保證相同篩分效率的情況下,橢圓振動(dòng)篩的產(chǎn)量可以提高30%左右;在相同處理量的條件下,篩分效率明顯提高,可以達(dá)到90%以上[3]。因此,研究和改進(jìn)橢圓軌跡振動(dòng)篩具有重要意義。
目前,在礦石的破碎篩分領(lǐng)域,振動(dòng)篩激振器的結(jié)構(gòu)形式較為豐富,在煤礦、砂石篩分中得到了有效的應(yīng)用,結(jié)合大型的振動(dòng)篩運(yùn)行而言,在激振器上主要使用箱式激振器,該激振器大體可以分為左右箱包容結(jié)構(gòu)和偏心塊外置結(jié)構(gòu)[4]。如圖1、圖2 所示,三軸橢圓振動(dòng)篩的激振器采用左右箱包容結(jié)構(gòu),由三根平行并列的傳動(dòng)軸系組成,傳動(dòng)軸的兩端分別是激振器的驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端,驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端分別用箱體包容密封,安裝于振動(dòng)篩篩體的左右兩側(cè)。位于激振器驅(qū)動(dòng)端箱體的每一根傳動(dòng)軸分別裝有一個(gè)齒輪,3 個(gè)齒輪具有相同的模數(shù)、齒數(shù)和厚度,其中2#齒輪分別與1#、3#齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)。當(dāng)對其中任意一根傳動(dòng)軸施加扭矩,依靠齒輪傳動(dòng)傳遞扭矩的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)三根傳動(dòng)軸的強(qiáng)迫同步[5]。在每一個(gè)齒輪組件上裝配有重量和半徑相等,外形尺寸相同的偏心塊,1#齒輪和3#齒輪偏心塊的安裝角度相同,與2#齒輪偏心塊形成一個(gè)夾角。激振器從動(dòng)端的箱體內(nèi)的軸端上裝配有與驅(qū)動(dòng)側(cè)相同的偏心塊,但沒有齒輪。通過電機(jī)或液壓馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)其中任意一根傳動(dòng)軸,可帶動(dòng)3 個(gè)齒輪以1∶1 的轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)三根軸以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相同大小的激振力。三根軸同步旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生激振力的方向是實(shí)時(shí)變化的,轉(zhuǎn)動(dòng)到某些角度時(shí),它們的激振力或相互疊加,或相互抵消。當(dāng)3 個(gè)偏心塊的激振力角度完全相同時(shí),振動(dòng)篩的合激振力最大,振幅最大;當(dāng)2#偏心塊與1#、3#偏心塊的激振力角度完全相反時(shí),振動(dòng)篩的合激振力最小,振幅最小。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)際測試結(jié)果,上述結(jié)構(gòu)的激振器可驅(qū)動(dòng)振動(dòng)篩產(chǎn)生橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。砂石顆粒以此運(yùn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力,在篩面上隨振動(dòng)篩不斷產(chǎn)生拋擲運(yùn)動(dòng),在拋起松散分層的同時(shí)向前運(yùn)動(dòng),周而復(fù)始地完成砂石顆粒粒度分級和向前輸送的過程。
圖1 激振器正面示意
圖2 激振器剖面示意
通過調(diào)整2 #齒輪偏心塊相對1 #、3#齒輪偏心塊的相對角度,可調(diào)整振動(dòng)篩橢圓軌跡的振動(dòng)方向角。通過調(diào)整每組偏心塊上裝配的配重銷重量,可調(diào)整振動(dòng)篩的振幅。通過調(diào)整電機(jī)或液壓馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速,可調(diào)整振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率。在實(shí)際工程應(yīng)用中,可根據(jù)實(shí)際工況需求對整振動(dòng)篩的激振角度、振幅和頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
在齒輪傳動(dòng)中,相嚙合的齒輪必定要有足夠的側(cè)隙,以保證齒輪的非工作齒面不會(huì)相互接觸。在一個(gè)已定的嚙合中,側(cè)隙在運(yùn)行中受速度、溫度、負(fù)載等的變動(dòng)而變化。在靜態(tài)可測量的條件下,必須有足夠的側(cè)隙,以保證在帶負(fù)載運(yùn)行于最不利的工作條件下仍有足夠的側(cè)隙,側(cè)隙需要的量與齒輪的大小、精度、安裝和應(yīng)用情況相關(guān)。通常情況下,最大側(cè)隙并不影響傳遞運(yùn)動(dòng)的性能和平穩(wěn)性,在很多應(yīng)用場合,允許用較寬的齒厚公差或工作側(cè)隙,這樣做不會(huì)影響齒輪的性能和承載能力,卻可以獲得較經(jīng)濟(jì)的制造成本。側(cè)隙是由一對齒輪運(yùn)行時(shí)的中心距以及每個(gè)齒輪的實(shí)效齒厚度所控制的,最小側(cè)隙不應(yīng)為零或負(fù)值[6]。嚙合齒輪的最小側(cè)隙和最大側(cè)隙可通過計(jì)算、查表或?qū)嶋H使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。
三軸橢圓軌跡振動(dòng)篩具有高振幅、高跳動(dòng)和大變形等特點(diǎn),相對于直線軌跡振動(dòng)篩和圓軌跡振動(dòng)篩而言,三軸橢圓振動(dòng)篩具有更高的振動(dòng)強(qiáng)度(約6 g)[2],這給齒輪的嚙合精度要求帶來了較大挑戰(zhàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于振動(dòng)篩的箱體尺寸較大,為了降低生產(chǎn)成本,機(jī)體上用于配合固定軸承座的機(jī)體一般在板材激光下料、焊接成型后就不再做機(jī)械加工,受激光下料精度、板材平面度、焊接變形、齒輪加工精度等諸多不利因素影響后,嚙合齒輪中心距難以控制,導(dǎo)致嚙合齒輪的側(cè)隙過小或過大。由于存在不合適的齒輪側(cè)隙,振動(dòng)篩在使用后,極易出現(xiàn)齒輪磨損,齒輪異響,齒輪溫度過高,潤滑油溫過高等問題。嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)潤滑油變質(zhì)失去流動(dòng)性、齒面燒結(jié)、輪齒折斷等故障,最終導(dǎo)致設(shè)備大修,嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營。所以在保證齒輪加工精度的前提下,齒輪嚙合的中心距和側(cè)隙的精度控制極其重要。
原有結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了大量相關(guān)故障,說明原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在明顯的不足,其根源就是齒輪嚙合精度不足,且安裝后無法做相應(yīng)的尺寸調(diào)整。基于原有技術(shù)方案,在不大幅度更改結(jié)構(gòu)和提高成本的原則下,通過改進(jìn)軸承座的結(jié)構(gòu),引入軸承座偏心設(shè)計(jì)的理念,對嚙合齒輪的累積誤差進(jìn)行一次性補(bǔ)償。如圖2,圖3 所示,齒輪和偏心塊通過軸承安裝在軸承座的錐面上,軸承座通過法蘭面的螺栓孔安裝在機(jī)體上,軸承座的螺栓孔均布,每兩個(gè)相鄰螺栓孔的夾角為22.5°,軸承座可以按22.5°的倍數(shù)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后安裝在同一機(jī)體上。如圖3 所示,設(shè)計(jì)一偏心軸承座,其錐面中心線和螺栓孔分度圓中心線偏心距為b,通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸承座即可改變嚙合齒輪的中心距,從而達(dá)到調(diào)整齒輪側(cè)隙的目的。
圖3 偏心軸承座示意
如圖4 所示,初始安裝完成后,三個(gè)軸承座的鋼印“E”均位于正上方,針對1# 齒輪和2# 齒輪的嚙合,首先轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸,使其齒輪接觸面緊密接觸,然后用塞尺測量齒輪非接觸面的側(cè)隙,如果側(cè)隙不符合預(yù)設(shè)值范圍,可按需轉(zhuǎn)動(dòng)1#軸承座,逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1#軸承座時(shí),1#齒輪和2#齒輪的中心距變大,齒輪側(cè)隙變大;順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1#軸承座時(shí),1#齒輪和2#齒輪的中心距變小,齒輪側(cè)隙變小。以此類推,針對3#齒輪和2#齒輪的嚙合,可用同樣的方法調(diào)整嚙合齒輪側(cè)隙。無論如何調(diào)整,2#軸承座的鋼印“E”均位于正上方不變。
圖4 側(cè)隙調(diào)整示意圖
如圖5 所示,O1為1#齒輪初始中心點(diǎn),O2為2#齒輪中心點(diǎn),O1’為1#齒輪調(diào)整后中心點(diǎn)位置,根據(jù)幾何三角函數(shù)和勾股定理推算,可得出以下計(jì)算公式:
圖5 數(shù)學(xué)模型示意
式中:a表示初始中心距,a’表示調(diào)整中心距,Δa表示中心距調(diào)整量,b表示偏心軸承座的偏心距,α表示調(diào)整夾角。
將表1 中的設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式(1)(2)(3)(4)計(jì)算,并通過實(shí)際操作測量不同旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的齒輪側(cè)隙變化量,可得出偏心軸承座不同旋轉(zhuǎn)夾角,對應(yīng)齒輪中心距調(diào)整量Δa和齒輪側(cè)隙的調(diào)整量Δj,結(jié)果如表2 所示。
表1 激振器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)
表2 計(jì)算和實(shí)際測量結(jié)果
根據(jù)以上研究分析得出的結(jié)論,改進(jìn)了三軸橢圓振動(dòng)篩激振器的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)裝配工藝,在試驗(yàn)場反復(fù)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)過程中,激振器并未出現(xiàn)異響或高溫等異常情況,并且振動(dòng)篩各項(xiàng)性能指標(biāo)與改進(jìn)前相同,可靠性試驗(yàn)結(jié)束后,拆機(jī)檢查并未發(fā)現(xiàn)有齒輪磨損、軸承磨損,螺栓松動(dòng)、潤滑油變質(zhì)等不良現(xiàn)象,達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果。后來正式將這一結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證,通過對某砂石料場三軸橢圓振動(dòng)篩激振器技改后,連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行至今,激振器未出相關(guān)異?,F(xiàn)象。目前這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)全面推廣在相關(guān)產(chǎn)品上,解決了齒輪易磨損和潤滑油過早變質(zhì)等問題,并且受這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路的啟發(fā),橫向推廣解決了一些其他應(yīng)用場合齒輪嚙合精度不足引起的問題。
通過對三軸橢圓振動(dòng)篩激振器軸承座的優(yōu)化設(shè)計(jì),引入軸承座偏心設(shè)計(jì)的理念,通過旋轉(zhuǎn)軸承座調(diào)整嚙合齒輪的中心距,使嚙合齒輪的側(cè)隙滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后的振動(dòng)篩運(yùn)行安全可靠,使用效果良好,降低了更換齒輪和潤滑油引起的停機(jī)概率,大幅提高了設(shè)備使用率,帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)這一技術(shù)難題出現(xiàn)時(shí),傳統(tǒng)的做法是提高齒輪材質(zhì)硬度和加工精度,提升激振器結(jié)構(gòu)件制造精度,提升油品質(zhì)量,雖然某種程度上也能解決問題,但是同時(shí)也大量提高了制作難度和制作成本。通過摒棄傳統(tǒng)觀念,對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度研究和分析,在不大幅度修改原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,巧妙地利用偏心軸承座旋轉(zhuǎn)帶來的尺寸變動(dòng),調(diào)整齒輪中心距,各結(jié)構(gòu)安裝誤差一次性補(bǔ)償制作誤差。低成本、高效率地解決了激振箱齒輪嚙合精度問題。
這種升級結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、安全可靠等特點(diǎn)。對工作人員技能要求不高,且現(xiàn)場維護(hù)非常方便,具有較強(qiáng)的操作性和推廣性,可廣泛應(yīng)用于多軸齒輪傳動(dòng)的設(shè)備的設(shè)計(jì)。特別對具有高振動(dòng)、高跳動(dòng)、高形變,惡劣狀況運(yùn)行下的振動(dòng)篩分設(shè)備有很好的效果,同時(shí)也為其他類型設(shè)備相似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了借鑒和思路。