同步齿轮对分级破碎机转速影响的动态研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202002027 收稿日期 2019-03-21 作者简介 潘永泰1972, 男, 河北雄县人, 研究员, 博士生导师, 从事矿物与城市固废解离与资源化技术与装备的 研究, E-mail pan_ yongtai 126. com。 引用格式 潘永泰, 白 鹏, 李泽魁, 等. 同步齿轮对分级破碎机转速影响的动态研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 522 126-130. 同步齿轮对分级破碎机转速影响的动态研究 潘永泰1,5, 白 鹏1,5, 李泽魁1,5, 郭 庆1,5, 魏英华2, 刘文昌3, 曲占江4, 周 莉4 1. 中国矿业大学北京, 北京 100083; 2. 神华宁夏煤业集团有限责任公司 太西洗煤厂, 宁夏 石嘴山 753000; 3. 阳泉煤业集团股份有限公司, 山西 阳泉 045000; 4. 泰伯克天津机械设备有限公司, 天津 301712; 5. 中国矿业大学北京 矿山与城市固废资源化工程研究中心, 北京 100083 摘 要 为研究增加同步齿轮结构对分级破碎机齿辊转速的作用影响, 文章对工业现场同步齿 轮机构改造前后的两台分级破碎机齿辊转速进行对比测试, 提出并计算了能够表征齿辊转速稳定性 和同步性的相关系数; 后运用高速摄影技术探究同步状态下齿轮机构的运动规律。 结果表明 分级 破碎机同步齿轮机构的应用起到了优化齿辊转速同步性和稳定性的作用。 关键词 分级破碎机; 转速; 同步齿轮; 稳定性; 同步性; 高速摄影 中图分类号 TD451 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202002-0126-05 Dynamic research on the effect of synchronized gear on rotational speed of sizing crusher PAN Yong-tai1,5, BAI Peng1,5, LI Ze-kui1,5, GUO Qing1,5, WEI Ying-hua2, LIU Wen-chang3, QU Zhan-jiang4, ZHOU Li4 1. China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Taixi Coal Preparation Plant, Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. , Ltd. , Shizuishan 753000, China; 3. Yangquan Coal Industry Group Co. , Ltd. , Yangquan 045000, China; 4. Top Crusher Mechanical Equipment Technology Co. , Ltd. , Tianjin 301712, China; 5. Engineering Research Center for Mine and Municipal Solid Waste Recycling, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract In order to study the effect of synchronous gear structure on the rotational speed of the tooth rollers of the sizing crusher, in this paper, we compared the rotational speed of the tooth rollers of the sizing crusher before and after the transation of the synchronous gear mechanism, put forward and calculated the correlation coefficient which can characterize the rotational speed stability and synchronization of the tooth rollers. Then, high-speed photography technology was used to explore the motion law of the gear mechanism. The results show that the application of synchronous gear mechanism in the sizing crusher can optimize the synchronization and stability of the roll speed of the tooth rollers. Keywords sizing crusher; rotational speed; synchronized gear; stability; synchronicity; high speed photography 分级破碎机是选煤行业的主要破碎设备, 现也 广泛用于固废处理、 建筑垃圾分选等领域。 它具有 使粒度符合要求的物料直接通过, 大块物料强制破 碎的特点, 可以同时达到物料破碎和筛分的双重目 的[1-4]。 常见的大型分级破碎机一般由双电机驱动, 两个工作齿辊的动力及传动部件互不干涉, 独立工 621 第52卷第2期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 2 万方数据 作。 在实际生产过程中, 双电机驱动的分级破碎机 在连续变化的大扭矩工况下工作时, 两齿辊转速会 存在波动, 导致齿辊齿尖对物料的加载不稳定, 在 咬合物料时可能会出现 “退让”“滑差” 等现象。 从而造成破碎过程中物料堵塞、 出料粒度过大、 细 颗粒增多, 影响破碎效果和生产效率。 1 影响分级破碎机齿辊转速变化的因素 分级破碎机的主要结构如图 1 所示。 两台电机 提供输入动力, 减速器将输入的高转速转化为较低 转速, 最终使破碎齿辊实现以低转速, 高扭矩的特 性对物料进行破碎作用。 液力耦合器连接在电机与 减速器之间, 可以起到使破碎机平稳启动、 过载保 护、 隔离振动等作用[5]。 影响分级破碎机转速波动 的原因有两方面, 一方面是其结构部件本身特性的 影响, 另一方面是工作载荷的影响。 图 1 分级破碎机结构示意图 1. 1 机械部件特性的影响 分级破碎机的动力与传动结构中, 减速器与联 轴器为刚性连接, 而电机与液力耦合器的输出转速 会随着所受力矩的变化而发生改变。 1. 1. 1 电机对齿辊转速的影响 分级破碎机的驱动电机一般采用三相异步电机, 其正常工作下的机械特性曲线如图 2 所示。 图 2 三相异步电机的机械特性曲线 图中横坐标 T 为电磁转矩, 纵坐标 n 为电机的 输出转速。 假设负载转矩为 TF, 电机的启动转矩为 TQ, 当 TFTQ时, 电机正常启动, 转子转速会沿着 特性曲线 CB 段上升, 电磁转矩不断增加。 电磁转 矩到达最大值 TMAX后, 开始沿着特性曲线 BA 段减 小, 转速继续增加。 当电磁转矩减小到与负载转矩 TF平衡时, 转速和电磁转矩均不再变化, 电机在 D 点稳定运行 [6,7] 。 电机在 BA 段运行时, 负载减小, 电磁转矩减小, 转子转速会增加; 负载增加, 电磁 转矩增加, 转子转速会减小。 BA 段曲线斜率较小, 说明电机输出转速变化幅度不会过大。 1. 1. 2 液力耦合器对转速的影响 分级破碎机所用液力耦合器通常为限矩型液力 耦合器。 液力耦合器主要由泵轮和涡轮两部分组成, 腔内充满液体。 它的工作过程是 输入轴带动泵轮 旋转, 泵轮工作腔内液体在离心力的作用下, 由半 径较小的入口冲向半径较大的出口处, 此时输入的 机械能转化成泵轮内液体动能; 从泵轮出口处冲出 的液体会进入对面的涡轮, 液体沿着涡轮叶片形成 的流道做向心流动, 此时液体又将动能转化为机械 能, 带动涡轮及负载旋转做功。 因此, 严格来说, 液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性连接 件, 其输出转速不会保持绝对恒定[8,9]。 1. 2 载荷的影响 在实际生产过程中, 破碎机工作时受到的载荷 并非恒定, 而是连续变化的。 由分级破碎机各个部 件的工作特性分析可知, 载荷的变化将直接导致破 碎机转速发生改变。 破碎机所受载荷变化主要受到 以下两方面的影响 1. 2. 1 物料强度的影响 首先, 破碎过程中物料的粒度分布不完全相同。 破碎机在破碎不同粒度的物料时, 所需破碎力的大 小是不同的。 其次, 由裂纹扩展理论[10,11]可知, 物料内部的固有缺陷以及裂纹的数量和大小不同, 物料强度也会不同。 在实际工作中, 被破碎物料群 的整体强度增大, 破碎机转速会有所减小; 物料群 强度减小, 破碎机转速会增大。 1. 2. 2 给料工况的影响 通常待破碎物料会由给料机或者输送带从破碎 机的正上方给入到两齿辊之间, 每个时刻物料流所 包含物料的质量和数量都不会完全相同。 同时物料 下落后与齿辊接触时会发生跳动、 翻滚等情况, 在 破碎腔的分布也具有随机性。 因此破碎齿辊对物料 的加载过程以及所受载荷大小也会发生变化。 通过分析分级破碎机的部件工作特性和所受载 荷工况, 可以得出分级破碎机在实际工作中齿辊转 速会发生变化, 进而对物料的加载稳定性及同步性 721 2020 年第 2 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 会受到影响。 2 分级破碎机强迫同步设计及转速测试 在常用机械传动方式中, 齿轮传动具有传动比 精度高, 效率高, 传动稳定等特点[12]。 为了提高齿 辊转速的稳定性及同步性, 可以将同步齿轮应用在 分级破碎机中, 强迫其转速同步。 基于此设想, 对 工业现场某型号分级破碎机进行同步齿轮机构改造, 改造前后破碎机的齿辊尾部结构对比如图 3 所示。 将带有同步齿轮的分级破碎机在现场进行工业应用 测试, 发现物料破碎效果有明显改善, 破碎产品更 加符合预期要求。 图 3 同步齿轮改造前后齿辊尾部结构对比现场拍摄图 为从机理上分析经同步齿轮改造后分级破碎机 的转速优化效果, 并判断破碎机齿辊转速的稳定性 和同步性, 本文提出了齿辊转速稳定性系数 k1及同 步性系数 k2 稳定性系数 k1主要包含了实际转速与平均转速 差的关系, 可以用来表征齿辊自身转速波动性的大 小, 其计算公式如下 k1 n1- δ n2- δ nN - δ Nω 1 式中, n1, n2, nN代表一段时间内连续测量 的单个齿辊的实际转速; δ 代表齿辊的平均转速; ω 表示齿辊的额定转速; N 为数据个数。 由公式可知, k1越小, 齿辊转速稳定性越强。 同步性系数 k2主要包含了两个齿辊相对转速差 的关系, 可以表征两齿辊转速同步性的优劣, 其计 算公式如下 k2 n1 - μ 1 n2 - μ 2 nN - μ N Nω 2 式中, n1, n2, , nN和 μ1, μ2, μN分别代 表一段时间内连续测量的两齿辊在同一时刻下的实 际转速; ω 表示齿辊的额定转速; N 为数据个数。 由公式可知, k2越小, 两齿辊转速同步性越强。 在现场对改造前后的两台同型号分级破碎机进 行转速对比测试。 根据转速计测量原理, 转速测量 点需选择在部件旋转轴的端面。 未经同步齿轮改造 的破碎机两齿辊转速测点选择在齿辊轴末端平面, 分别标记为 F1、 F2; 经过同步齿轮改造的破碎机两 齿辊转速测点选择在同步齿轮外端面, 分别标记为 T3、 T4。 破碎机带料运行后, 对两台破碎机的工作 齿辊进行转速测量。 由破碎机参数可计算出齿辊额 定转速为 75. 37r/ min。 测量结果以连续测量次数为 横轴, 转速测量值为纵轴进行图像绘制, 并用转速 额定值和平均值做参照。 实验数据绘制图像如图 4 图 4 转速测量结果 所示, 由几组转速曲线图可以直观看出, 该工厂在 实际生产过程中, 破碎机齿辊工作转速的平均值要 821 研究探讨 煤 炭 工 程 2020 年第 2 期 万方数据 高于其额定转速值。 破碎机在工作中的齿辊的瞬时 转速是连续波动的, 带有同步齿轮的齿辊T3、 T4 比不带有同步齿轮的齿辊F1、 F2转速波动性小, 更为平稳。 分别计算改造前后破碎机两齿辊转速的平均值、 以及稳定性系数, 见表 1。 由数据分析可知, 改造 前后的两台破碎机齿辊的转速平均值较为接近, 但 经过同步齿轮改造后的破碎机两齿辊转速稳定性系 数更小, 而未经同步齿轮改造的原破碎机齿辊转速 稳定性系数更大。 这是因为两台破碎机的型号设计 和输入动力是相同的, 并且应用于同一套工业生产 系统中, 因此齿辊转速的总体平均值相近。 同步齿 轮机构的应用减小了齿辊转速的波动性, 从而齿辊 转速稳定性系数的计算值更小。 从齿辊转速稳定性 系数分析可以得出经过同步齿轮改造后的分级破碎 机加载速率稳定性更好。 表 1 齿辊转速平均值及稳定性系数 测点位置平均值/ rmin -1 稳定性系数10 -3 F175. 765442. 832 F275. 76982. 962 T375. 728190. 738 T475. 676041. 281 将两台破碎机两个齿辊的转速差分别绘制成曲 线, 如图 5 所示。 由图像可直观看出, 改造后带有 同步齿轮的分级破碎机齿辊转速差相对更小。 图 5 齿辊的转速差 分别求出两台破碎机齿辊转速的同步性系数, 见表 2。 由计算结果可知, 经过装同步齿轮改造后, 两齿辊转速的同步性系数更小。 说明齿辊转速的同 步性更好, 有助于改善物料的破碎效果。 表 2 齿辊转速同步性系数 参数带有同步齿轮不带有同步齿轮 同步性系数10 -3 1. 2834. 375 3 同步状态下齿轮机构的运动规律 通过以上分析可知, 将同步齿轮应用于分级破 碎机后, 其转速稳定性和同步性都有了明显的优化。 为探究同步状态下齿轮机构的运动规律, 可以运用 高速摄影技术对同步齿轮的工作过程进行拍摄分析。 高速摄影技术是人眼视觉能力在时间分辨能力方面 的延伸, 可以满足对快速运动目标进行图像记录与 分析处理[13,14]。 根据齿辊转速情况, 设置图像拍摄速度为每秒 1400 帧。 当破碎机开始工作后, 运用高速摄像机对 同步齿轮咬合部位进行拍摄, 并保存拍摄结果。 将 拍摄到的齿轮啮合图像进行运动分解分析。 分别在 左右两个齿轮齿尖处标点, 使图像运动 50 帧, 同时 追踪标记点在不同帧照片中的位置。 根据点的移动 距离及每帧图像拍摄的时间间隔, 即可计算出在一 段时间内的不同时刻标记点运动的瞬时线速度, 如 图 6 所示。 通过对比齿轮齿尖的瞬时线速度可以来 分析两个齿轮在一段时间内的分解运动状态。 图 6 同步齿轮齿尖线速度分析轨迹 将两齿轮的齿尖运动瞬时线速度以及线速度差 随时间帧数的变化分别绘制成图像, 如图 7 所示。 由分析可知, 在实际工作中, 两齿轮齿尖的瞬时线 速度总是存在微小速度差, 并交替领先, 而后变为 等速, 总体呈不规律周期性变化。 这说明当一个齿 轮的转速有变快或者变慢的趋势时, 另一齿轮会给 其阻力拖动, 减弱其转速变化的趋势。 通过同步齿 轮的稳定咬合, 不断相互约束, 使齿辊转速的波动 减小, 同步性增强。 921 2020 年第 2 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 图 7 同步齿轮齿尖瞬时线速度及线速度差值 4 结 论 1 为衡量分级破碎机转速的同步性和稳定性, 本文提出了同步性系数和稳定性系数。 经过同步齿 轮机构改造后, 分级破碎机的稳定性系数和同步性 系数更小, 两齿辊转速的同步性和稳定性更好。 2 运用高速摄影技术对同步齿轮的运动规律进 行探究, 可以发现同步齿轮通过稳定咬合, 相互约 束, 优化了齿辊转速的稳定性及同步性。 3 本文仅对同步齿轮机构对齿辊转速的影响进 行了实验与分析。 增加同步齿轮后破碎机电机、 减 速器等部件的受力、 振动变化情况还需进一步研究。 参考文献 [1] 潘永泰, 路迈西, 张日祯. 国内外分级破碎技术的研究 [J]. 选煤技术, 20033 7-9. 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