履带式牵引机牵引系统的分析与设计

彭红光

(南京艺工电工设备有限公司，江苏南京 211199)

在电线电缆行业中，履带式牵引机广泛应用于电线电缆的生产过程。其作用是在一定的速度下，将电线电缆由生产线放线端平稳拖拽到收线端，并在这个过程中完成电线电缆的表皮包覆、铠装以及绕包等生产工序。以往的履带式牵引机设计工作，大多采用参照法、类比法，容易导致主要性能无法满足，或者局部安全系数过大，造成浪费。因此本文对履带式牵引机的牵引系统进行受力分析，优化设计方案，以提高产品性能，降低设计成本。

1 履带式牵引机整体结构

电线电缆行业中使用的履带式牵引机(以下简称牵引机)一般为平行结构，主要由传动系统、张紧系统、压紧系统、机架、电气控制等部件组成［1］。结构如图1所示。

电机通过联轴器的连接，依次带动变速箱、减速器以及齿轮传动箱后，驱动上下牵引轮旋转，依靠牵引轮与橡胶履带之间的静摩擦力和橡胶履带与电缆表面的静摩擦力的相互作用，带动电缆从左向右(或者从右向左)水平运动。水平方向主牵引力是牵引机的主要性能参数，牵引力的大小受3个因素影响：电机传递给牵引轮的传动牵引力、张紧轮与橡胶履带之间的静摩擦力以及橡胶履带和电缆之间的静摩擦力。以上3种力中，数值最小的一个就是牵引机的有效主牵引力。

图1 牵引机结构示意图

2 牵引系统的设计

牵引机的牵引系统按动力传递顺序依次可分为传动系统、张紧系统和压紧系统。下面对各分系统的设计作简要介绍。

2.1 传动系统的设计

牵引机传动系统如图2所示，电机通过联轴器与变速箱连接，再通过联轴器与减速器连接，最后通过齿轮传动箱将动力传递到牵引轮。

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图2 牵引机传动系统图

设定F为额定主牵引力，P为电机额定功率，n为电机额定转速，Fb为传动牵引力，ib为变速箱相应档位速比，ir为减速器减速比，d为牵引轮直径，ηb为变速箱与其联轴器传动效率，ηr为减速器与其联轴器传动效率，ηg为齿轮箱内的一对斜齿轮传动效率［2］。设计时，要求传动牵引力不小于额定牵引力，即Fb≥F。根据公式

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可得电机功率

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式中：v为牵引速度。

得传动总速比

由此可选择到相近功率的电机型号。另可根据公式

一般情况下，变速箱最大速比不超过6．0，设计时可适当选取，三档或者四档变速为宜，由此也能算出相应的减速器速比。同理，可根据主牵引力F和牵引轮直径尺寸计算出减速器需承载的最大扭矩，从而选到合适规格的减速器。

张紧系统如图3所示，张紧气缸驱动摆臂，实现张紧轮的移动，达到张紧目的。从图4能得出，带传动最大有效拉力Ffmax与带轮张紧力F0、铸铁张紧轮橡胶履带间静摩擦系数f1、包角α的关系为：同时要求2Ffmax≥F。

2.2 张紧系统的设计

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图3 张紧系统示意图

图4 张紧轮受力示意图

从图3可知，带轮张紧力F0与气缸推力FT关系为：

可得式中：LT为气缸推力力臂;L0为带轮张紧力力臂;d1为张紧气缸直径;P为气缸进气压力，一般情况下P值取0．5～0．6MPa为宜。根据以上公式换算可得：

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然后以此为据选择合适规格的压紧气缸。

2.3 压紧系统的设计

压紧系统如图5所示，单个气缸对橡胶履带的推力为

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分别代入4档数据计算可得：

图5 压紧系统示意图

由式(10)、(11)可得

式中：d2为压紧气缸直径;P为气缸进气压力，一般情况下P值取0．5～0．6MPa为宜。则有

由此可以计算出张紧气缸缸径，从而选择到合适规格的张紧气缸。

3 校核TQDV-3200履带式牵引机参数

通过以上的分析，利用推导出的公式，对某公司设计的TQDV-3200履带式牵引机的牵引系统进行参数校核。

3.1 校核传动牵引力Fb

通过类比、参照等方法，选取电机功率P=15kW，电机额定转速 n=1 510r/min;主牵引力F=32 000N;变速箱分四档变速，速比ib依次为1．027，1．822，3．227，5．727;减速器速比为 37，最大输出扭矩为7 200N·m;变速箱与其联轴器传动效率ηb=0．92，减速箱与其联轴器传动效率ηr=0．9;齿轮箱内一对斜齿轮传动效率ηg=0．97。将各参数代入公式(1)可得到对应变速箱各档位的牵引力：

（二）玉米4-6叶期：40%莠去津胶悬剂150-200ml/亩，或72%2，4―滴丁酯60-80ml/亩，80%草净津可湿性粉剂100-200克/亩，20%使它隆乳油70-90ml/亩，75%阔叶散（阔叶净不太安全）干悬浮剂1-2克/亩，对水40-50kg定向喷雾。阿特拉津300克/亩，对水40-50kg定向喷雾。

式中：f2为电缆与橡胶履带静摩擦系数;m为压紧气缸对数。同时要求FLmax≥F。

因为减速器最大输出扭矩为7 200 N·m，此时对应的 F2，F1取值都只能为46 560N。

由此可知，采用15kW电机时，在第一档位速度时最大牵引力为19 302N，小于额定牵引力。在该型号牵引机实际运行过程中，此档位一般用于小规格电缆的牵引或者生产线倒车使用，此牵引力已经能满足使用要求。在第二、三、四档位速度时，最大牵引力都大于额定牵引力。传动系统各参数的选择都能满足设计要求。

3.2 校核张紧系统静摩擦力Ffmax

在张紧系统中，LT=230mm，L0=155mm，铸铁张紧轮与橡胶履带静摩擦系数f1=0．8，气缸直径d1=160mm，气缸进气压力P=0．5MPa。当牵引机牵引φ 180mm电缆时，履带在张紧轮上包角α =178．3°=3．112rad。各参数代入公式(5)、(6)可得：

可见张紧气缸的选取也能满足设计要求。

3.3 校核压紧系统静摩擦力FLmax

在压紧系统中，压紧气缸直径d2=125mm，共9对;气缸进气压力P=0．5MPa;橡胶履带与电缆的静摩擦系数f2=0．4。压紧气缸在0．5MPa时推力为

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FLmax≥F ，证明压紧气缸的选取能满足设计要求。

4 结束语

由于以上的校核是在一系列确定参数的基础上得到的，在不同的情况下，各参数的选取都会有差别，因此计算推导得到的结果也不尽相同。通过对一些参数的调整，或许能推导出更加优化的履带式牵引机设计方案。

［1］ 全国电线电缆标委会．JB/T 4032．3-1999电缆设备通用部件牵引装置 第3部分：履带式牵引装置［S］．北京：中国机械工业出版社，2000．

［2］ 成大先．机械设计手册［M］．3版．北京：化学工业出版社，1994．