30t/h铝锭连续铸造机输送链链轮修形减振设计

赵俊天，胡升阳，董亚亚

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

30t/h铝锭连续铸造机输送链链轮修形减振设计

赵俊天，胡升阳，董亚亚

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

链传动主要用于传递动力和物料，随着工业自动化程度提高和精密加工技术的发展，链传动的精确性、稳定性越发重要。铝锭连续铸造机输送链是负责铸模和铝锭的输送。由于链传动系统不平稳，导致铝锭表面形成明显的“水波纹”现象，影响铝锭的表面质量。在分析链传动振动来源的基础上，给出三种对链轮齿形的修正方法，采用修正后的链轮能够减小啮合冲击，进而降低输送过程的振动，提高铝锭表面质量。

输送链；链轮；啮合冲击；多边形效应；水波纹

30 t/h铝锭连续铸造机组是专门用于普通重熔用铝锭连续铸造的自动化生产线，在国内外已得到较广泛的应用，但在国内仍然存在许多技术难点，尚未得到突破。较为突出的问题之一是在生产中铝锭表面出现水波纹，对产品的外观质量影响很大，影响了其销售价格。

常见的铝锭表面波纹有同心圆状、泡状和两端沟槽状三种波纹［1］。

同心圆状的水波纹是在铝锭表面上以某一处为中心，以波纹状向四面扩散。泡状水波纹则是在铝锭表面形成的凸起或浮块状波纹，这种波纹形成后，使铝锭表面凹凸不平，有时会形成夹层。两端沟槽状波纹是在铝锭表面形成较深的沟槽状波纹，并且中间最浅，两端最深。

通常这三种波纹相互交织，共同存在。前两种水波纹可以通过保持铝液干净、改进工艺、提高操作人员技术水平等来改进。其中第三种波纹对外观质量影响最大，也是重点研究的问题。通过对30t/h铝锭连续铸造机输送链系统的链轮齿形进行修正，降低链条振动，减小铝锭波纹，从而改善铝锭表面的质量。

1　两端沟槽状波纹产生的机理

两端沟槽状波纹这类水波纹对铝锭的外观质量影响最大，波纹幅度最大，就目前国内同类型30 t/h铝锭铸造机组来言很难消除，其形成的原因有：

（1）输送链系统的振动形式主要为三种即链节的横向振动与纵向振动、链轮的轴向与径向振动、滚子的径向变形振动［8］。而啮合冲击引起的链节振动或链轮振动是导致输送链系统振动和铝锭表面出现水波纹的最主要原因之一 。其是由于啮合过程中链条与链轮轮齿间相互作用而产生的。传统的滚子链与链轮啮合时，后一个滚子沿着前一个已啮入的滚子的中心为圆心、以节距为半径的圆弧啮入链轮。滚子是首先直接与链轮底部接触，这必然会有接触的突然性，产生冲击。随着链条与链轮的啮合，这种冲击又会呈现出一定的周期性。

（2）链传动的多边形效应造成输送链系统不平稳。与传动链一样，链条绕上链轮时围成正多边形，当驱动链轮匀角速度转动时，链运行的速度会呈现周期性变化，这就是链的多边形效应［6，7］。由于30t/h铝锭连续铸造机组，采用了较大的节距（pc=132.5 mm），因此链运行的不平稳性更加明显［3］。

（3）链传动速度不均匀性会发生周期性变化， 这种变化将损害传动的同步性与均匀性，从而进一步引起铸模振动使液态铝晃动，由于靠近铸模内壁温度相对较低，此位置的液态铝先凝固成型，未凝固的铝水波峰每次接近已凝固的铝时就在其上凝固成型，使得铝锭以中部为界因铝的减少而出现较深的沟槽。

2　链轮齿形的修正

2.1修正链轮节距

传统的链传动系统中，链轮的节距和链条的节距是相等的，并且链条的中心线位置呈周期性变化。链轮的节距是指在链轮的分度圆上与链条的对应链节相啮合的两个齿槽间的距离，也就是分度圆上的弦节距［9］。根据文献［4］，对于标准的三圆弧一直线齿形链轮，当使链轮的弧节距p等于链条的节距pc，可以明显的降低振动且由于链条节距的相对伸长量△p/pc≤3%，就不会发生跳齿与掉链［10］。

依据现用的30 t/h铝锭连续铸造机的数据进行如下计算：

链轮的弦节距ps= 链条的节距pc=132.5mm

主动链轮的弧节距：

从动链轮的弧节距：

当改用弧节距与链条节距相等时，主动链轮的变化幅度为：

从动链轮的变化幅度为：

由此可知，当改用弧节距等于链条的节距后，皆不会出现跳齿和掉链的情况。而此时链轮的弦节距ps＜pc。由于链轮弦节距小于链条节距，链条在链轮上将出现爬高，如图1中滚子 A 将沿链轮齿廓的非工作齿面爬高，但能处在较大的圆上，不会像传统的链传动系统那样下降到与分度圆呈最大相割位置 。因此可以减小链条的横向振动 。另外修正后的链轮， 滚子 B 将首先与链轮轮齿的工作齿面接触 ， 此时滚子与链轮齿槽底部之间会有一个间隙C。间隙 C的存在使得滚子不会突然接触链轮齿槽底部，亦不会产生径向冲击，而只有切向接触力。然后滚子沿工作齿廓逐渐啮入，啮入过程中切向冲击能量得到了消耗。当滚子完全啮入链轮齿槽底部时。径向接触才出现。即切向冲击与径向冲击不同时发生，有一个时间差。这个时间延迟使得冲击能量分布在较长的时间区间，能降低振动［4］。

图1　修形链轮与滚子链啮合示意图

2.2增大齿沟圆弧半径R1

增大30 t/h铝锭连续铸造机组输送链系统链轮齿沟圆弧半径，可使得链轮的轮齿变窄，齿槽加深［4］。

上式中R0为标准滚子半径。

现用的输送链系统链条滚子半径R0=35 mm，而齿沟圆弧半径R1=35.23 mm 。

现改为：R1=35.35+0.069×4.121 23=35.634 36 4 87（mm）≈35.63（mm）。

2.3对链轮的压力角进行修正

滚子链的啮入冲击能量 E 可近似为：

式中，m为链轮质量 ，pc为 链条节距，z为链轮齿数 ，γ为啮合压力角，vc为冲击速度。

由公式可知对啮入冲击能量和冲击速度影响最大的是啮合压力角，因此可以通过齿形修正减小啮合压力角γ，从而减少啮入冲击速度，进而减小啮入冲击能量即降低振动。对于链轮的啮合压力角来说，是可以取很多数值的，大致来说从英国常用的14.5°、15°到德国的20°以及25°都有使用。而当链轮的啮合压力角越小，其传动效率就会越高，但齿部的机械强度会越差。当链轮啮合压力角越大时，其传动效率又会降低，但齿部的机械强度会变强。因此可以采用英制齿轮的14.5°或15°，从而将降低滚子链啮入时的冲击能量，减小振动［3］。

对现行的30 t/h铝锭连续铸造机组主动链轮：

对现行的30 t/h铝锭连续铸造机组从动链轮：

由此可得，冲击能量得到较大的降低，可为30 t/h铝锭连续铸造机的主从链轮啮合压力角修形提供一定的方向。

3　结论

影响输送链运行稳定性的因素是多方面的，而且某些因素之间还存在相互作用。在分析30t/h铝锭连续铸造机输送链链传动振动来源的基础上，本文给出了对一些链轮齿形修正方法，通过改用弧节距等于链条的节距，增大齿沟圆半径以及减小啮合压力角，发现可以明显降低啮入的冲击振动，从而降低输送过程的振动，达到提高生产的铝锭的质量的目的。

[1] 剡昌锋，吴黎晓，芮执元，等．铝锭表面波纹的成因和改善[J].有色金属，2004（5）：49-52.

[2] 郑文纬，吴克坚．机械原理[M]．北京：高等教育出版社，1997：153-228.

[3] 彭文生，李志明，黄华梁．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2002：229-241.

[4] 李兆文，王勇．滚子链传动系统的减振降噪研究[J]．设计与研究，2009（8）：19-25.

[5] 芮执元，周金良. 铸造机输送链稳定性分析[J]. 起重运输机械，2008（10）：28-30.

[6] 程仲文，刘哲.如何减少铝锭表面波纹[J].兰州工业高等专科学校学报， 2001,8(1):28.

[7] 梁志民，安宗文，李朝晖.输送链运行平稳性分析[J].起重运输机械， 2003(2):18.

[8] 杨志刚，郑志峰，何文地.滚子链传动噪声的发生过程[J].机械设计，1994， 11(3) : 22-24.

[9] 王伟丽.对链轮节距精度的认识[J].有色金属工业, 2000（11）：40.

[10] 郑志峰，王义行, 柴邦衡.链传动[M].北京：机械工业出版社，1984.

The vibration reduction design of sprocket's profle in the system of conveyor chain of 30t/h Aluminum ingot continuous castingmachine

ZHAO JunTian，HU ShengYang，DONGYaYa
（Lanzhou university of technology，Lanzhou 730050，GanSu，China）

Chain drive is mainly used to transfer power and material.With higher degree of industrial automation and the development of precision machining technology， the accuracy and stability of the chain transmission become more and more important. The onveyor hain of Aluminum ingot continuous casting machine is responsible for the delivery of molds and aluminum ingots.The unstability of chain transmission system leads to the forming of obvious water ripple phenomenon at the surface of the aluminum ingot， which affects the quality of aluminum ingots.Based on the analysis of the vibration source of the transmission chain，it is concluded that three kinds of method to correct the sprocket tooth profle， using the revised sprocket can reduce the meshing impact and the vibration of the transmission. To improve the quality of aluminum ingots.

Transmission chain；Sprocket；Meshing impact；Polygon effect；Water ripple

TG249.7;

A；

1006-9658（2015）04-0036-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.010

2015-01-04

稿件编号:1501-761

赵俊天(1965—）男，副教授，主要研究方向成套自动化装备、计算机仿真技术.