烫平机多级链传动系统可靠度及其效率研究

叶 畅，黄淑琴，闵杭临

(1.淮安信息职业技术学院 机械工程学院，江苏 淮安 223003； 2.泰州职业技术学院 机电工程学院，江苏 泰州 225300)

烫平机是一种常用的布料熨烫机械，其主要部件是辊筒，可以是单个辊或多个辊。为了提高工作效率，现代烫平机已发展到6个辊，其作用是通过滚轧的方法去除物料里的水分。烫平机各个辊之间一般采用链传动，链传动结构简单，平均传动比准确，成本低，易于维护，能在高温、潮湿等恶劣环境中工作，缺点是链条、铰链磨损后会发生跳齿、脱链和断链等现象[1]，出现设备故障率高等问题。烫平机需要连续运转，对传动系统可靠性和效率提出了更高要求。本文对烫平机多级链传动系统可靠度及效率进行计算，确定提高单级链传动可靠度的有效方法，为技术改进提供理论依据。

1 烫平机单级链传动可靠度计算

采用链传动的烫平机能基本满足用户的使用要求,使用中发现，套筒滚子链的疲劳断裂是其主要失效形式。由于传统链传动设计未考虑设计参数的离散性,以及与实际工作情况之间的差异，导致计算结果不精确，为此本文运用可靠性设计理论对烫平机链传动的可靠性进行分析和计算。

承载力是计算烫平机链传动首要考虑的因素，在保证链传动承载力的基础上选择排链方式，一般选择单排链传动，以下计算以单排链传动作为计算对象。在计算多级链传动系统可靠性之前，首先介绍单级链传动的可靠度计算[2]。假设套筒滚子链极限功率和实际传递功率均处于正态分布状态，再根据可靠性设计理论的干涉模型建立连接方程，求得连接系数ZR，然后由标准正态分布表求出可靠度[1，3]。

单排链传递的极限功率计算公式为：

Plim=P0KZKL

(1)

式中:P0为特定条件下单排套筒滚子链最大许用功率，kW；KZ为小链轮齿数系数；KL为链节长度系数。

由链板疲劳强度限定的P0的计算公式为:

(2)

式中：Z1为小链轮齿数；n1为小链轮转速；p为链条节距，mm。

极限功率Plim的均值、标准差和变差系数分别为:

(3)

(4)

(5)

最大许用功率P0的均值、标准差分别为：

(6)

(7)

一般取变差系数CP0=0.08。

(8)

(9)

CKL=(1-1/KL)/3

(10)

套筒滚子链实际传递功率计算公式为：

P1=KAP/Km

(11)

式中:KA为工作情况系数；P为链传动输入功率，kW；对于单排链，Km=1。其实际传递功率的均值、标准差和变差系数分别为:

(12)

(13)

(14)

式(15)中工作情况系数的变差系数为:

(15)

输入功率变差系数为:

(16)

式中ΔP为输入功率P的偏差值。

根据可靠性设计理论，套筒滚子链链板疲劳强度的连接系数ZR可按式(17)计算:

(17)

根据相关数据求解上述参数，然后代入式(17)计算连接系数ZR，查表确定可靠度[4-5]。

2 烫平机多级链传动系统的可靠度计算

四辊烫平机为最为常用的多级链传动系统。图1为四辊烫平机传动系统示意图。电动机“1”通过联轴器“2”与减速机“3”相连，减速机“3”通过联轴器“4”与第一个辊筒“6”相连，然后通过链传动“5”与后面辊筒相连。实际上，多辊烫平机从电动机开始到最后一个辊筒，构成了串联传动系统，其可靠度及效率会逐级降低，链传动的级数越多，其可靠性和效率越低[4]。

1—电动机；2—联轴器Ⅰ；3—减速机；4—联轴器Ⅱ； 5—链传动；6—辊筒。图1 四辊烫平机传动系统示意图

烫平机的传动系统由电动机、减速机和多级链传动组成，在计算传动系统可靠度时，可看作是串联系统。以四辊烫平机为例，其串联系统可靠性框图如图2所示[5]。其中:R1为电动机可靠度；R2为联轴器I可靠度；R3为减速机可靠度；R4为联轴器Ⅱ可靠度；R5为第1级链传动可靠度；R6为第2级链传动可靠度；R7为第3级链传动可靠度。

图2 四辊烫平机传动系统可靠性框图

根据可靠性设计理论，设随机变量t为传动系统的失效时间，随机变量为ti(i=1，2，…，n)为传动系统n个元件的失效时间，系统的可靠度为：

RS(t)=P(t1>t)P(t2>t)…P(ti>t)…P(tn>t)

式中P(ti>t)为第i个元件的可靠度Ri(t)，得出：

(18)

故：

(19)

串联元件可靠度Ri决定了串联系统的可靠度Rn，在组成系统的元件中，只要一个元件失效，系统就失效[6-7]。

3 烫平机多级链传动系统的效率计算

机械效率是指系统在稳定运转时，系统的输出功(有用功量)与输入功(动力功量)的百分比。

图3为四辊烫平机传动系统功率传递流程。设Nd为4个辊总的输入功率，N1为分配到第1辊的输入功率，N1′为第1辊的输出功率，以此类推，经减速机、链传动依次传递到各个辊筒。其中：η1和η3为联轴器Ⅰ和联轴器Ⅱ的效率系数，η2为减速机效率系数，η4为单级链传动效率系数，η5为轴承效率系数。

图3 四辊烫平机传动系统功率传递流程

图3为兼有串联与并联的混联系统，计算混联系统的总效率时，应根据输入功至输出功的传递流程，分别计算串联系统和并联系统的效率，然后按各部分的连接方式，计算出总效率[8-9]。

设Nd为系统输入功率，Nk为输出功率，各元件的效率为η1，η2，…，ηk，则串联系统效率计算公式为：

(20)

式(20)说明，串联系统的总效率等于各元件效率的连乘积[10]。

并联系统的效率计算公式为：

(21)

式中Nr为输出功率。

并联系统的效率不仅与各元件的效率有关，而且还与各元件所传递的功率有关。设各元件中效率最高和效率最低时的效率分别为ηmax和ηmin，则ηmin<η<ηmax[8]；设各元件传递的功率相等，则并联系统效率为各元件效率的平均值。

为了简化计算，假定图3所示烫平机各个辊筒输出功率近似相等，则由式(21)得出的四辊烫平机传动系统总效率计算公式则为：

(22)

4 实例计算

5 结束语

目前烫平机多级链传动系统的可靠度和效率都偏低，因此需要采取措施进行改进。通过计算发现，在中心距保持不变的前提下，适当增加小链轮齿数，可以提高单级链传动的可靠度。建议采用优质套筒滚子链，定期维护和更换磨损的套筒滚子链，或者采用可靠度和效率更高的同步带传动代替链传动。采用同步带传动可以获得理想的恒定速比，噪音小、无污染、运转平稳。另外，本文给出的传动系统效率计算公式，对于合理确定电机功率有重要的参考意义。