少齿差传动滚筒式振动筛的设计

邵昉亮，赵 悟，王东恒，赵文军

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引言

随着基建的迅速发展，水泥混凝土的使用量越来越大。在生产和使用的过程中对环境产生极大影响。例如，在搅拌站、混凝土运输车、混凝土泵车的清洗过程中会产生大量的建筑垃圾和混凝土废水。废水中通常含有水泥、矿粉、粉煤灰、沙石和外加剂等物质，直接排放会对周边水土、江河湖泊以及地下水资源造成污染。为了珍惜水资源，保护生态环境，应该对混凝土清洗水进行分离处理。滚筒筛是一种筛分装置，它能够分离混凝土的各个组分，包括沙子、石料、水泥浆，这样对一些物料进行了二次利用。然而普通滚筒筛虽然结构简单、操作简单，但是物料容易黏网，设备不能连续作业，造成筛分效率低下[1]。

滚筒振动筛常用的激振源是振动电机。因此，每台振动筛都需要两个电机作为能量输入，但这样会造成机器结构笨重且功耗增加。本研究针对传统圆振动筛的缺点，设计了少齿差传动的滚筒式振动筛。

1 传统振动筛的传动方式

1.1 圆柱齿轮减速器

外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，可靠耐用，承受过载能力高，运行平稳，所以振动噪音小、减速机效率高达95%，因此节能高，能量消耗低，性能优越，但是缺点也显而易见，相比其他减速机空间占比很大。

1.2 蜗轮蜗杆传动

蜗杆传动是振动筛较常用的传动形式之一，通常所使用的传动比在80以内，传动比与蜗杆头数和蜗轮齿数有关。蜗杆头数越多，传动比越小。为了提高传动比，蜗杆头数应尽量取小，但是蜗杆头数越小，导程角越小，当导程角小于当量摩擦角后，蜗杆机构将产生自锁，效率将很低。蜗杆头数与传动比在实际的应用中都有一定适用范围。在润滑方面，蜗轮蜗杆减速器相对其他减速器要求较高。如果润滑不良，传动效率将显著下降，箱体油温升高，导致润滑失效，轮齿磨损加剧。

1.3 摆线针轮减速器

传动比较大，但该减速器输入转速不能高于3 000 r／min的场合，否则减速器承受载荷过大。摆线针轮机构加工制造工艺较复杂，性价比大打折扣。

因此，针对圆柱齿轮减速器体积大、蜗轮蜗杆减速器效率低、摆线针轮减速器转速适用范围低等缺点，笔者提出采用少齿差行星减速器作为振动筛的传动方式。

2 振动筛的结构

滚筒振动筛主要由电机、少齿差减速器、筛体、支架、进料斗、出料斗等部件组成，总体结构如图1所示。

图1 振动筛总体结构图

3 工作原理

将未固化的废弃混凝土从进料斗加入，物料随滚筒一起作螺旋运动，即一边转动，一边向前运动[2]。筒体轴线采用倾斜安装，这样物料会受到重力的分力而自动沿着筛网轴线运动[3]。该筛网采用双层同心圆结构，内筛网的筛孔大于外筛网，可筛分出粒径不同的三种物料，该结构筛分效果更好。粒径最小的物料将会通过两层筛网流向底部的料槽，粒径最大的物料，则无法通过第一层筛网而随着网面的振动，沿着筛网的倾斜面流到筛网一侧的料槽当中。粒径中等的物料则会通过第一层筛网而到达第二层筛网，并经过它的筛分而进入相应的料槽当中。筛体旋转的同时伴随着振动，因此筛孔不易堵塞且能够大大提高筛分质量和效率。传动装置由少齿差行星减速器组成，该减速器无太阳轮，只有行星轮和齿圈，它具有体积小、传动比大的优点[4]。圆振动筛振动源所产生的振动力是一绕定轴、方向呈正规律变化的惯性力，其本质是由偏心质量绕定轴转动所形成离心力。最主要的特点是它在传递扭矩的同时产生高频振动。因此，无需单独配备振动电机，大大降低了振动筛的功耗。

4 物料的运动分析

滚筒是倾斜安装随着轴一起转动，所以物料的运动是比较复杂的，因此，需要简化模型。只研究物料中很小的一部分，将其看成单元体P，其运动过程如图2所示。

图2 滚筒筛内物料的运动

单元体随着滚筒一起转动，当其被提升至O点时，将会脱离筛面，开始作抛物线运动[3]。随后会到达最高点D处，并且最终落到B处，然后就是按照此规律进行往复循环，最后排出滚筒筛。

单元体的运动是一个复合运动，可将其沿着轴方向和垂直于轴的xOy方向分解。在垂直于轴的方向xOy平面内又可以进一步分解，即随着滚筒一起转动的圆周运动，以及抛物线运动。因为筛筒有一定的倾斜角度，所以单元体会沿着轴方向运动。除此之外，物料在滚筒内还存在滑动。

5 关键技术

从实现大的传动比方面考虑，普通圆柱齿轮和行星齿轮减速器的体积将会很大，所以考虑到外形尺寸的要求，这两个不适合。蜗轮蜗杆减速器和少齿差减速器都可以实现大传动比，而且体积较小，但是相比较而言前者的效率太低，少齿差在传递扭矩的同时还可以传递高频振动。少齿差行星齿轮传动是由普通行星传动逐渐转化发展过来的，如图3所示，它主要由内齿圈、行星轮、输入轴、行星架、盘型输出轴组成[5]。内齿轮和外齿轮的齿数差很小，一般可以小到1、2、3、4这几种差值[6]。正是因为这种特性，使得它的传动比很大。

图3 少齿差减速器结构图和示意图

5.1 传动比计算

行星传动不同于定轴传动，它有一个行星轮，它的轴有一个公转，所以不能简单地输出齿数/输入齿数，这是定轴传动的计算公式：

虽然不可以直接使用，但是可以转化。通过相对运动，使行星轮的转速变成零，这样就相当于轴固定了，也就可以套公式了。所以设以行星架为参考系，这样它的速度为零，其它构件减去V行。公式如下：

少齿差传动多用于减速，该减速器传动比在10～100，在允许效率较低的情况下，传动比可以达到几百甚至几千。

5.2 高频振动原理

该减速器的输入轴是偏心轴，偏心轴连接着行星轮，使得行星轮在自转的同时也在公转，行星轮的公转属于高速转动，自转属于低速转动。该少齿差减速器输出轴设计与通常意义上的输出轴不同，它直接和行星轮刚性连接。因此，可以同时将行星轮的两种运动同时输出给筛体，使得筛体低速转动的同时在高频振动。

6 主要的输出机构

1）销轴式。外齿轮周向上开许多销孔，孔的多少由齿轮的直径大小决定，直径越大，孔的数量越多，传递动力时越平稳，可传递的扭矩越大。孔的数量按直径的划分如表1所示：

表1 销孔数量与齿轮直径关系

虽然，销的数量越多，传递的动力大，但是这也意味着齿轮的质心越难以保证在轴心了，所以这对孔的加工以及销的加工都提出了比较高的要求。

2）滑块式。这种结构比较简单，不需要太多的零件。它是通过一个凹槽和一个凸块组成的，连接性能不是非常好，结合不是很紧密。这样导致它不能输出特别高的转速，只适合低转速，低扭矩。又因为槽与凸块之间可能有相对滑动，因此效率比较低。

3）浮动盘式。该机构上有均匀分布的四个缺口，两两位于一条直线上，因此在传递动力时不会偏心，使受力不均匀。该机构之间传递是滑动摩擦，所以速度有所限制，一般不超过1 500 r/min，否则，销套之间产生极高的温度，最终发生胶合，无法传递扭矩。

因此，综合以上分析，采用销轴式作为少齿差减速器的输出机构，这样可以同时满足高转速和大负载的工作需求。

7 结论

综上所述，新型少齿差行星轮传动的振动筛结构相比于传统振动筛有如下优势：

1）体积更小、结构轻量化。与普通圆柱齿轮减速器相比，在传动比相同的情况下，少齿差减速器所占空间更小，在整机中的空间布置更加方便。

2）效率高、功耗小。虽然蜗轮蜗杆减速器体积小，但是效率低，容易发热。然而少齿差减速器齿轮是圆柱直齿轮，效率和普通圆柱齿轮一样高。

3）传递扭矩的同时传递振动。传统振动筛需要布置两个电机才能满足工作性能需求，然而通过少齿差减速器传递动力后，则不需要单独的电机作为激振源产生振动。