基于變元法的機械傳動結構抗磨損設計及優化

徐 杰

（上海冠卓企業發展有限公司，上海201508）

0 引言

機械結構設計是一項極具創新力的工作，有利于國家的發展，好的結構設計既能提高機械的工作效率，還能帶來更多的經濟、社會效益。

1 變元法

機械設計中的最主要環節為結構設計，即將機械工作原理變成技術圖紙。變元法最早來自于德國，劉揚松［1］對變元法作了補充和改寫，變元法運用范圍較廣，應用其進行產品結構設計時，首先確定一種基本結構方案，然后進行多種結構的開發。變元法主要包括機械結構的變元和通過對這些變元的創造性改造設計出不同的結構方案。

1.1 機械結構變元

機械結構的變元主要包括數量變元、形狀變元、材料變元、位置變元、連接變元、尺寸變元和工藝變元7個方面。各變元要素的主要改變因子如表1所示。

表1 各變元要素的主要改變因子

1.2 不同結構方案的創造及原則

設計者可根據所設計機械產品的性能和特點，結合自身所學的知識和經驗，靈活地利用變元，運用創造性思維，根據產品結構方案設計的八大準則創造設計出不同的結構方案。八大準則包括遵循力學、工藝、材料、裝配、防腐蝕、公差配合、支承和安全與外觀準則。

2 機械傳動結構抗磨損設計要點

傳動結構是機械設備核心組成部分，具有動能有效傳輸的功能，支持著結構的運轉。而磨損是傳動中的一個常見問題，因此，對傳動結構的優化設計要以抗磨損改造為目的，制定出相應的方案。通常情況下包括鏈傳動的抗磨損設計和齒輪傳動的抗磨損設計。

2.1 鏈傳動的抗磨損設計要點

防止高速傳動過程中由于鏈傳動磨損造成的較大噪聲和較強振動導致鏈條突然斷裂，減輕鏈與鏈輪嚙合時的沖擊，避免鏈條鉸鏈的磨損造成跳齒和脫鏈現象。通常從鏈輪齒數、鏈條節距、中心距和鏈長的改造入手。

2.1.1 鏈輪齒數

鏈輪齒數的確定通常有兩種辦法，分別根據鏈傳動所承擔的荷載大小并結合鏈輪型號的規定進行。大鏈輪，齒數相對較少，增強了鏈條、齒輪的配合力；小鏈輪，齒數相對較多，這樣才能保證鏈傳動的平穩性，降低鏈傳動的動荷載。一般鏈條節數為偶數，鏈輪齒數、鏈條節數互為質數，并不采用過渡接頭的組裝方式。

2.1.2 鏈條節距

理論情況下鏈傳動隨著節距的增大整個傳動結構荷載能力變好，但實際卻是節距越大，鏈輪荷載力受到的沖擊越大，因此，需要盡量選擇節距較小的鏈條，并且小節距多排鏈比大節距單排鏈效果好。

2.1.3 中心距及鏈長

為了降低鏈條和鏈輪相互間的摩擦力，提高機械傳動的運行效率，在設計過程中要合理控制中心距和鏈長，通常中心距a＝（30～50）p≤80p。鏈長通常用計算公式計算出所需的鏈節數（整數，且為偶數）表示。

2.2 齒輪傳動的抗磨損設計要點

兩個直徑不同的齒輪在嚙合過程中可能出現嚴重的磨損，對設備的操控性能帶來損害。齒輪傳動的重要參數主要包括輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓等，其優化設計包括對閉式齒輪傳動及開式齒輪傳動的結構改造。兩者均主要從降低齒輪表面溫度的角度來減少磨損的發生，如選用具有較高強度的金屬制作材料，使齒根具有良好強度，不會由于受熱而發生彎曲。

3 優化及評價方法

通常采用模糊綜合評判法對結構方案進行綜合評價，對結構方案的技術經濟指標、社會效益、工藝性、可操作性、維修性和安全性等進行比較，從所有備選方案中選出最優方案。因此，可以構建重要零件或機構的數學模型，其結果較為真實，可作為完善與改進結構設計的依據，最后實現產品結構的綜合優化。數學模型一般對產品結構的數量變元、尺寸變元進行直接描述，其他變元僅間接描述或不描述，因此，也不能過于依賴數學模型，還可通過可靠性設計與有限元分析對結構中重要零部件或機構進行綜合性分析。

4 某洗煤廠Q:MD"#!／"!!!型壓濾機拉板傳動鏈輪改造設計

4.1 傳動鏈運行現狀

XMZG120／1000型廂式壓濾機能對大量含細精煤粉煤漿有效脫水，電機功率為5.5kW，鏈速在8～25m／s之間，拉板為液壓馬達鏈傳動。在洗煤廠的實際使用中發現原傳動鏈條和傳動齒輪均使用了非標準件，拉板鏈條節距較大，與鏈速不匹配，存在打滑現象，而煤泥水對鏈條腐蝕嚴重，導致磨損嚴重并出現斷裂現象。

4.2 改造設計方法

除嚴格控制拉板變形、壓密不嚴與濾布破損，加強煤泥水清理、濾布沖洗更換及鏈條防護外，還應對原鏈條進行標準節距改造（尺寸變元），根據鏈條節距的標準要求設計傳動鏈輪，確定標準鏈輪尺寸，以滿足洗煤廠的使用要求，減少磨損和打滑等現象。

4.3 相關設計計算

（1）根據《機械設計手冊》齒輪齒數選擇表確定出XMZG120／1000型廂式壓濾機主動輪與從動輪的齒數均為25。

（2）根據傳動比i＝1＜1.5，和中心距a＝6 000mm＞60p，根據相關公式計算得出鏈條節數為498。

（3）在選用單排鏈的基礎上，查《機械設計手冊》多排鏈系數表，最終確定傳動鏈鏈號為16A，鏈節距為25.4。

（4）改造后核算評價包括對中心距和鏈速的驗算，最終證明該設計是合理并符合要求的。

（5）齒頂圓直徑da＝P（0.54＋ctg180°／Z），此傳動鏈所需尺寸大小為214.77mm。節圓直徑d′＝P／sin180°／Z，計算結果為202.665mm。齒根圓直徑df＝d′－dr，其中dr為滾子外徑，15.88mm，計算結果為186.785mm。最大齒根距離Lx＝d′cos90°／Z－dr＝186.385mm。齒側凸緣最大直徑計算：dh＝P（ctg180°／Z－1）－0.80＝174.93mm。

（6）鏈輪齒形應保證鏈節平穩而自由進出嚙合，便于加工，并符合GB1244—85規定齒形。鏈輪材料應有足夠接觸強度和耐磨性（材料變元）。按鏈輪應用范圍查《機械設計手冊》中鏈輪常用材料表，取40!，熱處理后硬度40～50HRC。

4.4 改造效果

在此后的運行中，故障時間平均縮短了5～10min，節省損失200萬元左右。研究發現，對傳動鏈的抗磨損創新設計，實現了傳動鏈結構設計的優化和標準化。

5 結語

針對傳統機械結構予以相應改造，能夠明顯提高機械的安全系數、運轉性能以及生產質量等。對于機械傳動結構而言，抗磨損設計屬于常見的、典型的改造手段，因而設計人員有必要結合機械傳動結構本身的性能和特點，充分做好抗磨損結構的優化改造工作。在設計機械結構時，我們必須不斷進行改進和創新，提高機械的安全系數、運轉性能以及生產質量等，使機械更加優化。

［1］劉揚松.機械結構的創新設計及其優化［J］.石油機械，2000（2）