用于洗灌器的行星齒輪復合傳動裝置的設計與研究

劉軍，王琳，黃瀟蘋

(大連科技學院，遼寧 大連 116021)

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用于洗灌器的行星齒輪復合傳動裝置的設計與研究

劉軍，王琳，黃瀟蘋

(大連科技學院，遼寧 大連 116021)

摘要：設計了一款利用高壓水射流進行清洗作用的新型洗灌器的行星齒輪復合傳動裝置，并通過對傳動系統運動學的仿真分析，對傳動零件的選型、結構參數的確定做了一定的實用分析，可為洗灌器的機械傳動裝置的深入研究與開發提供參考與借鑒。

關鍵詞：洗灌器；行星齒輪機構；高壓水射流；傳動系統

0引言

洗灌器是高壓水射流清洗系統用于容器、罐、反應釜等物體內表面清洗的專用清洗設備[1]，是目前自動清洗市場應用比較廣泛的設備。對其傳動技術研究的發展歷程從二維清洗到三維清洗，從簡單機構到復雜機構，從近距離清洗到遠靶距清洗。發達國家從20世紀70年代末開始應用此項技術，自20世紀80年代中期傳入我國，歷時40年。

洗罐器從傳動系統上可分為兩類：1) 是采用流體驅動葉輪旋轉，首先經一系列減速傳動裝置，驅動洗罐器公轉，再同時驅動噴嘴自轉，實現公轉及自轉齒輪配比關系，從而實現了球面空間網狀覆蓋無盲點清洗，因此也稱作三維洗罐器；2) 高壓流體流經特殊結構的噴嘴(如兩個成S型布置的出液口)噴出時產生一轉動力矩，形成噴嘴的自轉，同時由于噴出的反沖力矩以同一方向作用于反沖輪，形成反沖輪的旋轉運動，反沖輪又通過減速傳動裝置帶動洗灌器整體做公轉，從而實現了即自轉又在殼體的帶動下公轉的噴嘴對容器內壁同時做縱向和橫向360°方向的萬向噴射，達到全面清洗作用。無論哪一種傳動系統，其基本工作原理都是經噴嘴噴出的射流，以其很高的沖擊動能，連續不斷地作用在工業產品表面，從而使垢物脫落達到清洗的目的。

目前高壓水射流清洗技術領域對洗罐器的工作效率和性能的研究主要集中于傳動系統的設計和終端設備——噴嘴的結構性能的研究。目前國產產品尚存在使用壽命較短、零件易損壞、工作效率較低的不足，文中從傳動系統的設計角度提出了用于洗灌器的行星齒輪復合傳動裝置的設計，以充分發揮行星傳動技術的優勢。

1行星齒輪復合傳動裝置的設計

1.1行星齒輪機構的特點

行星齒輪傳動承載能力大、傳動比大，且占用空間較小。由于是純扭矩傳動，故傳動效率高，同時，行星齒輪中每個齒輪分配到的動力是相等的，所以行星齒輪的動力輸出非常平穩，而且可以多個行星齒輪互相搭配作用。

1.2行星齒輪減速結構

根據洗灌器需要體積小、結構簡單緊湊、傳動效率高的工況要求，再結合各傳動類型的特點，設計采用2K-H(WW)型作為減速機構，結構簡圖如圖1所示。其中包括兩對外嚙合齒輪(WW)1和3、2和4，轉臂H繞著固定的中心齒輪2的軸心線旋轉，由于轉臂H的另一端與雙聯的行星齒輪3和4的軸固聯，因此，當動力從中心齒輪1的軸(或從轉臂H)輸入時，就帶動了雙聯行星齒輪3和4既自轉又公轉的運動。

1、2—中心齒輪；3、4—行星齒輪；H—轉臂圖1　2K-H(WW)行星齒輪結構簡圖

1.3行星齒輪機構的匹配計算分析

同時考慮在行星齒輪傳動中各齒輪齒數需要滿足的同心條件，為了提高承載能力及整機運動的平衡性和平穩性，并考慮為了相互抵消減速器的各齒輪嚙合時候產生的徑向力，采用3個行星齒輪，各傳動零件的主要參數如表1 所示，最終修訂行星減速傳動比系數為20.74。

表1　齒輪主要參數

1.4行星齒輪復合傳動裝置的設計

文中所設計的液力洗罐器適用于鐵路油罐車體遠靶距清洗場合。傳動系統部分主要由葉輪、行星齒輪機構、圓錐齒輪機構組成。行星齒輪復合傳動裝置簡圖如圖2所示。

1、2—中心齒輪；3、4—行星齒輪；5—噴嘴；6、8—圓錐齒輪；7—葉輪；H—轉臂圖2　洗灌器行星齒輪復合傳動裝置簡圖

1.5行星齒輪復合傳動裝置的工作原理

圖2顯示了行星齒輪復合傳動裝置的工作原理：當供液泵產生的一定壓力的水流(或洗滌液)從洗灌器的進液口進入，經由葉輪7時，形成葉輪的旋轉運動，葉輪又通過軸帶動轉臂H旋轉，進而帶動行星齒輪3和4的轉動，其中中心齒輪2固定，又通過中心齒輪1帶動固連在洗灌器殼體上的圓錐齒輪6旋轉(公轉)，由于與圓錐齒輪6嚙合的圓錐齒輪8固定，因此同時又形成了圓錐齒輪6的自轉，最終由圓錐齒輪6帶動與其共軸安裝的噴嘴5既隨著殼體繞進液軸公轉同時又繞著出液軸旋轉的自轉運動[5]。

由技術參數計算可得洗罐器整機每旋轉一周，噴嘴的自轉速度為3.3周，使得噴嘴對容器內壁同時做橫向和縱向360°方向的萬向噴射，達到全面清洗的作用。

2行星齒輪復合傳動裝置的仿真研究

為了縮短設計周期，提高設計品質，采用CAD軟件對該行星齒輪復合傳動裝置進行了三維實體造型、虛擬裝配和機械傳動的動態仿真，并對運動學仿真結果進行分析[10]。

2.1行星齒輪復合傳動裝置的三維建模

由表1所確定的參數進行齒輪的三維建模，按照圖1搭建2K-H(WW)型作為減速機構，并設計進液軸、出液軸、軸系零件、轉臂、殼體、噴嘴等零件的結構形狀，最后通過虛擬裝配，確定行星齒輪復合傳動裝置的三維模型如圖3所示。

圖3　洗罐器三維仿真模型

2.2運動學仿真分析

將洗罐器三維仿真模型按照實際工況施加約束，對葉輪輸入功率P=10kW，輸入轉速n=100r/min，取運動時間300s，做運動學仿真分析。

得到行星齒輪在垂直于軸向平面內角位移變化曲線如圖4所示，該曲線為近似更等規律曲線，表明行星齒輪在轉臂上做勻速公轉，且齒輪正常傳動。

圖4　行星齒輪角位移曲線

運動仿真得到殼體、噴嘴的角位移曲線和角加速度曲線，分別如圖5~圖8所示，由圖6和圖8可以看出，在啟動的前10s內，殼體和噴嘴的加速度都略有波動，隨后趨于穩定，近似為零，兩者基本處于勻速運轉狀態。

圖5　殼體角位移曲線

圖6　殼體角加速度曲線

圖7　噴嘴角位移曲線

圖8　噴嘴角加速度曲線

3結語

高壓水射流清洗設備的核心部分是機械傳動部分，針對鐵路油罐車體遠靶距清洗的實際需要，綜合考慮機械零件的傳動特點，用工程分析與仿真校驗相結合的方法對傳動系統的主要零件進行了選型，確定了零件的主要性能參數，設計了用于洗灌器的行星齒輪復合傳動裝置，并進行了三維建模和運動學仿真。仿真結果表明，該傳動系統結構設計合理、緊湊，傳動比分配符合要求，可以很好的實現噴嘴的自轉與公轉，保證了洗罐器整機工作性能的穩定性和可靠性。

參考文獻:

[1] 諸雪征，吳明飛，等. 雙噴嘴三維洗罐器工作特性的研究[J]. 中國安全科學學報,1998.4.

[2] 朱大衛，趙松怡. 液力洗灌器[P]. 中國專利：87205368，1988-12.

[3] 江志祥，朱增寶，季軍. 基于UG與ADAMS的行星齒輪減速器動力學仿真分析[J]. 煤礦機械，2013，06.

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Design of Planetary Gear Transmission for Washing Filling Device and Its Research

LIU Jun, WANG Lin, HUANG Xiao-ping

(Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116021,China)

Abstract:This paper describes that the high pressure water jet technology for industrial cleaning. The core part of high pressure water jet cleaning device is mechanical transmission part. This paper designs a planetary gear transmission for the new washing filling device,and through the simulation analysis of its transmission kinematics,it does some practical analysis of the selection of the transmission parts and determination of the structural parameters, and the information and reference are provided for the deep research and development of the mechanical transmission of the washing filling device.

Keywords:washing filling device; planetary gear mechanism; high pressure water jet; mechanical transmission

收稿日期：2014-01-19

中圖分類號：TH132.41

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0065-03

作者簡介：劉軍(1969-),女，遼寧大連人，副教授，研究方向：機械優化設計及機械CAD。