燙平機多級鏈傳動系統可靠度及其效率研究

葉 暢，黃淑琴，閔杭臨

(1.淮安信息職業技術學院 機械工程學院，江蘇 淮安 223003； 2.泰州職業技術學院 機電工程學院，江蘇 泰州 225300)

燙平機是一種常用的布料熨燙機械，其主要部件是輥筒，可以是單個輥或多個輥。為了提高工作效率，現代燙平機已發展到6個輥，其作用是通過滾軋的方法去除物料里的水分。燙平機各個輥之間一般采用鏈傳動，鏈傳動結構簡單，平均傳動比準確，成本低，易于維護，能在高溫、潮濕等惡劣環境中工作，缺點是鏈條、鉸鏈磨損后會發生跳齒、脫鏈和斷鏈等現象[1]，出現設備故障率高等問題。燙平機需要連續運轉，對傳動系統可靠性和效率提出了更高要求。本文對燙平機多級鏈傳動系統可靠度及效率進行計算，確定提高單級鏈傳動可靠度的有效方法，為技術改進提供理論依據。

1 燙平機單級鏈傳動可靠度計算

采用鏈傳動的燙平機能基本滿足用戶的使用要求,使用中發現，套筒滾子鏈的疲勞斷裂是其主要失效形式。由于傳統鏈傳動設計未考慮設計參數的離散性,以及與實際工作情況之間的差異，導致計算結果不精確，為此本文運用可靠性設計理論對燙平機鏈傳動的可靠性進行分析和計算。

承載力是計算燙平機鏈傳動首要考慮的因素，在保證鏈傳動承載力的基礎上選擇排鏈方式，一般選擇單排鏈傳動，以下計算以單排鏈傳動作為計算對象。在計算多級鏈傳動系統可靠性之前，首先介紹單級鏈傳動的可靠度計算[2]。假設套筒滾子鏈極限功率和實際傳遞功率均處于正態分布狀態，再根據可靠性設計理論的干涉模型建立連接方程，求得連接系數ZR，然后由標準正態分布表求出可靠度[1，3]。

單排鏈傳遞的極限功率計算公式為：

Plim=P0KZKL

(1)

式中:P0為特定條件下單排套筒滾子鏈最大許用功率，kW；KZ為小鏈輪齒數系數；KL為鏈節長度系數。

由鏈板疲勞強度限定的P0的計算公式為:

(2)

式中：Z1為小鏈輪齒數；n1為小鏈輪轉速；p為鏈條節距，mm。

極限功率Plim的均值、標準差和變差系數分別為:

(3)

(4)

(5)

最大許用功率P0的均值、標準差分別為：

(6)

(7)

一般取變差系數CP0=0.08。

(8)

(9)

CKL=(1-1/KL)/3

(10)

套筒滾子鏈實際傳遞功率計算公式為：

P1=KAP/Km

(11)

式中:KA為工作情況系數；P為鏈傳動輸入功率，kW；對于單排鏈，Km=1。其實際傳遞功率的均值、標準差和變差系數分別為:

(12)

(13)

(14)

式(15)中工作情況系數的變差系數為:

(15)

輸入功率變差系數為:

(16)

式中ΔP為輸入功率P的偏差值。

根據可靠性設計理論，套筒滾子鏈鏈板疲勞強度的連接系數ZR可按式(17)計算:

(17)

根據相關數據求解上述參數，然后代入式(17)計算連接系數ZR，查表確定可靠度[4-5]。

2 燙平機多級鏈傳動系統的可靠度計算

四輥燙平機為最為常用的多級鏈傳動系統。圖1為四輥燙平機傳動系統示意圖。電動機“1”通過聯軸器“2”與減速機“3”相連，減速機“3”通過聯軸器“4”與第一個輥筒“6”相連，然后通過鏈傳動“5”與后面輥筒相連。實際上，多輥燙平機從電動機開始到最后一個輥筒，構成了串聯傳動系統，其可靠度及效率會逐級降低，鏈傳動的級數越多，其可靠性和效率越低[4]。

1—電動機；2—聯軸器Ⅰ；3—減速機；4—聯軸器Ⅱ； 5—鏈傳動；6—輥筒。圖1 四輥燙平機傳動系統示意圖

燙平機的傳動系統由電動機、減速機和多級鏈傳動組成，在計算傳動系統可靠度時，可看作是串聯系統。以四輥燙平機為例，其串聯系統可靠性框圖如圖2所示[5]。其中:R1為電動機可靠度；R2為聯軸器I可靠度；R3為減速機可靠度；R4為聯軸器Ⅱ可靠度；R5為第1級鏈傳動可靠度；R6為第2級鏈傳動可靠度；R7為第3級鏈傳動可靠度。

圖2 四輥燙平機傳動系統可靠性框圖

根據可靠性設計理論，設隨機變量t為傳動系統的失效時間，隨機變量為ti(i=1，2，…，n)為傳動系統n個元件的失效時間，系統的可靠度為：

RS(t)=P(t1>t)P(t2>t)…P(ti>t)…P(tn>t)

式中P(ti>t)為第i個元件的可靠度Ri(t)，得出：

(18)

故：

(19)

串聯元件可靠度Ri決定了串聯系統的可靠度Rn，在組成系統的元件中，只要一個元件失效，系統就失效[6-7]。

3 燙平機多級鏈傳動系統的效率計算

機械效率是指系統在穩定運轉時，系統的輸出功(有用功量)與輸入功(動力功量)的百分比。

圖3為四輥燙平機傳動系統功率傳遞流程。設Nd為4個輥總的輸入功率，N1為分配到第1輥的輸入功率，N1′為第1輥的輸出功率，以此類推，經減速機、鏈傳動依次傳遞到各個輥筒。其中：η1和η3為聯軸器Ⅰ和聯軸器Ⅱ的效率系數，η2為減速機效率系數，η4為單級鏈傳動效率系數，η5為軸承效率系數。

圖3 四輥燙平機傳動系統功率傳遞流程

圖3為兼有串聯與并聯的混聯系統，計算混聯系統的總效率時，應根據輸入功至輸出功的傳遞流程，分別計算串聯系統和并聯系統的效率，然后按各部分的連接方式，計算出總效率[8-9]。

設Nd為系統輸入功率，Nk為輸出功率，各元件的效率為η1，η2，…，ηk，則串聯系統效率計算公式為：

(20)

式(20)說明，串聯系統的總效率等于各元件效率的連乘積[10]。

并聯系統的效率計算公式為：

(21)

式中Nr為輸出功率。

并聯系統的效率不僅與各元件的效率有關，而且還與各元件所傳遞的功率有關。設各元件中效率最高和效率最低時的效率分別為ηmax和ηmin，則ηmin<η<ηmax[8]；設各元件傳遞的功率相等，則并聯系統效率為各元件效率的平均值。

為了簡化計算，假定圖3所示燙平機各個輥筒輸出功率近似相等，則由式(21)得出的四輥燙平機傳動系統總效率計算公式則為：

(22)

4 實例計算

5 結束語

目前燙平機多級鏈傳動系統的可靠度和效率都偏低，因此需要采取措施進行改進。通過計算發現，在中心距保持不變的前提下，適當增加小鏈輪齒數，可以提高單級鏈傳動的可靠度。建議采用優質套筒滾子鏈，定期維護和更換磨損的套筒滾子鏈，或者采用可靠度和效率更高的同步帶傳動代替鏈傳動。采用同步帶傳動可以獲得理想的恒定速比，噪音小、無污染、運轉平穩。另外，本文給出的傳動系統效率計算公式，對于合理確定電機功率有重要的參考意義。