电动滚筒减速装置的改进设计
摘 要：针对现有电动滚筒减速传动装置承载能力差、结构复杂、工艺性差等问题，将变速轴承移置到油冷式电动滚筒内，形成一种全新的活齿减速油冷式电动滚筒。通过设计计算与分析，确定了活齿减速油冷式电动滚筒的结构形式及零部件结构尺寸。可以看出，由于变速轴承同轴输入输出，且结构紧凑、体积较小，因此完全能够满足电动滚筒的整体结构形式要求。另外，电动滚筒是一种将电动机和减速器同时置于滚筒体内部的驱动装置，由于电动机已达到了其极限尺寸，只能从尽可能减小减速装置的体积方面寻求答案，因此可以说变速轴承的自身结构正是电动滚筒所需要的。
关键词：电动滚筒；减速装置；变速轴承
自 1961 年第一台油冷式电动滚筒研制成功至今，国内已形成大规模的电动滚筒生产行业。电动滚筒作为一种将电动机和减速器共同置于滚筒体内部的驱动装置，在我国国民经济中起到了越来越重要的作用，目前已经广泛应用于采矿、冶金、煤炭、交通、能源、粮食、烟草、化工、建材、邮电、航空、农林、印刷、商业等各个生产建设领域。
电动滚筒有着如此广泛的应用，是由于它具有许多优点。电动滚筒主要用作固定式和移动式带式输送机的驱动装置，因电动机和减速机构内置于滚筒内，与传统的电动机、联轴器、减速机置于滚筒外的开式驱动装置相比，具有结构紧凑、运转平稳、噪音低、安装方便等优点，适合在粉尘及潮湿泥泞等各种环境下工作。随着电动滚筒的广泛应用，又形成一种将电动机外置、减速机构内置的结构形式，妥善解决了大功率小尺寸电动滚筒电动机的散热问题，并使维护和维修更加方便。
随着各行各业对电动滚筒的需求日益增长，电动滚筒的设计、制造技术不断提高，原材料不断改进，高新技术也不断涌现。其中，传动装置的优劣直接决定了电动滚筒的性能。由于电动滚筒使用范围的不断扩大，各行各业对电动滚筒性能也提出了更高的要求，如有的要求功率很大、却又希望筒长很短，有的要求带速极低（达到 0.05 m/s 以下），有的要求噪音很低，有的要求随着工况条件的改变、带速也能相应改变，有的要求单向转动；有的要求断电时立即制动等等。
为了满足上述要求，国内市场上广泛应用的电动滚筒主要有以下几种类型：按冷却方式不同分为油浸式、油冷式及风冷式电动滚筒；按减速器传动结构分为定轴齿轮传动式、行星齿轮传动式、摆线针轮传动式及谐波齿轮传动式电动滚筒等。如此多的传动机构在很大程度上满足了广大用户的要求，但仍
有一些问题需要解决，如：定轴齿轮传动的齿轮支承复杂、传动机构的轴向和周向尺寸限制问题、结构的对称、工艺性及传动效率问题等[1]。
推杆式活齿减速器又称变速轴承，目前作为独立的减速机构应用十分广泛，转动平稳、效率高、承载能力大，正反转灵活，结构紧凑，体积小。若将这种变速轴承应用于油冷式电动滚筒，会很大程度地提高电动滚筒的传动效率，并改善其使用性能。因此，笔者将变速轴承移置到油冷式电动滚筒内，形成一种全新的活齿减速油冷式电动滚筒[2]。
1 结构简介
1.1 YD 系列油冷式电动滚筒简介
YD 系列电动滚筒的内部结构主要有电动机和减速装置这两大部分（如图 1 所示），此外还有用来支撑输送带并驱动其运动的滚筒体，用来支撑电动滚筒整体的前后轴、支座，以及联接滚筒体与前后轴的端盖、压盖、轴承、密封圈等零部件。
该类型电动滚筒是供各种固定式带式输送机配套使用的内驱装置，与外驱动装置相比，具有结构紧凑，占空间面积小，使用维护方便，操作安全可靠，密封性好等特点。适用于粉尘浓度大、潮湿泥泞的工作场所，可满足各种逆止、包胶等要求。它能代替电机-减速器形式的外驱动装置构成胶带输送机，用于输送煤炭、矿石、砂子、水泥、面粉等散装物料，也可以输送麻包、设备等成件物品，容易实现集中控制[1]。
1.2 定轴齿轮减速装置的结构分析
在电动滚筒内部，减速装置采用定轴齿轮传动，常采用两级渐开线圆柱齿轮减速。左、右法兰轴分别与电动机的左右端盖相连，构成一刚性轴组件，减速装置在右法兰轴一侧。右法兰轴为非对称性回转零件，其与电机连接端有一开口，便于齿轮通过（如图2 所示）。开口处设有 2 个同心且平行于法兰轴轴线的轴承座孔，用来安装龆轮轴。因此，结构复杂、工艺性差，特别是两轴承座孔轴线与法兰轴轴线之间的距离公差，以及两轴线之间的平行度公差难以保证，废品率极高。内齿圈用螺栓紧固在右端盖上，左、右端盖固定在滚筒体上，这样四者构成一个组件，作为电动滚筒的运动输出部分（如图 1 所示）。传动原理为：电机轴上装有龆轮，龆轮与装在龆轮轴上的齿轮啮合，并带动龆轮轴转动。龆轮轴与装在端盖上的内齿圈啮合，端盖又与滚筒体相连，从而带动滚筒体转动[3，4]。
1.3 变速轴承简介
变速轴承是上世纪 80 年代在国内兴起的一种新型传动形式。它集滚动轴承的支撑作用与减速装置的变速功能于一体，使传动链显著缩短。变速轴承的结构如图 3 所示，由异型轴承、内齿圈、传动圈、传动杆、圆柱滚子、双偏心套及标准滚动轴承等零件组成，异型轴承又由外圈、中圈及内圈组成，并且可以相对转动。内齿圈用铆钉固定在外圈上，传动圈用铆钉固定在中圈上，双偏心套与内圈配合连接。传动杆置于传动圈的导槽内[5，6]。
变速轴承的工作原理：电动机转子轴驱动双偏心套转动，通过标准轴承推动传动杆在中圈的径向槽内往复滑动。当传动杆一端沿内齿圈齿廓曲线滑动时，同时驱动中圈作减速运动。
变速轴承的输入轴与输出轴在同一轴线上，结构紧凑，便于整体布置。同时变速轴承整体装卸十分方便，且传动效率达 90%以上，单机传动比为 6～60，采用多级则传动比可更大。由于有半数滚柱参与承载，啮合点多，运转件为滚动形式，且为轴承钢制造，具有传动平稳、噪声低、使用寿命长、抗过载及抗冲击能力强和使用安全的特点。
变速轴承的传动比与其安装形式有关。当内齿圈齿数为 z 时，若内圈输入外圈固定，中圈输出，其传动比 i=z+1；当内圈输入中圈固定，外圈输出时，传动比 i=- z。在电动滚筒中常采用内圈输入中圈固定，外圈输出的安装方式，因为对电动滚筒来说采用这种形式布置非常方便，并且结构简单[3]。
2 活齿减速装置的改进设计
2.1 传动装置的结构设计
活齿减速器即变速轴承的输入、输出端在同一轴线上，这样各零件可以设计成对称性回转零件。结合电动滚筒的结构特点，采用内圈输入、中圈固定、外圈输出这种结构形式的变速轴承，这就需要将变速轴承置于电动机与右法兰轴之间。考虑到电动机的结构，在电动机与变速轴承之间还需增设一个连接法兰，才能将变速轴承与电动机连接在一起。这样再加上左法兰轴，实际上是将 5 个构成组合在一起，构成了一条刚性轴。连接法兰固定在电机的右端盖上，连接法兰、变速轴承与右法兰轴三者采用带定位销的螺栓连接，并串联钢丝防松。改进后的传动装置结构如图 4 所示。
为提高电机输出轴的刚性，可在轴线上加一支撑轴。支撑轴一端插在变速轴承双偏心套内与电机轴连接，另一端通过轴承支撑在右法兰轴的左端。这样一来，电机输出轴由悬臂支承变成了简支支承[7]。
变速轴承的位置确定以后，与滚筒体和右端盖的输出连接就比较简单。因为都是回转零件，且变速轴承外圈的外圆上带有两键槽，只需再加一零件，采用平键连接即可将变速轴承的输出部分与电动滚筒的输出部分连为一体了。这就是输出法兰，其内孔过平键与变速轴承配合，一端面通过螺栓与右端盖连接。这样，输出法兰、右端盖与滚筒体就紧密地连接成一个组件，变速轴承的输出动力通过输出法兰传递给了滚筒体。
改进后的活齿减速传动装置结构合理、紧凑、工艺性好，初步试验结果表明运转平稳、噪音低、承载能力大。
2.2 主要零部件的设计计算
2.2.1 变速轴承型号选用
所设计电动滚筒的主要参数有：功率为 1.7 kW，带速为 2.5 m/s，筒体转速为 120r/min，因此选用电机型号为 YGY100L1- 4，功率为 2.2 kW，转速为 1 440r/min。由传动比的计算公式求得减速器的传动比为：i=n1/n2=1 440/120=12。
查 JB/T6635- 1993 国家机械行业标准—推杆式变速传动轴承，选择减速器的型号为 TB210，尺寸规格从略。
2.2.2 右法兰轴的设计计算
2.2.2.1 受力分析[1]
取由左、右法兰轴、电动机壳、连接法兰以及减速器所组成的刚性轴为研究对象（如图 5 所示），并按简支梁进行受力分析如下：
2.2.2.2 轴颈转矩计算
右法兰轴轴颈所承受的弯矩和转矩如图 6 所示。
圆整后选取轴颈的截面直径为 60 mm。通过上述设计计算，为电动滚筒的进一步结构设计奠定了基础。
3 结 语
纵观当今市场上各种电动滚筒，都具有各自的优缺点。就减速传动装置的结构形式而言，多数存在着承载能力差、结构复杂、工艺性差等问题。因此，笔者将变速轴承移植到油冷式电动滚筒内，形成了一种全新的活齿减速油冷式电动滚筒。
本文通过设计计算与分析，确定了活齿减速油冷式电动滚筒的结构形式以及零部件结构尺寸。可以看出，由于变速轴承同轴输入输出，且结构紧凑、体积较小，因此满足了电动滚筒的整体结构形式要求。另外，电动滚筒是一种将电动机和减速器同时置于滚筒体内部的驱动装置，在现有技术条件下，由于电动机已达到了其极限尺寸，只能从尽可能减小减速装置的体积方面寻求答案，因此可以说变速轴承的自身结构正是电动滚筒所需要的。
