刘军，王琳，黄潇苹

(大连科技学院，辽宁 大连 116021)



用于洗灌器的行星齿轮复合传动装置的设计与研究

刘军，王琳，黄潇苹

(大连科技学院，辽宁 大连 116021)

摘要：设计了一款利用高压水射流进行清洗作用的新型洗灌器的行星齿轮复合传动装置，并通过对传动系统运动学的仿真分析，对传动零件的选型、结构参数的确定做了一定的实用分析，可为洗灌器的机械传动装置的深入研究与开发提供参考与借鉴。

关键词：洗灌器；行星齿轮机构；高压水射流；传动系统

0引言

洗灌器是高压水射流清洗系统用于容器、罐、反应釜等物体内表面清洗的专用清洗设备[1]，是目前自动清洗市场应用比较广泛的设备。对其传动技术研究的发展历程从二维清洗到三维清洗，从简单机构到复杂机构，从近距离清洗到远靶距清洗。发达国家从20世纪70年代末开始应用此项技术，自20世纪80年代中期传入我国，历时40年。

洗罐器从传动系统上可分为两类：1) 是采用流体驱动叶轮旋转，首先经一系列减速传动装置，驱动洗罐器公转，再同时驱动喷嘴自转，实现公转及自转齿轮配比关系，从而实现了球面空间网状覆盖无盲点清洗，因此也称作三维洗罐器；2) 高压流体流经特殊结构的喷嘴(如两个成S型布置的出液口)喷出时产生一转动力矩，形成喷嘴的自转，同时由于喷出的反冲力矩以同一方向作用于反冲轮，形成反冲轮的旋转运动，反冲轮又通过减速传动装置带动洗灌器整体做公转，从而实现了即自转又在壳体的带动下公转的喷嘴对容器内壁同时做纵向和横向360°方向的万向喷射，达到全面清洗作用。无论哪一种传动系统，其基本工作原理都是经喷嘴喷出的射流，以其很高的冲击动能，连续不断地作用在工业产品表面，从而使垢物脱落达到清洗的目的。

目前高压水射流清洗技术领域对洗罐器的工作效率和性能的研究主要集中于传动系统的设计和终端设备——喷嘴的结构性能的研究。目前国产产品尚存在使用寿命较短、零件易损坏、工作效率较低的不足，文中从传动系统的设计角度提出了用于洗灌器的行星齿轮复合传动装置的设计，以充分发挥行星传动技术的优势。

1行星齿轮复合传动装置的设计

1.1行星齿轮机构的特点

行星齿轮传动承载能力大、传动比大，且占用空间较小。由于是纯扭矩传动，故传动效率高，同时，行星齿轮中每个齿轮分配到的动力是相等的，所以行星齿轮的动力输出非常平稳，而且可以多个行星齿轮互相搭配作用。

1.2行星齿轮减速结构

根据洗灌器需要体积小、结构简单紧凑、传动效率高的工况要求，再结合各传动类型的特点，设计采用2K-H(WW)型作为减速机构，结构简图如图1所示。其中包括两对外啮合齿轮(WW)1和3、2和4，转臂H绕着固定的中心齿轮2的轴心线旋转，由于转臂H的另一端与双联的行星齿轮3和4的轴固联，因此，当动力从中心齿轮1的轴(或从转臂H)输入时，就带动了双联行星齿轮3和4既自转又公转的运动。

1、2—中心齿轮；3、4—行星齿轮；H—转臂图1　2K-H(WW)行星齿轮结构简图

1.3行星齿轮机构的匹配计算分析

同时考虑在行星齿轮传动中各齿轮齿数需要满足的同心条件，为了提高承载能力及整机运动的平衡性和平稳性，并考虑为了相互抵消减速器的各齿轮啮合时候产生的径向力，采用3个行星齿轮，各传动零件的主要参数如表1 所示，最终修订行星减速传动比系数为20.74。

表1　齿轮主要参数

1.4行星齿轮复合传动装置的设计

文中所设计的液力洗罐器适用于铁路油罐车体远靶距清洗场合。传动系统部分主要由叶轮、行星齿轮机构、圆锥齿轮机构组成。行星齿轮复合传动装置简图如图2所示。

1、2—中心齿轮；3、4—行星齿轮；5—喷嘴；6、8—圆锥齿轮；7—叶轮；H—转臂图2　洗灌器行星齿轮复合传动装置简图

1.5行星齿轮复合传动装置的工作原理

图2显示了行星齿轮复合传动装置的工作原理：当供液泵产生的一定压力的水流(或洗涤液)从洗灌器的进液口进入，经由叶轮7时，形成叶轮的旋转运动，叶轮又通过轴带动转臂H旋转，进而带动行星齿轮3和4的转动，其中中心齿轮2固定，又通过中心齿轮1带动固连在洗灌器壳体上的圆锥齿轮6旋转(公转)，由于与圆锥齿轮6啮合的圆锥齿轮8固定，因此同时又形成了圆锥齿轮6的自转，最终由圆锥齿轮6带动与其共轴安装的喷嘴5既随着壳体绕进液轴公转同时又绕着出液轴旋转的自转运动[5]。

由技术参数计算可得洗罐器整机每旋转一周，喷嘴的自转速度为3.3周，使得喷嘴对容器内壁同时做横向和纵向360°方向的万向喷射，达到全面清洗的作用。

2行星齿轮复合传动装置的仿真研究

为了缩短设计周期，提高设计品质，采用CAD软件对该行星齿轮复合传动装置进行了三维实体造型、虚拟装配和机械传动的动态仿真，并对运动学仿真结果进行分析[10]。

2.1行星齿轮复合传动装置的三维建模

由表1所确定的参数进行齿轮的三维建模，按照图1搭建2K-H(WW)型作为减速机构，并设计进液轴、出液轴、轴系零件、转臂、壳体、喷嘴等零件的结构形状，最后通过虚拟装配，确定行星齿轮复合传动装置的三维模型如图3所示。

图3　洗罐器三维仿真模型

2.2运动学仿真分析

将洗罐器三维仿真模型按照实际工况施加约束，对叶轮输入功率P=10kW，输入转速n=100r/min，取运动时间300s，做运动学仿真分析。

得到行星齿轮在垂直于轴向平面内角位移变化曲线如图4所示，该曲线为近似更等规律曲线，表明行星齿轮在转臂上做匀速公转，且齿轮正常传动。

图4　行星齿轮角位移曲线

运动仿真得到壳体、喷嘴的角位移曲线和角加速度曲线，分别如图5~图8所示，由图6和图8可以看出，在启动的前10s内，壳体和喷嘴的加速度都略有波动，随后趋于稳定，近似为零，两者基本处于匀速运转状态。

图5　壳体角位移曲线

图6　壳体角加速度曲线

图7　喷嘴角位移曲线

图8　喷嘴角加速度曲线

3结语

高压水射流清洗设备的核心部分是机械传动部分，针对铁路油罐车体远靶距清洗的实际需要，综合考虑机械零件的传动特点，用工程分析与仿真校验相结合的方法对传动系统的主要零件进行了选型，确定了零件的主要性能参数，设计了用于洗灌器的行星齿轮复合传动装置，并进行了三维建模和运动学仿真。仿真结果表明，该传动系统结构设计合理、紧凑，传动比分配符合要求，可以很好的实现喷嘴的自转与公转，保证了洗罐器整机工作性能的稳定性和可靠性。

参考文献:

[1] 诸雪征，吴明飞，等. 双喷嘴三维洗罐器工作特性的研究[J]. 中国安全科学学报,1998.4.

[2] 朱大卫，赵松怡. 液力洗灌器[P]. 中国专利：87205368，1988-12.

[3] 江志祥，朱增宝，季军. 基于UG与ADAMS的行星齿轮减速器动力学仿真分析[J]. 煤矿机械，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

中图分类号：TH132.41

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0065-03

作者简介：刘军(1969-),女，辽宁大连人，副教授，研究方向：机械优化设计及机械CAD。