科氏流量计用行星减速器设计及动力学分析*

2021-05-10栾振辉张黎明

佳木斯大学学报（自然科学版） 2021年2期

栾振辉，张黎明

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001)

0 引言

粉体输送计量系统包括粉体喂料机、科里奥利粉体流量计和PLC控制系统三部分，PLC控制系统根据流量计的实时流量值调整喂料机的转速，从而实现粉体输送计量系统的稳定运行[1]。科里奥利粉体流量计是一种高性能的粉体质量流量计，在水泥、制药及石油化工等领域都有广泛的应用[2-3]。由于现有的扭矩传感器动态性能较低，导致粉体输送计量系统流量波动较大，不能满足工业生产需要。为了提高粉体输送计量系统的动态稳定性，发明了一种新型的科氏粉体流量计，以自测扭矩行星减速器取代原流量计中的减速器和扭矩传感器。文章分析了自测扭矩行星减速器的结构和技术参数，建立了三维模型，分析了齿轮传动的接触特性[4]。

1 自测扭矩行星减速器

1.1 科氏粉体流量计工作原理

图1是科氏粉体流量计的结构示意图，其主要由电机1、减速器2、转矩转速传感器3、联轴器4及测量盘5等组成。图2是其工作原理图。粉体物料从进料口进入，流经测量盘5后，最终通过出料口流出流量计。根据Coriolis原理，粉体的流量为[5]：

(1)

式中:qm为粉体的质量流量，kg/s；T为科氏反力矩(测量盘扭矩)，Nm；ω为测量盘角速度，rad/s；R为测量盘半径，m。

实践中，由于现有的转矩转速传感器的动态扭矩性能较低，当喂料不均匀时，计量系统会产生较大波动。另外，随着时间的推移，粉尘会进入到传动轴下端的轴承中，增大了传动轴的旋转阻力，进而影响流量计的计量准确度。为了解决上述问题，以自测扭矩行星减速器替代原有的减速器和转矩转速传感器，可提高流量计的动态性能。

图1 科氏粉体流量计结构示意图

1.2 自测扭矩行星减速器工作原理

新型科氏粉体流量计及自测扭矩行星减速器的结构原理如图3所示，其主要由电机1、自测扭矩行星减速器6及测量盘5等组成，测量盘角速度由转速传感器(图中未示)测量并显示。自测扭矩行星减速器主要由中心轮61、内齿圈63、行星轮66、输出轴65、压电陶瓷力传感器67、电荷放大器68及信号处理器69等组成。内齿圈63处于浮动状态，内齿圈的外部有一凸块，壳体64有一缺口，凸块插入缺口中，凸块的右侧通过压电陶瓷力传感器67与机壳64连接，凸块左侧有一弹簧与机壳连接，压电陶瓷力传感器的输出端连接电荷放大器68和信号处理器69，用于对输出信号进行处理，根据行星传动理论，给出内齿圈与输入轴、输出轴的关系即可。

图2 科氏粉体流量计原理图

图3 新型科氏粉体流量计及自测扭矩行星减速器结构原理

1.电机 6.自测扭矩行星减速器 5.测量盘

61.太阳轮 62.行星架 63.内齿圈 64.壳体

65.输出轴 66.行星轮 67.压电陶瓷力传感器

68.电荷放大器 69.信号处理器

2 动力学分析

2.1 减速器结构参数设计

本设计选用NGW型行星减速器，并采用类比法进行设计，即按照现有粉体流量计中测量盘的尺寸、扭矩及转速，确定行星减速器输出轴的扭矩和转速。经过计算(计算过程略)，各齿轮基本参数如表1所示。行星减速器中太阳轮、行星轮、内齿圈的材料为40Cr，屈服极限是485MPa行星架材料为HT200，屈服极限是235MPa。