一种管状带式输送机巡检小车的传动机构设计

吕培炎 阮学云 贾世林

（安徽理工大学 机械工程学院，淮南 232001）

管状带式输送机作为皮带机的一种，是煤矿生产中最重要的设备之一。除了纯粹的物料运输工作，皮带机还可配合工业企业生产流程中的要求，形成有节奏的流水作业运输线[1]。皮带机维修保养时，检测其扭管、胀管以及托辊噪音等方面的故障一直是煤矿安全生产领域的难题。现有的人工巡检和一些自动化检测系统，存在劳动强度大、成本高、实时性差以及效率与可靠性低等缺陷。因此，研究一种用于管状带式输送线的巡检机械对煤矿的发展具有重要影响[2]。

1 管状带式输送机的基本结构与工作流程

皮带机主要由托辊、机架、皮带、制动机构、驱动机构和张紧机构等部分组成[3]。管状带式输送机的两端各设有引导皮带折叠的辊子。折叠后的皮带在驱动装置的作用下进入机架进行运输工作，机架中每隔一段距离都有6个托辊围绕在管状带上。6个托辊总体呈等六边形，每个托辊都与管状带线接触。经过驱动滚筒缠绕和机器尾部滚筒换向形成一个长环形连续带，上层皮带为工作段，下层皮带为回空段。

2 管状带式输送机巡检小车传动方案设计

巡检小车工作环境为高于地面5 m左右南北走向的悬空廊道，地处工业区，西侧为运货路线，皮带线两端从厂区伸出，经过一片至少3 km的荒地，经常行驶大型货物运输车辆，且该地区绿化建设差，皮带线附近风沙严重、日夜温差大。传动系统应当符合噪声小、运动稳定以及稳定性强的特点。本文根据现场环境和设计要求，提出了3种方案。

2.1 摩擦传动

摩擦传动可以选择的轨道有工字钢轨和内嵌式U型轨两种。

2.1.1 工字钢轨

一般悬挂式巡检机器人都选用工字钢作为运行轨道。驱动系统主要由导向轮、传动轮和轨道组成[4]。导向轮是工字钢轨的重要部件。小车运行时，导向轮会一直与工字钢边缘摩擦，从而导致小车运行速度不稳定。此外，随着工作时间的增加，它的导向精度也会随之下降。

2.1.2 内嵌式U型轨

该种导轨有U型内嵌式轨道，相对于工字钢轨，优势在于不需要额外设计导向轮，只要设计一种与其U型内嵌式轨道相匹配的摩擦轮便可解决导向问题，且避免了摩擦轮精度下降过快和摩擦阻力导致的运动不平稳等问题。该种导轨采用高强度铝合金材料，表面进行过防潮耐腐蚀处理，比较适合在恶劣环境下工作。它的形状如图1所示。

图1 内嵌式U型轨

2.2 齿轮齿条传动

该种方法主要靠预先在机架上设置好的齿条和与减速电机直接相连的驱动齿轮相互配合完成运动，传动比固定，传动机构可靠。相对于摩擦式传动，齿轮齿条式传动的稳定性更好。齿轮齿条传动的缺点：与齿轮啮合的齿条作为小车运动的直接轨道，其长度应与皮带线轨道等长；皮带线周边环境较为恶劣的特点，齿条容易受到风沙侵蚀；只要一段齿条上的单个齿出现问题，便要替换整个齿条[5]。因此，齿轮齿条传动虽然有一定的可靠性和稳定性，但造价较高、齿条损耗快且维护烦琐。

各传动方案优缺点对比，如表1所示。

表1 传动方案优缺点对比

3 巡检小车传动系统设计

3.1 传动齿轮设计与电机的选用

经过方案对比，巡检小车的运动轨道采用内嵌式U型轨，传动方式选择摩擦式传动。巡检小车的主要驱动机构由减速电机、电机基座、联轴器、传动齿轮以及摩擦轮组成。行星减速电机依靠自带L型法兰固定在外壳侧面的伸出板上。主动齿轮轴远离伸出板一侧的轴承固定在封闭端盖上，另一侧的轴承安置在开口端盖上。伸出轴通过联轴器与电机输出轴相连，摩擦轮与从动齿轮轴之间采用螺纹螺孔旋紧连接。主动齿轮与从动齿轮的轴承端盖均采用螺纹螺孔固定在外壳上，如图2所示。

图2 巡检小车外部结构

考虑到巡检小车工作的稳定性和可靠性，其速度不宜过快。参考一般巡检机械的移动速度，将小车移动速度设计为v=0.3m·s-1。将移动速度作为小车电机的选用标准，进行如下计算。

巡检小车在t=10 s内按设计速度v=0.3 m·s-1的位移量s为：

摩擦轮和从动齿轮轴采用螺纹螺孔连接，因此摩擦轮与从动齿轮轴在相同时间内转动圈数r应相同。又因摩擦轮外径D=27 mm，那么在t=10 s内轴转过的圈数r为：

由式（1）和式（2），得r=35。

那么，从动齿轮轴在设计速度v下的额定转速n为：

计算可得n=210 r·min-1。

巡检小车的主动及从动齿轮均选用直齿圆柱齿轮，材料为45钢。主动齿轮与从动齿轮的详细数值如表2所示。

表2 齿轮详细参数表

根据相互啮合的齿轮的转速比与齿数比呈反比的关系有：

式中：z1、z2分别为大齿轮齿数和小齿轮齿数；n1、n2分别为大齿轮转速和小齿轮转速。

利用主动齿轮轴转速反推电机主动轴转速nm为：

带入数值，计算得出nm≈117 r·min-1

根据计算出的电机输出轴转速，选用12 V微型直流减速电机，型号XD-37GB555。该种电机具有体积小、可调速、低转速和大扭矩等特点，并且可以通过电机控制器改变电机转速，详细参数如表3所示。

表3 电机详细参数表

3.2 其他部件选型与设计

3.2.1 轴承

小齿轮采用型号为MR106Z高速微型轴承，内径为 6 mm，外径为10 mm，厚度为3 mm，一共4个。大齿轮采用型号为MR128Z高速微型轴承，内径为8 mm，外径为12 mm，厚度为3.5 mm，一共2个。以上两种轴承采用高碳铬钢材质，具有硬度高、耐磨性好、体积小和质量轻等优点。

3.2.2 摩擦轮

摩擦轮采用的是型号为608R的定滑轮，摩擦轮直径为27 mm，厚度为6.5 mm，螺纹型号为M4，螺纹柱长度为 6 mm，一共4个。

3.2.3 齿轮轴

齿轮轴材料为合金钢，采用平键与齿轮连接，一侧加工出轴肩，另一侧使用轴套，轴肩轴套配合限制齿轮的轴向移动。从动齿轮轴两侧加工出螺纹孔，与摩擦轮之间采用螺纹螺孔连接。主动齿轮轴长端安装有轴套，经过开口端盖与联轴器相连，短端轴承则直接固定在封闭式轴承端盖上。

3.2.4 外壳

外壳的输入轴面如图3所示。外壳整体为中空长方体，壁厚为3 mm，上部设计有4个安装菱形端盖的菱形凸起，两面中部设计有安装圆形端盖的圆形凸起。与电机相连的一面安装圆形开口式端盖，另一面则安装圆形封闭式端盖。

图3 输入轴面

3.2.5 端盖

端盖设计有菱形端盖、圆形封闭式端盖以及圆形开口式端盖3种。菱形端盖安装在外壳上部。圆形封闭式端盖安装在非输入轴面，圆形开口式端盖安装在输入轴面，与外壳均采用螺栓连接。

3.2.6 联轴器

以主动齿轮轴与电机输出轴的尺寸为选型标准，选用联轴器外径为19 mm，长度为25 mm，两边内孔均为8 mm。 该种弹性联轴器的材料为铝合金，内孔公差为H7，固定方式采用高强度紧固螺丝夹紧两轴。

4 结语

本文设计了一种用于管状带式输送线的巡检工作小车的传动机构，并根据其运动速度，结合主动齿轮和从动齿轮的一些参数，先确定了电机所需转速，再结合管状带式输送线附近环境选择电机型号，并且分别介绍了各零部件的设计与选型。