李長偉

（常州漢森機械股份有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年可生成超過7億t秸稈。如此大量的秸稈如采用直接焚燒的方式進行處理則會導(dǎo)致嚴重的大氣污染。因此如何合理的開發(fā)利用農(nóng)作物的秸稈，則是各研究機構(gòu)和企業(yè)一直討論的課題。秸稈還田則是一種可有效利用秸稈的手段。通過將秸稈粉碎后拋灑到田地里，經(jīng)過長時間雨水浸泡進而腐爛成為肥料。目前，全國秸稈粉碎還田機保有量超過90萬臺，每年新增銷售超過1萬臺。然而秸稈還田機的整體可靠性較低，其中變速箱部分故障率較高，經(jīng)常出現(xiàn)斷齒的情況，由此增加了許多設(shè)備的維修時間，影響用戶的生產(chǎn)效率。

1 秸稈還田機使用現(xiàn)狀

秸稈還田機通過傳動軸將拖拉機動力輸出軸的動力傳遞到齒輪箱部分，經(jīng)齒輪箱增速后再通過皮帶傳遞給刀軸，帶動刀軸轉(zhuǎn)動工作（圖1）。秸稈還田機齒輪箱內(nèi)部有一對錐齒輪，大錐齒輪2連接在輸入軸1上，小錐齒輪3與輸出軸4連接（圖2），齒輪與軸通常采用花鍵的連接形式，如果小錐齒輪較小時也可將其與輸出軸做成一體。秸稈還田機在使用過程經(jīng)常會出現(xiàn)齒輪箱內(nèi)部齒輪斷裂的問題，而這一問題除了在工況惡劣的工作情況下會出現(xiàn)，甚至在停止工作時也經(jīng)常出現(xiàn)，尤其在突然切斷拖拉機動力輸出或快速降低動力輸出軸轉(zhuǎn)速時，斷齒問題發(fā)生的更加頻繁。后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，秸稈還田機的刀軸較重、轉(zhuǎn)速在2 200 r左右，速度較快，這樣的刀軸在轉(zhuǎn)動時慣性非常大。當秸稈還田機突然切斷動力輸出或降低輸出轉(zhuǎn)速時，此時刀軸仍在以2 200 r左右的速度轉(zhuǎn)動，這時的刀軸在慣性力的作用下成為主動件，通過皮帶給秸稈還田機齒輪箱施加反作用力，而傳動軸連著輸入軸已停止轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)速降低，則齒輪箱內(nèi)部的錐齒輪之間由于輸入軸和輸出軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生了沖擊，如沖擊情況嚴重則會導(dǎo)致齒輪斷裂。為了防止這樣的情況出現(xiàn)，駕駛員往往需要在停機前降低油門轉(zhuǎn)速，將秸稈還田機刀軸轉(zhuǎn)速降到最低，然后緩慢切斷PTO動力，直至刀軸停止轉(zhuǎn)動，如此才能降低齒輪沖擊作用，而這樣的過程需要駕駛員操作十分小心。

圖1 秸稈還田機簡圖

圖2 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

2 典型超越離合器結(jié)構(gòu)與工作原理

典型的超越離合器的結(jié)構(gòu)包括：鋼球、彈簧、外圈、棘爪、內(nèi)圈、擋圈（圖3）。當內(nèi)圈逆時針旋轉(zhuǎn)時，通過棘爪帶動外圈輸出轉(zhuǎn)矩，同時，外圈可超越內(nèi)圈的速度轉(zhuǎn)動。內(nèi)圈順時針旋轉(zhuǎn)時，棘爪與外圈的內(nèi)齒呈分離狀態(tài)，內(nèi)圈空載旋轉(zhuǎn)。這就是超越離合器的工作原理。

圖3 典型的超越離合器結(jié)構(gòu)圖

3 超越離合器在秸稈還田機齒輪箱中的應(yīng)用

鑒于這種由于輸入軸和輸出軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差而導(dǎo)致的秸稈還田機齒輪箱受沖擊斷齒的問題，我們考慮在齒輪箱輸入軸和輸出軸之間加入超越離合器結(jié)構(gòu)，讓輸出軸在動力輸出軸停止或降速時可以超越輸入端的轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，避免沖擊。

如圖4所示，通過結(jié)構(gòu)分析，我們將大錐齒輪2與輸入軸1的花鍵連接方式改為超越離合器結(jié)構(gòu)形式。在大錐齒輪的內(nèi)孔上加工出類似超越離合器外圈上的槽口，在輸入軸上加工出凹槽，通過鍵塊5來實現(xiàn)棘爪作用，將輸入軸1動力傳遞到大錐齒輪2上。

圖4 齒輪箱內(nèi)部超越離合器機構(gòu)

正常工作時，鍵塊5通過彈簧6作用始終一端頂在輸入軸1的槽內(nèi)，另一端貼在大錐齒輪2的內(nèi)壁上，隨著輸入軸的轉(zhuǎn)動，鍵塊5的一端沿著大錐齒輪2內(nèi)壁滑動，當鍵塊5滑進大錐齒輪2的槽口后，鍵塊5則頂著大錐齒輪2轉(zhuǎn)動；當輸入軸1降速或停止時，由于刀軸慣性力的作用，刀軸反作用帶動輸出軸4及小錐齒輪3繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動，而采用超越離合器結(jié)構(gòu)與輸入軸1連接的大錐齒輪2則可以在小錐齒輪3的帶動下繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動，此時的鍵塊5則會脫離大錐齒輪2的槽口，大錐齒輪2和輸入軸1此時不再連接，由此避免了錐齒輪間的沖擊，保護了變速箱。

采用了該結(jié)構(gòu)的變速箱，完全避免了由于突然切斷動力輸出而導(dǎo)致的齒輪斷齒的問題，對于整個秸稈還田機的傳動系統(tǒng)起到了很好的緩沖作用，可以避免齒輪的沖擊、皮帶的磨損，延長了機器的使用壽命。

4 超越離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

由于該結(jié)構(gòu)傳動方式類似于切向鍵結(jié)構(gòu)，因此我們可以參考切向鍵的計算公式來進行設(shè)計計算。

計算公式：

T—轉(zhuǎn)矩（N·mm）；

D—軸的直徑（mm）；

l—鍵塊的工作長度（mm）；

μ—摩擦系數(shù)，對鋼和鑄鐵μ=0.12～0.17；

t—鍵工作面寬度（mm）；

C—鍵倒角的寬度（mm）；

n—鍵塊的有效數(shù)量；

5 材料、熱處理及結(jié)構(gòu)布置

大錐齒輪和軸的材料在載荷不大時可選用40Cr、40MnB，內(nèi)孔及槽口高頻淬火48～55HRC；在載荷較大或沖擊較大時可選用20Mn2B、20CrMnTi，滲碳、淬火、回火58～62HRC。鍵塊在載荷不大時也可選用40Cr，淬火回火至48～52HRC；在載荷和沖擊較大時選擇GCr15或T8，淬火回火至58～64HRC。

通常鍵塊數(shù)量至少需要3個，每個沿圓周方向間隔120°均勻布置，外圈的槽口數(shù)量可以加工成3個、6個或9個，槽口數(shù)量必須為鍵塊數(shù)量的倍數(shù)，槽口數(shù)量越多，可以減少鍵塊與槽口結(jié)合時的沖擊影響。如配套在大馬力變速箱上時，可采用4個、5個……鍵塊，所有鍵塊布置均需沿圓周方向均勻布置，鍵塊的最大數(shù)量取決于軸直徑大小，以保證軸的結(jié)構(gòu)完整及滿足軸工作強度要求為準。同時為了提高超越離合器結(jié)構(gòu)的承載能力，也可考慮加大軸的直徑和加長鍵的工作長度。

6 結(jié)語

采用超越離合器機構(gòu)的齒輪箱使得秸稈還田機在使用過程中出現(xiàn)的斷齒、皮帶磨損等傳動問題大大減少，整機的可靠性有了很大的提升，降低機器的維修頻率，使得用戶在農(nóng)忙時節(jié)可以有更多的時間投入到生產(chǎn)活動中，提高了生產(chǎn)效率。同時這也降低了秸稈還田機對用戶的操縱要求，提升了用戶的使用舒適性。