風動雙輸出送料機研制——傳動機構設計

□ 高天友

常州輕工職業(yè)技術學院 江蘇常州 213164

自動送料機指能自動按規(guī)定要求和既定程序進行運作，它把物品從一個位置送到另一個位置，其過程不需人為的干預即可自動準確地完成，一般具有檢測裝置、送料裝置等，主要用于各種材料和工業(yè)產(chǎn)品、半成品的輸送，也能配合下道工序使生產(chǎn)自動化。工業(yè)生產(chǎn)領域一直是以電能作為主要能源，作為耗能大戶面臨著能源短缺的困擾，在國家大力提倡低碳環(huán)保的背景下，如何最大效率地利用風能、太陽能等清潔能源，作為傳統(tǒng)能源的補充或是替代品，是當前科學研究和技術領域的前沿課題，“風動雙輸出送料機”就是創(chuàng)新地利用風能作為動力來源，通過合理地設計葉輪葉片，借助鏈輪、滾子輪傳動系統(tǒng)和可調(diào)偏心溝槽輪執(zhí)行機構實現(xiàn)物流的雙向輸出，送料機的外形采用圓桶形狀，加工簡單方便，剛性良好，具有工業(yè)應用前景。

1 功能要求

給定一風能，根據(jù)能量轉換原理，設計與制造一風能驅動葉輪轉動，進而帶動傳動機構和驅動機構，實現(xiàn)物料傳送的機械裝置，如圖1所示。

物料尺寸為φ25 mm×10 mm，材質為塑料或尼龍；頂桿作直線往復運動，行程范圍為30～50 mm。

▲圖1 結構圖

2 機械結構方案設計

方案如圖2所示，葉輪1在軸流風機的驅動下帶動主動軸2旋轉，通過傳動機構3帶動從動軸4旋轉，安裝在兩側的頂桿5在驅動機構6的作用下實現(xiàn)既定的輸出要求。該方案中主動軸2與從動軸4垂直布置，兩個輸出方向與從動軸也是垂直布置，可以用一套驅動機構實現(xiàn)雙向成90°角輸出。

▲圖2 垂直軸傳遞方案

由于采用垂直傳動，當主動軸水平布置時，從動軸必然垂直放置，整套機構就可以做成桶狀結構，這樣一方面在節(jié)省材料的同時又可以提高整套機械裝置的強度，另一方面又能避免過多的數(shù)控加工。該機構主要由葉輪、主動軸、從動軸、傳動機構、執(zhí)行機構、錐套連接器等主要部件組成，在保證整個系統(tǒng)機械剛性的前提下，簡化了裝置的結構，減輕整機重量，縮短了產(chǎn)品的設計和制造周期，降低了生產(chǎn)成本。

3 技術參數(shù)及整機性能

機械裝置的結構如圖3所示，該套裝置外殼采用圓桶型，直徑為250 mm，高度為260 mm，輸入端回轉軸中心距底部距離為194 mm，從動軸中心距輸入軸外端面距離為203 mm，輸入軸中心距物料頂桿中心距離最大為104 mm，最小為101 mm，傳動比為1∶2；在速度為8 m/s、流量為10 000 m3/min的風力作用下，啟動時間2～3 s，勻速狀態(tài)下頂桿往復頻率≥120次/min，掛檔延時時間3～4 s，正常工作情況下，葉輪啟動后5～7 s頂桿開始工作，整套機械裝置重量不超過15 kg。

4 掛檔延時裝置

葉輪在風力作用下從靜止到轉速恒定需要一定時間，如果直接帶負載運行，啟動時間會增加，為了減少起動時間，最佳的方法是在傳動機構上增加一套延時裝置，保證葉輪轉速恒定之后再帶動負載一起運動，圖4為送料機裝置的傳動延時裝置結構圖，葉輪在開始起動時帶動鏈輪旋轉，鏈輪通過傳動系統(tǒng)帶動滾子輪和軸套旋轉，此時從動軸上的鋼球座保持平衡狀態(tài)，從動軸和軸套之間由于沒有連接件，因此保持靜止狀態(tài)，系統(tǒng)此時不帶負載運行。由于滾子輪和軸套的旋轉，軸套上的撥片回轉一周之后觸碰鋼球使其失去平衡，鋼球在鋼球座中沿軌道滑動到對側低點，此時鋼球座失去平衡發(fā)生傾斜，下部的擺片將會插入軸套的槽中使從動軸和軸套之間用擺片聯(lián)結起來，滾子輪將會帶動從動軸一起運動，完成傳動延時并掛檔的功能。根據(jù)工業(yè)機械通常采用 “空載啟動，達到額定輸出后負載運動”設計的原則，該套裝置的存在能夠保證葉輪在啟動并達到高速旋轉狀態(tài)之后進行切檔帶負載運動，提高了推料裝置的運行效率。

5 頂桿位移方程計算

圖5所示為偏心輪機構的簡化圖，O′為偏心輪回轉軸中心，O為輪中心，輪子半徑OA=R，偏心距為e，回轉軸轉速為ω，偏心輪回轉時從A點以角速度ω旋轉至A′點，時間為t，在A′處產(chǎn)生的位移為O′A—O′A′，其中 O′A′=R-e，頂桿位移方程 s（t）可按如下進行計算，設 ∠OAO′=β，∠AOO′=α：

▲圖3 裝置結構圖

▲圖4 掛檔延時裝置圖

▲圖5 偏心輪簡圖

綜合式（1）、（2）、（3）、（4），位移方程為：

頂桿位移方向與偏心輪回轉軸中心和偏心輪中心連線OO′重合，采用這種安裝方式，偏心輪的壓力角α=0°，能夠提高傳動機構的效率。

6 輸出位移調(diào)節(jié)裝置

輸出位移調(diào)節(jié)裝置如圖6所示，旋轉調(diào)節(jié)螺桿，溝槽輪會向回轉軸移動，從而改變偏心距e，由位移方程式（5）可知，在偏心輪圓周半徑R不變的情況下，改變偏心距 e，輸出的位移 s（t）就會改變，在式（5）中， ωt=0，s（t）=0；ωt=180°，s（t）=2e，頂桿輸出距離為 0～2e，因此設置偏心距調(diào)節(jié)范圍最大為25 mm，最小為15 mm，就可以實現(xiàn)輸出位移在30～50 mm之間調(diào)節(jié)。

圖7所示為e=15 mm時執(zhí)行機構的安裝示意圖，假設葉輪旋轉的速度為120 r/min，減速之后從動軸的旋轉速度為60 r/min，利用模擬軟件可得輸出端頂桿的位移、速度、加速度如圖8、9、10所示。

改變偏心距e，分析不同偏心距下頂桿位移、速度、加速度曲線可以看出，由于機構的形式?jīng)]有變化，因此輸出位移、速度、加速度曲線的形態(tài)也沒有發(fā)生變化，位移變化規(guī)律遵循三角函數(shù)運動規(guī)律，偏心距改變之后幅值也變化；速度也是三角函數(shù)規(guī)律，遵循由小到大再變小的規(guī)律，隨著偏心距的增加，最大速度也增加；加速度變化的規(guī)律就比較復雜，但也是周期函數(shù)變化，一個周期內(nèi)有多個谷底和峰值點，可以看出在機構運動的過程中會承受比較多的沖擊，如果直接用溝槽連接推桿會出現(xiàn)抱死的狀況，因此在溝槽與推桿連接部分設計用軸承進行連接，可以有效地傳遞位移并防止機構發(fā)生自鎖。

▲圖6 輸出位移調(diào)節(jié)裝置

▲圖7 偏心距e=15 mm安裝示意圖

▲圖8 e=15 mm頂桿位移

▲圖9 e=15 mm頂桿速度

▲圖10 e=15 mm頂桿加速度

7 結束語

風動雙輸出送料機切合了當今低碳環(huán)保的理念，充分利用清潔能源——風力作為原動力完成物料的輸送功能。由于采用垂直軸傳動，最終裝置的結構可以做成桶狀，這樣一方面有利于氣流流動，增加葉輪的轉速，另外一方面桶形結構的原材料易于得到，加工工藝性、裝配工藝性都可以得到保證。傳動裝置垂直布置后，不以外殼為支撐安裝傳動軸，避免因同軸度要求較高而采用鏜孔加工，保證了結構的完整性，提高了結構的整體剛度，降低了加工難度。

［1］ 黃純穎，高志.機械創(chuàng)新設計［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］ 陳立德.機械設計基礎［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 《現(xiàn)代機械傳動手冊》編委會.現(xiàn)代機械傳動手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［4］ 邱宣懷.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［5］ 劉萬琨，張志英.風能與風力發(fā)電技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.