基于UG的風動雙輸出送料機葉輪的設計與加工

高天友

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 常州 213164)

自動送料機是指能自動地按要求和既定程序進行運作，不需要直接操作就能把物料從一個位置送到另一個位置，送料期間不需人為地干預即可自動準確地完成送料的機構(gòu)。自動送料機配有檢測裝置和送料裝置等，而葉輪作為整個傳動鏈中風能的接收端，其結(jié)構(gòu)設計與制造的好壞將會直接影響物料遞送，繼而影響整機的工作效率。

1 葉輪的設計

常見的葉輪根據(jù)流體在其中的流動情況可分為離心式葉輪和軸流式葉輪[1]，如圖 1所示。此種形式的葉輪常用于渦輪、水泵、壓縮機等流體機械，可將原動機輸入的機械能傳遞給液體，以提高液體的能量，實現(xiàn)相應的功能。

圖1 離心式葉輪

圖2所示為軸流式葉輪的結(jié)構(gòu)圖，此種形式的葉輪常用于風機、水泵等流體機械，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕的特點，常用于大流量、低揚塵的場合。離心式葉輪的制備常采用鑄件數(shù)控加工的方式，因為其結(jié)構(gòu)復雜，在加工中需要用到多軸機床，而且加工的時間很長，故在對葉輪設計時不會采用該種形式的葉輪。根據(jù)力相互作用的原理，軸流式葉輪在承受流體作用時將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的趨勢，當流體的流速達到某個臨界值時會帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)類似于風力機葉片的功能，因此在風動雙輸出送料機的設計中常采用該種形式的葉輪。

圖2 軸流式葉輪

由于軸流式葉輪在結(jié)構(gòu)上類似于風力機的葉片，因此可以借助于風力發(fā)電機的動力學分析方法來進行氣動力學分析。圖3所示是風力機葉片截面的受力圖。

圖3 風力機葉片截面受力圖

葉片弦線與風輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角為 β，風是由下往向上吹，風速為 V；葉片向左運動，線速度為U；葉片實際受到的是相對風速W；風速W與葉片弦線的夾角為α(攻角)。在風速W的作用下，葉片受到升力Fl與阻力Fd，F(xiàn)l與Fd的合力為F1，F(xiàn)1在風輪旋轉(zhuǎn)平面上的投影為F，F(xiàn)就是推動風輪旋轉(zhuǎn)的力。一般來說，不同的葉片截面獲取的旋轉(zhuǎn)力F是不同的，因此在風力機設計的時候常采用特定的翼型結(jié)構(gòu)。由于攻角的改變，從葉片的根部到葉尖的翼型是不同的，并且葉片常常會設計成空間扭曲型。

參照風力機氣動模型，將葉輪的葉片簡化為如圖 4所示的平面直列葉柵進行葉輪內(nèi)部的流動分析。在速度為V的風力作用下，葉輪保持靜止狀態(tài)，作用在葉片上的氣流產(chǎn)生阻力Fd和升力Fl，F(xiàn)l為推動葉輪旋轉(zhuǎn)的力，力的大小與通過葉片截面的空氣量有關(guān)，因此為了保證葉輪在一定風速下啟動，在兩片葉片之間的距離S應該盡量減小以保證葉片表面有最大的受風量。

圖4 葉輪靜止狀態(tài)下的平面直柵受力圖

如圖5所示，當葉輪以一定速度U旋轉(zhuǎn)時，氣流將以速度W通過葉輪的表面，W與葉片截面弦線的夾角為α(攻角)，阻力Fd和升力Fl的合力F在U方向上的分量為驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)的推力。在推力恒定的情況下，根據(jù)能量守恒定律，為了使葉輪獲得較快的轉(zhuǎn)速，葉輪必須要有較小的轉(zhuǎn)動慣量 I。同時參照風力機葉片的氣動模型，夾角α應保持在8～15°之間，才能獲得良好的氣動性能。

圖5 葉輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的平面直柵受力圖

2 葉輪三維造型

影響葉輪風能利用率的主要參數(shù)有:實度、葉片翼型、直徑大小和輪轂尺寸等。在利用UG三維軟件進行葉片的造型設計時，應依據(jù)空氣動力學的原理，來確定葉片采用空間扭曲的造型，圖6所示為葉片掃掠模型?？紤]到加工方法、加工精度和加工時間，其中的引導線為空間螺旋曲線，截面線為矩形。掃掠之后的葉片如圖7所示。為了降低葉輪的啟動力，增加葉輪的受力面，采用了7葉片的造型，如圖8所示。

圖6 掃掠模型

為了降低轉(zhuǎn)動慣量，在設計時，對葉根部分與葉輪軸孔之間采用了掏空的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仿真分析、試驗測試和調(diào)整優(yōu)化之后完成了對葉輪的最終設計，如圖9所示。

圖7 單個葉片造型

圖8 葉片整體造型

圖9 最終葉輪造型

3 葉輪的加工

圖9所示的葉輪在加工時需要采用四軸聯(lián)動機床，在開粗時可以使用三軸機床對葉輪進行加工，對葉輪的流道和葉片可以 采用3.5軸的機床進行加工。由于葉片是有一定厚度的，而且在葉片的兩側(cè)沒有正對軸心，因此在實際加工時必須采用四軸聯(lián)動機床，這一部分的加 工程序需要用UG CAM軟件生成，如圖10所示為葉輪流道的數(shù)控仿真刀路圖，圖11所示為葉片的數(shù)控仿真刀路圖。

圖10 流道仿真刀路

圖11 葉片仿真刀路

4 結(jié)語

在對葉輪及整機設計完成后，可以利用UG軟件對位移、加速度、頂桿推力進行仿真計算，也可以對推料過程進行模型分析，以檢驗葉輪設計的可靠性。葉輪的優(yōu)劣將會直接影響到整機的工作效率。葉片的曲率、數(shù)量等參數(shù)可以通過運動的仿真不斷地加以完善，以達到最佳的效果。

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