一種雙向風(fēng)力推料機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

楊延波，楊 勇，劉保朝

YANG Yan-bo，YANG Yong，LIU Bao-chao

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

0 引言

風(fēng)力不僅是一種清潔能源，而且低碳環(huán)保。本文介紹一種使用風(fēng)力清潔能源作為動(dòng)力的雙向運(yùn)動(dòng)的推料機(jī)，該機(jī)器是一種當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出風(fēng)能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)該推料機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物料傳送的機(jī)械裝置。該機(jī)器的研發(fā)過(guò)程中使用二維和三維CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效縮短設(shè)計(jì)周期并提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

1 風(fēng)力推料機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明

圖1 風(fēng)力裝置示意圖

1）根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物料傳送的機(jī)械裝置，示意圖如圖1所示。要求如下：物料尺寸為Φ25mm×10mm，材質(zhì)為塑料或尼龍；頂桿作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程范圍為30mm～50mm。其中，風(fēng)機(jī)前端面與葉輪輪轂前端面的距離為800mm，且風(fēng)機(jī)與葉輪相向而對(duì)并且軸線(xiàn)重合，示意圖如圖2所示。

2）兩個(gè)頂桿的頂出方向要垂直并且行程相同。葉輪傳動(dòng)軸軸線(xiàn)所處水平面與頂桿軸線(xiàn)所處水平面最近距離至少100mm，示意圖如圖3所示。兩頂桿軸線(xiàn)高度差H控制在20mm之內(nèi)，示意圖如圖4所示。

圖2 風(fēng)機(jī)與葉輪位置關(guān)系示意圖

圖3 傳動(dòng)軸軸線(xiàn)與頂桿軸線(xiàn)高度差示意圖

圖4 頂桿軸線(xiàn)高度差示意圖

2 風(fēng)力推料機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和示意圖，通過(guò)對(duì)輸入和輸出功能的分析，確定總體設(shè)計(jì)方案如圖5所示。該圖為風(fēng)力推料機(jī)的總裝配圖[1]。

圖5 總體設(shè)計(jì)方案

3 風(fēng)力推料機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

3.1 葉輪設(shè)計(jì)

1）葉輪功能分析

葉輪的功能是將風(fēng)機(jī)吹來(lái)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，從而帶動(dòng)后續(xù)機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推出物料。

2）設(shè)計(jì)方案

為了使風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，并要保證葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，葉輪的葉片數(shù)確定為5片，葉輪材料選用LY12，并制造成整體式葉片[2]，如圖6所示。

圖6 葉輪設(shè)計(jì)圖與三維實(shí)體效果

3.2 葉輪軸設(shè)計(jì)

1）葉輪軸功能分析

葉輪軸的功能是把葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩傳遞給減速機(jī)構(gòu)。由于沒(méi)有采用聯(lián)軸器，同時(shí)要求葉輪軸實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償與減速箱輸入軸（齒輪軸）不同軸誤差。因此，該葉輪軸右端面銑削成兩個(gè)平行平面，該兩平面與齒輪軸端面槽配合，以達(dá)到消除葉輪軸與齒輪軸不同軸的目的。

2）設(shè)計(jì)方案

葉輪軸選用45鋼，葉輪軸二維圖和三維實(shí)體效果如圖7所示[3]。葉輪軸通過(guò)錐面和葉輪輪轂配合，由葉輪軸的軸肩定位，左端通過(guò)雙螺母壓緊；通過(guò)軸肩上的鍵槽傳遞轉(zhuǎn)矩；支承軸頸是采用兩個(gè)深溝球軸承6000型20支撐在支架1上（如圖12(a)所示）；葉輪軸右端的螺紋通過(guò)螺母與支承軸頸的軸肩對(duì)葉輪軸軸向定位。

圖7 葉輪軸設(shè)計(jì)圖與三維實(shí)體效果

3.3 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）減速機(jī)構(gòu)功能分析

減速機(jī)構(gòu)的功能是把葉輪軸的高速旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)減速，使后續(xù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在合理的速度下平穩(wěn)地運(yùn)行。為了增加輸出轉(zhuǎn)矩并考慮到有限的空間，減速機(jī)構(gòu)采取一級(jí)減速，并使用齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。

2）設(shè)計(jì)方案

兩個(gè)齒輪的齒數(shù)分別為：齒輪軸Z1=20，大齒輪Z2=200。其減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為i=10。減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和三維裝配效果如圖8所示。

圖8 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖與三維實(shí)體效果

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括凸輪軸和撥桿機(jī)構(gòu)，現(xiàn)分別進(jìn)行說(shuō)明。

1）凸輪軸的設(shè)計(jì)

(1)凸輪軸功能分析

凸輪軸的功能是把減速后的旋轉(zhuǎn)速度、扭矩傳遞給撥桿機(jī)構(gòu)，使撥桿機(jī)構(gòu)在水平方向上左右運(yùn)動(dòng)。采用的柱面凸輪結(jié)構(gòu)是單導(dǎo)程凸輪軸。該凸輪軸在回轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B兩方向物料各推出一次，如圖10所示。

(2)設(shè)計(jì)方案

在如圖9所示的柱面凸輪二維圖中，其左邊的主視圖為柱面凸輪結(jié)構(gòu)，右邊為柱面凸輪曲線(xiàn)展開(kāi)視圖。

圖9 柱面凸輪二維圖與三維實(shí)體效果

2）撥桿機(jī)構(gòu)

(1)撥桿機(jī)構(gòu)功能分析

撥桿機(jī)構(gòu)的功能是在柱面凸輪軸的驅(qū)動(dòng)下，撥桿機(jī)構(gòu)在水平方向上左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從料倉(cāng)中推出尼龍物料。同時(shí)，帶動(dòng)齒輪2使另一推叉在水平方向上前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從另一料倉(cāng)中推出尼龍物料。

(2)設(shè)計(jì)方案

當(dāng)柱面凸輪軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)其輪槽撥動(dòng)撥桿。為了減小摩擦，在撥桿和凸輪槽之間采用滾動(dòng)軸承把滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦。撥桿和齒條采用螺釘連接，如圖10（a）所示；在A、B兩方向上齒條和直線(xiàn)導(dǎo)軌的導(dǎo)軌塊采用螺釘連接；齒條另一端安裝著伸出長(zhǎng)度可調(diào)的推叉，從料倉(cāng)中推出物料。A向齒條驅(qū)動(dòng)齒輪2，該齒輪帶動(dòng)B向的齒條和直線(xiàn)導(dǎo)軌，推動(dòng)推叉直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從料倉(cāng)里推出物料。該推料機(jī)在A、B兩方向上推出物料時(shí)是同步運(yùn)動(dòng)，若把齒輪2安裝在A向直線(xiàn)導(dǎo)軌的另一側(cè)，如圖10（b）所示的孔中，此時(shí)A、B兩方向上推出物料時(shí)是異步運(yùn)動(dòng)，并可減小工作負(fù)載。

撥桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體造型和裝配效果如圖11所示。

圖10 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖11 推料機(jī)構(gòu)實(shí)體造型和裝配效果

3.5 支架和底板的設(shè)計(jì)

1）支架的設(shè)計(jì)

(1)支架的功能分析

支架的功能是對(duì)葉輪軸、減速機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各個(gè)零部件進(jìn)行支撐。因此，支架的設(shè)計(jì)要求剛度足，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性并且空間布局合理。

(2)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并考慮到設(shè)計(jì)空間的限制，決定采取以下設(shè)計(jì)方案。

支架1：葉輪軸由支架1支撐，支架1的材料選為硬鋁12，毛坯厚度為26mm。在支架1的軸承孔內(nèi)安裝兩個(gè)深溝球軸承6000型20，兩端采用軸承端蓋壓緊。為減輕支架1的重量，支架設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，如圖12（a）所示。

支架2和支架3：齒輪軸由支架2和支架3支撐，其結(jié)構(gòu)如圖12（b）和（c）所示。這兩個(gè)支架所采用的材料與支架1一致。支架2的上軸承孔和支架3軸承孔分別安裝兩個(gè)深溝球軸承6000型17，支撐齒輪軸。支架2的下軸承孔安裝圓錐滾子軸承30000型20，用于支撐柱面凸輪軸。

支架4：支架4的軸承孔安裝圓錐滾子軸承30000型20，與支架2共同支撐柱面凸輪軸?？紤]到有限的空間，B方向推出物料的導(dǎo)軌從支架4所在位置的中間通過(guò)。因此，支架4的結(jié)構(gòu)與其它支架不同，其結(jié)構(gòu)如圖12（d）所示。

2）底板的設(shè)計(jì)

(1)底板的功能分析

底板是整套產(chǎn)品的基礎(chǔ)件，也是其它零部件的安裝基準(zhǔn)。要求底板剛度充足，有一定的平面度要求。

(2)設(shè)計(jì)方案

底板材料采用45鋼，毛坯厚度為13mm，并進(jìn)行銑削和磨削加工，結(jié)構(gòu)如圖13（a）所示。底板用4個(gè)PVC材料制作的支塊支撐，結(jié)構(gòu)如圖13（b）所示。

最終，支架和底板的三維實(shí)體設(shè)計(jì)及裝配效果如圖14所示。

圖14 支架、底板實(shí)體造型與裝配效果

4 物料平臺(tái)和料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

1）物料平臺(tái)的設(shè)計(jì)

(1)物料平臺(tái)的功能分析

物料平臺(tái)的功能是用來(lái)安裝物料倉(cāng)，物料平臺(tái)其高度為可調(diào)式結(jié)構(gòu)。在裝配時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓可調(diào)節(jié)物料平臺(tái)的高度與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相匹配。

(2)設(shè)計(jì)方案

物料平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖15所示。物料平臺(tái)底座設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖15 物料平臺(tái)結(jié)構(gòu)的二維圖和實(shí)體造型

圖16 物料平臺(tái)底座結(jié)構(gòu)的二維圖和實(shí)體造型

2）物料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

(1)功能分析

物料倉(cāng)的功能是用于存放尼龍物料，物料尺寸Φ25mm×10mm。

(2)方案設(shè)計(jì)

物料倉(cāng)需要兩個(gè)，物料倉(cāng)材料選用PVC材料。物料倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖17 所示。物料倉(cāng)底座結(jié)構(gòu)如圖18所示。

最終物料平臺(tái)和物料倉(cāng)裝配效果如圖19所示。

風(fēng)力推料機(jī)的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)所有三維實(shí)體進(jìn)行總裝配，其效果如圖20所示。

圖17 物料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的二維圖和實(shí)體造型

圖18 物料倉(cāng)底座結(jié)構(gòu)的二維圖和實(shí)體造型

圖19 物料平臺(tái)和物料倉(cāng)裝配效果圖

圖20 雙向風(fēng)力推料機(jī)裝配效果

5 結(jié)束語(yǔ)

雙向風(fēng)力推料機(jī)的設(shè)計(jì)采用低碳環(huán)保理念，使用當(dāng)前先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)?？s短了設(shè)計(jì)和研發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)和制造成本。雙向風(fēng)力推料機(jī)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，其先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段有二維繪圖軟件、三維設(shè)計(jì)軟件等，以上設(shè)計(jì)手段都是當(dāng)前在制造業(yè)所廣泛采用的新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用空間和市場(chǎng)前景。

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