固體混合粉末均勻落料鋪平裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李曉維　程煉兵　劉富林　席明龍

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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固體混合粉末均勻落料鋪平裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李曉維程煉兵劉富林席明龍

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：針對(duì)在NAO剎車片成形過程中多種混合粉末均勻鋪粉的技術(shù)難題，依靠機(jī)械剪切力的作用落料鋪粉，設(shè)計(jì)并制備了一種適用于固體混合粉料定量輸送鋪平裝置；通過建立混合粉料定量輸送鋪平裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)的理論模型，得出鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度、粉料輸送皮帶速度之間的定量關(guān)系；通過對(duì)各層粉量的均勻性實(shí)驗(yàn)和單層各區(qū)域的均勻性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自行開發(fā)的混合粉料定量輸送鋪平裝置的穩(wěn)定性和精確性．結(jié)果表明：該裝置運(yùn)行可靠，可實(shí)現(xiàn)均勻鋪粉，平均每層粉末厚度為0.15 mm．

關(guān)鍵詞：NAO剎車片；固體混合粉末；均勻落料鋪粉；裝置設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在NAO剎車片制備過程中，如何將多種不同粒徑大小的混合粉末均勻鋪粉是一個(gè)技術(shù)難題，鋪粉工藝作為剎車片制備工藝的基礎(chǔ)，其鋪粉裝置的好壞對(duì)NAO剎車片的制備效率、成形精度和性能具有舉足輕重的影響[1]．比如鋪粉精度影響著鋪粉層的厚度、均勻性和密度大小，進(jìn)而直接影響NAO型剎車片層單元的成形質(zhì)量及剎車片的物理性能和摩擦磨損性能[2-3]．

當(dāng)前，在3D打印鋪粉領(lǐng)域，常用的鋪粉工具有輥?zhàn)邮?、刮板式、移?dòng)料斗式等[4]，其原理如圖1所示．其優(yōu)缺點(diǎn)見表1．

圖1　4種現(xiàn)有鋪粉裝置

以上4種鋪粉機(jī)構(gòu)鋪粉效果都存在一定的問題而使得成形實(shí)驗(yàn)無法持續(xù)進(jìn)行，NAO型剎車片鋪粉需要不平整的表面進(jìn)行混合粉末均勻無缺陷地鋪粉，因此開發(fā)更加可靠的鋪粉方式對(duì)于保證剎車片層單元的成形質(zhì)量，進(jìn)而保證NAO型剎車片的制造質(zhì)量和穩(wěn)定性能是非常重要的．本文依據(jù)機(jī)械剪切力的作用落料鋪粉，提出一種適用于固體混合粉料定量輸送鋪平裝置的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其鋪粉試驗(yàn)研究方案進(jìn)行詳細(xì)論述．

表1　現(xiàn)有鋪粉裝置分類及優(yōu)缺點(diǎn)

1混合粉料定量輸送鋪平裝置原理

圖2為混合粉料定量輸送鋪平裝置的原理圖．該裝置主要由粉料分散(兩個(gè)高速同步大針軸)、防堵塞(小針軸)、粉料輸送(低速同步皮帶輪)和粉料鋪平4個(gè)子功能組件組成．

1.支架；2.粉料；3.料倉；4.大針軸；5.皮帶輪；6.小針軸；7.弧形擋板；8.水平工作臺(tái)；9.皮帶；10.皮帶輪圖2　混合粉料定量輸送鋪平裝置原理圖

1)粉料輸送組件．粉料輸送部件由兩個(gè)對(duì)稱布置且低速同步轉(zhuǎn)動(dòng)的皮帶輪對(duì)5、5′組成，其主軸分別固定在料倉前后壁面的軸承滑塊連接件上，將混合粉料定量的向料斗出口傳送．軸承滑塊連接件可以在左右壁面導(dǎo)軌上滑動(dòng)，皮帶輪對(duì)隨著軸承滑塊的滑動(dòng)而滑動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整出口間隙．調(diào)整料倉3的出口間隙以及同步皮帶輪對(duì)5、5′的速度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉料的定量供給．

2)粉料分散組件．粉料分散組件由固定在料倉3前后壁面中間位置的兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的大針軸4、4′組成，兩個(gè)大針軸分別由主軸對(duì)稱安裝于料倉前后壁面的軸承孔內(nèi)，經(jīng)相向旋轉(zhuǎn)后對(duì)混合粉料進(jìn)行梳理、分散．其中，大針軸為設(shè)有多根雙向螺旋分布的針齒的針齒軸，針齒長(zhǎng)為10～30 mm，雙向螺旋針齒軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，粉末由中間推向兩邊．

3)防堵塞組件．防堵塞組件為固定在料倉出口處的低速旋轉(zhuǎn)小針軸6，小針軸經(jīng)主軸安裝在料倉前后壁面軸承孔內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)小針軸防止混合粉料堵塞，其針齒長(zhǎng)為3～5 mm．

4)粉料鋪平組件．粉料鋪平組件包括設(shè)置在料倉下的水平工作臺(tái)8和水平工作臺(tái)下面的皮帶9，水平工作臺(tái)隨著皮帶的移動(dòng)而移動(dòng)，皮帶經(jīng)皮帶輪10帶動(dòng)．通過控制出粉口下方的水平工作臺(tái)的移動(dòng)速度及料倉3出口高度來實(shí)現(xiàn)不同厚度的均勻鋪粉．

2鋪粉裝置關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

2.1粉料箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，粉料的下滑過程主要與粉料箱的外形和傾斜角度相關(guān)，粉料箱的外形一般設(shè)計(jì)成圓錐形和梯形兩大類[5-6]，其示意圖如圖3所示．

圖3　各種料斗形狀圖

見圖4，設(shè)粉料箱斜面長(zhǎng)度為l，傾角為α，單個(gè)粉末顆粒的質(zhì)量為m，重力G(G=mg)，摩擦力f，粉末顆粒同粉料箱傾斜表面的摩擦系數(shù)為μ，則

圖4　料斗斜面分析

根據(jù)牛頓第二定律：

其中，a=(sinα-μ·cosα)·g，a為粉末顆粒沿粉料箱斜面下滑時(shí)的加速度，若取V0=0，則

式中，μ、d、g均為常量，若使t較小，即粉料容易下滑，則可使sin(2α-χ)極大，即

由式(10)可知，摩擦角的存在使粉料箱的傾斜角度α>45°，但是α不能太大，否則，在粉料箱的容積保持不變時(shí)，增加粉料箱的高度會(huì)使料箱高度增加，加料不便，粉塵飛揚(yáng)．因此，考慮摩擦角α、加料及料斗振動(dòng)等因素，常取48°<α<75°．

當(dāng)料斗的傾斜角度α1=α2(如圖3c)時(shí)，粉料從各個(gè)方向下滑的的速度一致使得在出粉口處堵塞或發(fā)生搭橋現(xiàn)象．為防止產(chǎn)生這種情況，粉料箱應(yīng)取不同傾角，本文選擇左右兩側(cè)面的傾斜角度分別為55°和65°，如圖5所示．采用的傾斜落料箱，與傳統(tǒng)落料箱相比，增加了粉末順向流動(dòng)性，避免了粉末結(jié)團(tuán)．

圖5　料斗組件三維效果圖

2.2粉料分散組件及防堵塞組件

粉料分散主要為兩個(gè)同步高速大針軸，其作用主要是對(duì)料箱里面的混合粉料梳理分散．防堵塞組件為靠近料斗出口的小針軸，在低速下轉(zhuǎn)動(dòng)可防止混合粉料堵塞出口．以小針軸為例，如圖6所示，小針齒軸(6)上設(shè)有多根成雙向螺旋分布的針齒(61)，以使小針齒軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將團(tuán)狀粉末由中間推向兩邊．其中，針齒直徑為3～5 mm，大針齒沿軸向分布的間距為10～30 mm，小針齒沿軸向分布的間距為10～15 mm，針齒沿圓周分布為8～16根/360°．

圖6　針軸二維圖

上述結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用針徑很細(xì)的針齒軸，在緩慢順向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可輕輕分開結(jié)團(tuán)的粉末，不至于破壞均勻混合的粉末，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量．采用的針齒軸，在緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，針齒的表面積小，在空氣中阻力小，不會(huì)攪動(dòng)空氣流，也就不會(huì)導(dǎo)致極輕的粉末飛揚(yáng)．

2.3混合粉料定量輸送鋪平裝置三維圖

如圖7所示為最終裝配成形的混合粉料定量輸送鋪平裝置三維效果圖，其組件包括料箱、底板、皮帶輸送組件、底座組件、粉料分散及防堵塞針軸、步進(jìn)電機(jī)等．

1.料箱；2.皮帶輸送組件；3.底座組件；4.底板；5.粉料分散及防堵塞；6.步進(jìn)電機(jī)圖7　混合粉料定量輸送鋪平裝置三維效果圖

3混合粉料定量輸送鋪平裝置的驗(yàn)證

3.1混合粉料定量輸送鋪平裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

據(jù)設(shè)計(jì)要求理論鋪粉厚度范圍為0～2 mm．為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目的，模擬粉料下落過程如圖8所示．據(jù)微元積分思想，垂直下落的粉料連續(xù)有序堆積地落在水平工作臺(tái)上．

圖8　粉料下落模擬圖

圖8中相關(guān)參數(shù)V0為粉料下落的初速度(即粉料輸送皮帶的速度)，V0為粉料剛落到工作臺(tái)上的速度(即粉料在垂直方向上的末速度)，V1為水平工作臺(tái)的移動(dòng)速度，L為料斗開口間隙，a為水平工作臺(tái)上的鋪粉厚度，H為料斗口到水平工作臺(tái)的高度，t為粉料從料斗開口到粉料剛落至水平工作臺(tái)上的時(shí)間，Δt為粉料在工作臺(tái)上的粉料厚度累積時(shí)間．上述各參數(shù)存在以下物理關(guān)系：

因?yàn)榉哿显诠ぷ髋_(tái)上的鋪粉厚度a很小，近似認(rèn)為粉料在鋪粉厚度a這段距離做速度為V2的勻速直線運(yùn)動(dòng)．Δt為粉料在工作臺(tái)上的粉料厚度累積時(shí)間，即水平工作臺(tái)同一位置通過料斗開口間隙L所用時(shí)間．

據(jù)設(shè)計(jì)要求，初步選取鋪粉厚度a為1 mm，料斗口到水平工作臺(tái)的高度H為10 mm，水平工作臺(tái)移動(dòng)速度V1為1 m/s，料斗開口間隙L為2 mm．將這組數(shù)據(jù)帶入上面各式，得粉料下落的初速度V0(即粉料輸送皮帶的速度)為0.2 m/s．

通過以上分析，得出鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度之間的定量關(guān)系，為該裝置定量輸送鋪平奠定了理論基礎(chǔ)．

3.2均勻鋪粉裝置的流動(dòng)模擬圖

選用顆粒大小范圍在300～350目、密度在0.8～4.0 g/cm3的15種制造高檔剎車片的混合粉末作為試驗(yàn)樣品，在成形區(qū)域?yàn)?00 mm×200 mm的鋪粉水平工作臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)．其中，圖9為基于FLUENT多種固體混合粉末下落模擬圖，圖10為使用多種不同顆粒大小的白色粉末混合鋪粉的效果圖．

圖9　粉料下落模擬圖

圖10　不同顆粒大小的粉末混合鋪粉的效果圖

3.3各層總鋪粉量的均勻性實(shí)驗(yàn)

采用上述多種混合粉末進(jìn)行鋪粉均勻性實(shí)驗(yàn)：定量輸送鋪平裝置料倉出口間隙控制在0～5.0 mm之間，料倉出口高度控制在5.0～15.0 mm，同步運(yùn)行的皮帶輪對(duì)的移動(dòng)速度為0.10～0.50 m/s，水平工作平臺(tái)移動(dòng)速度為1.00～1.50 m/s，小針軸旋轉(zhuǎn)速度為30～60 rad/s，大針軸對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為10～30 rad/s，將鋪粉區(qū)域劃分為36個(gè)小區(qū)域，保證粉料箱中的混合粉料的質(zhì)量在450～550 g之間．在相同條件下，運(yùn)行同一個(gè)鋪粉流程15次，其測(cè)試結(jié)果如圖11所示．由圖11可知，在同一條件下，15次鋪粉量曲線基本平穩(wěn)，經(jīng)計(jì)算可得，其平均值與方差分別為20.15和1.96，因此，在相同鋪粉區(qū)域內(nèi)，鋪粉的層厚度基本穩(wěn)定．保證粉倉中的粉末質(zhì)量在450～550 g的范圍內(nèi)，采用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行一系列的鋪粉量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度之間存在定量關(guān)系．

圖11　鋪粉篩鋪粉量的測(cè)量值

3.4各區(qū)域鋪粉量的均勻性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證鋪粉過程中各區(qū)間鋪粉量的均勻性，將水平工作面劃分為的36個(gè)小方格區(qū)域．保證定量輸送鋪平裝置各物理參數(shù)及粉料的質(zhì)量不變，進(jìn)行10次鋪粉實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)量小方格區(qū)域內(nèi)粉料的質(zhì)量，其測(cè)量結(jié)果見表2．

表2　成形區(qū)域內(nèi)個(gè)方格內(nèi)粉末的質(zhì)量

按照表2的數(shù)據(jù)繪出36個(gè)小方格區(qū)域的鋪粉量分布三維圖如圖12所示．

圖12　成形區(qū)域內(nèi)36個(gè)方格內(nèi)粉末的質(zhì)量分布

由表2及圖12，經(jīng)計(jì)算可得，在同一條件下鋪粉10次所得的36個(gè)小方格區(qū)域內(nèi)粉料量平均值、方差、最大差值分別為5.28、0.74、0.11，平均每層粉末厚度為0.15 mm，從而驗(yàn)證了鋪粉裝置的穩(wěn)定性和精確性，通過改進(jìn)鋪粉工藝還可以提高各區(qū)域粉末的均勻性．

4結(jié)論

1)由于鋪粉方式為落料鋪粉，因此對(duì)于存在凹凸不平等缺陷的工作平面時(shí)依然能完成鋪粉．同時(shí)，對(duì)流動(dòng)性差的粉料能通過輸送帶的運(yùn)動(dòng)和出粉口防堵塞針軸的旋轉(zhuǎn)，可以打破搭橋現(xiàn)象從而順利進(jìn)行鋪粉．

2)由于依靠機(jī)械剪切力的作用落料鋪粉，從而避免了由于振動(dòng)引起的多種混合固體粉末分層的現(xiàn)象．

3)通過控制料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同厚度的均勻鋪粉，特別是在非平整表面實(shí)現(xiàn)薄層鋪粉時(shí)更具有顯著的效果．

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[責(zé)任編輯張莉]

Design and Experimental Verification of a Device for Mixed

Solid Powder’s Evenly Dropping and Paving

Li XiaoweiCheng LianbingLiu FulinXi Minglong

(College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ. , Yichang 443002, China)

AbstractAiming at the problem how to evenly spread the mixed powder in the forming process of the NAO brake pads , a device suitable for quantitatively conveying and paving mixed solid powder material is designed and fabricated on the basis of the function of mechanical shear force. A theoretical model of motion parameters of the device is established to obtain the quantitative relationship between the thickness of the powder and the hopper outlet gap, the drop height and the belt speed. The stability and accuracy of the hybrid powder feeding device is verified from the device of the uniformity of different layers and the different areas uniformity of the single layer. The results show that the device is reliable; and can get an evenly powder spreading, and the average powder thickness is 0.15mm.

KeywordsNAO brake pads；mixed solid powder；evenly spread powder；device design；experimental verification

基金項(xiàng)目：校企合作項(xiàng)目(SDHZ2013055)

中圖分類號(hào)：TH132.2+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2015)06-0095-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.020

通信作者：李曉維(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程．E-mail：weiweixiao168518@163.com

收稿日期：2015-06-14 2015-04-01