基于ADAMS沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

田原嫄，蘭 奎，郭海濤

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，呼和浩特 010021；3.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

基于ADAMS沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

田原嫄1，蘭 奎1，郭海濤2，3

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，呼和浩特 010021；3.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了提高沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的傳動(dòng)效率，對(duì)其執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于ADAMS對(duì)裝配了掃屑機(jī)構(gòu)的沖壓式蜂窩煤成型機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的蜂窩煤成型機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)是完全可靠的，整個(gè)系統(tǒng)的剛度性能、使用性能、運(yùn)動(dòng)的精度和穩(wěn)定性能都能滿足蜂窩煤成型機(jī)正常運(yùn)行的整體性能要求。

沖壓式蜂窩煤成型機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ADAMS；集成

沖壓式蜂窩煤成型機(jī)[1]是我國(guó)城鎮(zhèn)蜂窩煤生產(chǎn)廠的主要生產(chǎn)設(shè)備。傳統(tǒng)沖壓式蜂窩煤成型機(jī)先將煤粉壓緊在插針沖孔，這樣會(huì)造成插針的磨損，插針很容易損壞，并且對(duì)整機(jī)要求很高。原有蜂窩煤成型機(jī)將成型和脫模分為兩道工序并且工作盤只有一個(gè)工位，不能同時(shí)完成沖壓、脫模和加料，這樣就會(huì)造成時(shí)間的浪費(fèi)、成本高、工作效率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中沖頭和脫模盤都與上下移動(dòng)的滑梁集成為一體，當(dāng)滑梁下沖時(shí)將煤粉沖壓成蜂窩煤，脫模盤將已壓成的蜂窩煤脫模；將沖頭和沖針設(shè)計(jì)集成為一體，在沖壓的過(guò)程中可對(duì)煤粉同時(shí)完成沖孔；將工作盤設(shè)計(jì)成多工位模筒，可在沖壓時(shí)完成加料和脫模運(yùn)動(dòng)。為了提高傳動(dòng)效率、降低噪聲、延長(zhǎng)易損件壽命，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于ADAMS對(duì)裝配了掃屑機(jī)構(gòu)的沖壓式蜂窩煤成型機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-4]與仿真分析。

1 執(zhí)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了加工出質(zhì)量良好的蜂窩煤，蜂窩煤成型機(jī)必須具備良好的加工功能，其功能必須有：①煤粉加料；②沖頭沖壓；③成型煤脫模；④煤屑清掃；⑤工作盤間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；⑥成型煤運(yùn)輸。分析上述6個(gè)功能可知，加料是利用本身的重力進(jìn)行加料，輸送是利用輸送帶進(jìn)行輸送。這兩個(gè)動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，所以在設(shè)計(jì)中先不予考慮。然而，脫模盤和沖頭可固定在上下反復(fù)移動(dòng)的滑梁上，所以可利用一個(gè)機(jī)構(gòu)完成實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要對(duì)沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的沖壓和脫模機(jī)構(gòu)、掃屑機(jī)構(gòu)和工作盤間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[5-7]等執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 沖壓和脫模機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用多套設(shè)計(jì)方案優(yōu)化沖壓和脫模機(jī)構(gòu)，優(yōu)化方案如圖1所示，方案(a)-方案(g)為連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，方案(h)、方案(i)為凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；方案(j)-方案(l)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合表1可知，方案(a)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，易加工且具增力作用；方案(d)-方案(g)為六桿機(jī)構(gòu)[4]，但是行程??；凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但易磨損且傳力小；齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動(dòng)準(zhǔn)確、效率高、壽命長(zhǎng)，但加工裝配難。

根據(jù)沖壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案定性分析(如表1所示)，初選方案(a)，方案(g)。

圖1 沖壓機(jī)構(gòu)和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

性能特點(diǎn)形態(tài)連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度高較高高行程大小取決于曲柄尺寸小可任意可調(diào)程度可調(diào)調(diào)節(jié)困難可調(diào)動(dòng)力性能平衡困難取決于凸輪形狀好簡(jiǎn)單性不太簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，但一般齒輪須擺動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)齒條往復(fù)移動(dòng)機(jī)械效率一般一般較高承載能力高較低較高其他特性有急回特性可實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律傳動(dòng)平穩(wěn)

1.2 掃屑機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2 掃屑機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

掃屑機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖2所示中的兩種。圖2中方案(a)工作平穩(wěn)，方案(b)性能較好。經(jīng)過(guò)圖2中這兩種方案的比較可知，掃屑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能都很好，所以都可以采用。

1.3 工作盤間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

工作盤間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 工作盤間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖3中方案(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但轉(zhuǎn)角不可太小，有沖擊；方案(c)制造方便，轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確，但易引起沖擊磨損；方案(b)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角范圍大但加工復(fù)雜，會(huì)引起剛性沖擊。

綜合考慮，初選方案(a)，方案(b)。

2 執(zhí)行系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

不同的機(jī)構(gòu)具有不同的機(jī)械性能，如對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)急回，但不利于清屑；不完全齒輪機(jī)構(gòu)適合于轉(zhuǎn)速不高時(shí)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)有剛性沖擊；槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本較小；棘輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大沖擊；固定凸輪移動(dòng)從動(dòng)件機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)有高副；附加滑塊搖桿機(jī)構(gòu)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)可靠的特點(diǎn)。因此，選擇最終方案如圖4所示。

圖4 執(zhí)行系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖5 輸出機(jī)構(gòu)(滑塊F)位移運(yùn)動(dòng)曲線

沖壓機(jī)構(gòu)采用圖1方案(a)的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；模筒轉(zhuǎn)盤采用圖3方案(a)的槽輪機(jī)構(gòu)；掃屑機(jī)構(gòu)采用圖2方案(a)的滑塊機(jī)構(gòu)。

如圖4所示①為沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的掃屑機(jī)構(gòu)。適當(dāng)選擇沖壓機(jī)構(gòu)中軌跡和確定機(jī)構(gòu)尺寸，可保證構(gòu)件具有急回，運(yùn)動(dòng)和工作段近于勻速的特性，并可使機(jī)構(gòu)工作段壓力角盡可能小。根據(jù)工位要求確定槽輪相關(guān)參數(shù)，可滿足工作盤間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)仿真分析

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)[9,10]，基于ADAMS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真并得出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度圖。

3.1 位移運(yùn)動(dòng)仿真分析

輸出機(jī)構(gòu)位移運(yùn)動(dòng)仿真曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，滑塊F的運(yùn)用范圍在0 mm-350 mm之間走簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，與實(shí)踐運(yùn)動(dòng)范圍0 mm-400 mm有一定的誤差，但誤差不是很大；從位移曲線中可以看出，運(yùn)動(dòng)周期T=4 s，這就能保證滑塊的運(yùn)動(dòng)頻率為18次/min。

3.2 輸出機(jī)構(gòu)(滑塊)速度運(yùn)動(dòng)仿真分析

輸出機(jī)構(gòu)速度運(yùn)動(dòng)仿真曲線，如圖6所示。根據(jù)圖6分析可知：其運(yùn)動(dòng)周期T=4 s；在回程運(yùn)動(dòng)中，其速度在很短的時(shí)間內(nèi)快速增大又減小，這就保證了機(jī)構(gòu)有良好的急回特性，從而使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效率提高。

3.3 輸出機(jī)構(gòu)(滑塊)加速度運(yùn)動(dòng)仿真分析

輸出機(jī)構(gòu)加速度運(yùn)動(dòng)仿真曲線，如圖7所示。

圖6 輸出機(jī)構(gòu)速度運(yùn)動(dòng)曲線

圖7 輸出機(jī)構(gòu)加速度運(yùn)動(dòng)仿真曲線

由圖7可知，在回程運(yùn)動(dòng)中，加速度快速增大，保證了機(jī)構(gòu)的急回特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于ADAMS對(duì)裝配了掃屑機(jī)構(gòu)的沖壓式蜂窩煤成型機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的蜂窩煤成型機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)是完全可靠的，整個(gè)系統(tǒng)的剛度性能、使用性能、運(yùn)動(dòng)的精度和穩(wěn)定性能都能滿足蜂窩煤成型機(jī)正常運(yùn)行的整體性能要求。

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Optimal Design of Ramjet Honeycomb Briquette Machine Based on ADAMS

TIAN Yuan-yuan1，LAN Kui1，GUO Hai-tao2，3

(1.School of Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.College of Electronic Information Engineering，Inner Mongolia University，Hohhot 010021；3.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

To improve the transmission efficiency，reduce the mechanism’s site area and improve work efficiency and protect the environment，the honeycomb briquette forming machine reasonably installed a sweep crumbs institution.Based on ADAMS environment simulation analysis is carried out for honeycomb briquette forming machine.The results show that the mechanical system honeycomb briquette machine is stable and reliable.The performances of assembly and movement can satisfy the requirement of honeycomb briquette machine.

Stamp honeycomb briquette machine；Optimization；ADAMS；Intergration

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076060)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(20130101056JC)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0601)

田原嫄(1979-)，女，吉林省長(zhǎng)春市人，東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：機(jī)器視覺(jué)及三維圖像處理技術(shù)、機(jī)械及機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).

1005-2992(2016)06-0067-04

TD823.97

A