臥式螺旋葉片拉伸機(jī)組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李 霞，韓 凌

(1.惠山中等專業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇無錫214153；2.撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 監(jiān)督檢驗(yàn)室,遼寧撫順113006)

0 引言

在糧食、飼料加工以及化工、建材等行業(yè)，經(jīng)常采用螺旋輸送機(jī)輸送粉粒狀物料，其工作原理是利用螺旋軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推移物料以實(shí)現(xiàn)輸送物料的目的.GX和LS系列螺旋輸送機(jī)作為一種通用機(jī)械，其螺旋葉片的直徑和螺距都符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，也稱為標(biāo)準(zhǔn)螺旋葉片.標(biāo)準(zhǔn)螺旋葉片由于批量大，通常采用胎具熱壓成型法或胎具冷壓成型法使之成型，即利用液壓機(jī)或其他壓力機(jī)器將放置于專用模具上的葉片坯料壓制成型.這類成型方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，缺點(diǎn)是需要購買壓力機(jī)和制造專用模具，投資大.研究表明，對(duì)于同一規(guī)格的螺旋輸送機(jī)來說，在整個(gè)輸送過程中，如果采用相等螺距的螺旋葉片，在進(jìn)料段上會(huì)造成物料輸送不通暢乃至引起物料堵塞等現(xiàn)象.而采用變螺距的螺旋葉片，可以有效防止料斗內(nèi)物料的結(jié)拱，改善輸送狀況并降低能耗[1-2].另外在有些特殊場合也需要變直徑、變螺距的螺旋葉片,這些就是所謂的非標(biāo)準(zhǔn)螺旋葉片.非標(biāo)準(zhǔn)螺旋葉片往往需求量較小，如果用胎具成形法生產(chǎn)，需要制造多種規(guī)格的模具，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高.而冷拉成型法設(shè)備簡單，制造成本低，適用于小批量的非標(biāo)準(zhǔn)螺旋葉片生產(chǎn).冷拉成型法是在葉片坯料剪口兩端施加外力，一次拉伸成型[3].如近年來在一些廠家應(yīng)用的螺旋葉片拉伸機(jī)，它是利用復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)原理，通過旋轉(zhuǎn)套管內(nèi)的螺桿，帶動(dòng)兩個(gè)旋向相反的螺母反向移動(dòng)，這時(shí)固定在兩螺母上的牽頭牽引葉片坯料兩端拉伸至所設(shè)計(jì)的螺距[4].但是這種螺旋葉片拉伸機(jī)一次只能拉伸兩片螺旋葉片，工作效率較低，限制了其應(yīng)用.為此本文運(yùn)用TRIZ發(fā)明原理尋求問題的解決方案.

1 TRIZ理論與發(fā)明原理

由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒 (G.S.Altshuller)提出的TRIZ理論，是在20世紀(jì)全世界大量具有重大影響的專利發(fā)明中歸納分析總結(jié)而成.阿奇舒勒提出了一套完整的發(fā)明問題解決理論，熟練運(yùn)用這套理論可以使得發(fā)明創(chuàng)造工作者在較短的時(shí)間內(nèi)探索出一些規(guī)律性、共性的思路，并能提出一些解決看似不可能解決的問題的方法，從而創(chuàng)造出很多實(shí)用的成果[5].這些共同的規(guī)律被總結(jié)出來之后，歸納成40條發(fā)明原理[6-7](見 表1)，針對(duì)本文所研究的具體技術(shù)問題，可以運(yùn)用這40條發(fā)明原理中的一條或幾條并結(jié)合具體工程實(shí)際狀況，提出相應(yīng)的解決方案.

表1 40條TRIZ發(fā)明原理

40條發(fā)明原理中的第5條是 “組合原理”：(1)將相關(guān)操作或相同物體在空間上加以組合，如日常并行計(jì)算機(jī)中的多個(gè)CPU；(2)在時(shí)間上將相同或相關(guān)操作進(jìn)行合并，如同時(shí)分析多項(xiàng)指標(biāo)的綜合參數(shù)測試儀.在組合發(fā)明原理的啟示下，我們?cè)O(shè)想，在空間上將多個(gè)螺旋葉片拉伸機(jī)組合起來，在時(shí)間上同時(shí)拉制多個(gè)螺旋葉片，形成相對(duì)工效較高的臥式螺旋葉片拉伸機(jī)組.

2 工作原理及結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)一般包括螺桿和螺母，二者組成的螺旋副可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力.機(jī)器中常用的螺旋機(jī)構(gòu)分為兩類，即差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)和復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu).

如圖1所示，螺桿1兩端設(shè)有螺母2，形成螺旋副A與螺旋副B.設(shè)螺旋副A、螺旋副B的導(dǎo)程分別為lA和lB，則當(dāng)螺桿1在轉(zhuǎn)過φ角時(shí)，兩螺母之間的位移為

s=φ(lA±lB)/(2π)

式中，兩螺旋副旋向相反時(shí)用“+”號(hào)，兩螺旋副旋向相同時(shí)用“-”號(hào).

由上式可知，若lA與lB相差很小，且兩螺旋副旋向相同，則兩螺旋副之間形成很小的位移，這種螺旋機(jī)構(gòu)稱為差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)；當(dāng)lA=lB，由于兩螺旋副之間旋向相反，則兩螺母之間可以實(shí)現(xiàn)反向快速地移動(dòng)，這種螺旋機(jī)構(gòu)被稱為復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)[8].單一螺旋葉片拉伸機(jī)將葉片毛坯的兩端固定于螺母上，驅(qū)動(dòng)螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以帶動(dòng)正、反螺母按相反方向做勻速旋轉(zhuǎn)，則兩螺母就能牽著葉片毛坯，沿著導(dǎo)向槽的方向呈斜角進(jìn)行拉伸，直到符合葉片螺距設(shè)計(jì)要求的位置時(shí)停止.

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作過程

如圖2(見 66頁)所示，臥式螺旋葉片拉伸機(jī)組包括支架、多級(jí)鏈傳動(dòng)和三個(gè)拉伸機(jī).多級(jí)鏈傳動(dòng)包括鏈條16、鏈輪Ⅰ15、鏈輪Ⅱ17和鏈輪Ⅲ18[9].

單個(gè)拉伸機(jī)包括螺桿7、螺母3、螺桿12、螺母8、主體管5、端蓋1、軸承2、活動(dòng)牽頭4、固定牽頭10、導(dǎo)向槽9和導(dǎo)向槽11，其中對(duì)稱放置的三排兩列且同軸的主體管5，被固定于中間支架6上.

第一排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與鏈輪Ⅰ15中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接，伸出主體管5右端的螺桿12軸頭還裝有一可軸向移開的手輪14；第二排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與雙聯(lián)鏈輪Ⅱ17中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接；第三排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與鏈輪18中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接.鏈輪Ⅰ15的鏈齒和鏈輪Ⅱ17一側(cè)的鏈齒與鏈條16的鏈節(jié)嚙合，鏈輪Ⅱ17另一側(cè)的鏈齒和鏈輪18的鏈齒與鏈條16的鏈節(jié)嚙合，構(gòu)成多級(jí)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu).

螺桿7制有左旋螺紋，與螺母3相配，形成一對(duì)螺旋副，螺桿12制有右旋螺紋，與螺母8相配，形成另一對(duì)螺旋副，然后裝入主體管5內(nèi).螺母3和螺母8的外徑與主體管5內(nèi)壁應(yīng)留有適當(dāng)間隙以保證螺母的自由移動(dòng).將軸承2分別從兩端裝入，內(nèi)圈分別與螺桿7、螺桿12軸徑配合，外圈分別與左右主體管5內(nèi)孔配合，再將端蓋1從兩端裝入并固定.兩主體管5管長應(yīng)大于所拉制螺旋葉片的螺距，固定在支架6上的中間位置，固定牽頭10在支架6兩側(cè)焊接.在左側(cè)主體管5的外壁之上，加工出導(dǎo)向槽11，右側(cè)主體管5外壁上加工出導(dǎo)向槽9，槽的長度略大于螺旋葉片的螺距，與水平軸線傾斜一角度α.與螺母3相連的活動(dòng)牽頭4可在導(dǎo)向槽11內(nèi)移動(dòng)，與螺母8相連的活動(dòng)牽頭4可在導(dǎo)向槽9內(nèi)移動(dòng).

首先在切割好的葉片毛坯內(nèi)徑兩端，按牽頭的直徑大小鉆兩個(gè)工藝孔.將手輪14從螺桿12軸頭上卸下，這時(shí)分別從兩端將葉片毛坯套進(jìn)第一排主體管5，其中有一孔對(duì)準(zhǔn)固定牽頭10套入并固定，有一孔對(duì)準(zhǔn)活動(dòng)牽頭4套入并固定，然后再將手輪14裝上.用同樣的辦法，將螺旋葉片套入第二排、第三排的主體管5內(nèi).手輪14通過手握回轉(zhuǎn)，第一排螺桿將被帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而第二排和第三排螺桿也通過鏈傳動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿相配的螺母3和螺母8將反向移動(dòng)，活動(dòng)牽頭4分別沿主體管5上導(dǎo)向槽11和導(dǎo)向槽9移動(dòng)，牽引葉片毛坯內(nèi)徑向外端緩緩拉開，內(nèi)徑邊緣圍繞主體管5外壁上，達(dá)到設(shè)定位置，即完成多片螺旋葉片拉伸過程.該機(jī)將三個(gè)螺旋葉片拉伸機(jī)通過鏈傳動(dòng)進(jìn)行組合使用，可以同時(shí)將六片葉片毛坯拉制成形.

3 螺旋葉片展開尺寸計(jì)算

采用冷拉成型法拉制螺旋葉片，其展開尺寸的計(jì)算與常規(guī)螺旋葉片展開尺寸的計(jì)算有所不同，需要進(jìn)行修正[10].

如圖3所示，常采用以下公式計(jì)算葉片展開尺寸：

展開內(nèi)孔直徑

(1)

展開外徑尺寸

D1=d1+(D-d)

(2)

外螺旋線長度

(3)

葉片缺口夾角

α1=360°(πD1-L)/(πD1)

(4)

式中：d為設(shè)計(jì)的螺旋軸直徑，t為設(shè)計(jì)的螺距，D為設(shè)計(jì)的螺旋葉片直徑.

繪制精確計(jì)算葉片坯料展開示意圖如圖4 所示，其中陰影部分為不可展部分，實(shí)際拉伸時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他部位產(chǎn)生拉伸變形，使螺旋外徑的尺寸與上述計(jì)算公式不符[10].

由圖4可知并設(shè)定：

葉片坯料內(nèi)緣

(5)

葉片坯料中緣

(6)

葉片坯料外緣

(7)

葉片坯料寬度

AD=b=(D-d)/2

(8)

延長添加線至F，并幾何求證后可得出：

修正后的葉片坯料內(nèi)徑

d1=b(l2+2l3-l1)/(l1-l2)

(9)

修正后的葉片坯料外徑

D1=d1+2b

(10)

實(shí)踐證明，按照修正后的尺寸下料的坯料，拉制出來的螺旋葉片能較好地滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)語

在TRIZ發(fā)明原理啟示下設(shè)計(jì)的臥式螺旋葉片拉伸機(jī)組已經(jīng)試制出樣機(jī)，除具有制造簡單、適用性強(qiáng)、不需能源的特點(diǎn)外，與單一螺旋葉片拉伸機(jī)相比，其工效大幅提高.實(shí)際應(yīng)用中，該機(jī)組一次可以拉伸六片螺旋葉片，生產(chǎn)效率是單一螺旋葉片拉伸機(jī)的三倍.由于是手工操作，只能拉制螺旋直徑小于250 mm的螺旋葉片，如果拉制螺旋直徑大于250 mm的螺旋葉片，也可以用減速電機(jī)作為動(dòng)力源，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.由此可見，該機(jī)組具備一定的市場應(yīng)用前景.