沖壓式蜂窩煤成型機的機構(gòu)分析與創(chuàng)新

張麗君

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

沖壓式蜂窩煤成型機是中國城鎮(zhèn)蜂窩煤生產(chǎn)廠的主要生產(chǎn)設(shè)備，這種設(shè)備具有結(jié)構(gòu)合理、成形性能好、經(jīng)久耐用、維修方便等優(yōu)點而被廣泛采用。為了實現(xiàn)蜂窩煤的沖壓成型，設(shè)計出的蜂窩煤成型機必須完成五個動作，即粉煤加料、沖頭將蜂窩煤壓制成型、清除沖頭和出煤盤的積屑的掃屑運動、將在模筒中沖壓后的蜂窩煤脫膜、將沖壓成型的蜂窩煤輸送裝箱。市場上常見的沖壓煤成型機械系統(tǒng)還有很大的開發(fā)創(chuàng)新空間，下文將對各個功能機構(gòu)方案分別比對分析，選擇出更合理的系統(tǒng)方案。

1 工作原理分析

沖壓式蜂窩煤成型機所需實現(xiàn)的功能是將具有一定濕度的煤粉定量加入轉(zhuǎn)盤的模筒內(nèi)成型，當(dāng)滑梁下沖時沖頭將粉煤沖壓成蜂窩煤，利用脫煤盤將蜂窩煤脫模，滑梁上升過程中掃屑刷將刷除沖頭和脫模盤粘著的粉煤，模筒轉(zhuǎn)盤上均布了煤筒，轉(zhuǎn)盤的間歇運動使加料后的煤筒進入沖壓位置，空的模筒進入加料位置，成型后的模筒進入脫模位置，落在輸送帶上送出成品，模盤進入下一次沖壓和脫模。

工藝動作可概括為以下六步：①加料。利用粉煤重力打開料斗自動加料。②沖壓成型。要求沖頭上下往復(fù)移動進行沖壓成型。③脫模盤。要求脫模盤上下往復(fù)移動，將已成型的煤餅壓下去脫離煤筒。④掃屑。要求在沖頭，脫模盤向上移動中用掃屑刷將粉煤清除。⑤模筒轉(zhuǎn)模間歇運動。以完成沖壓、脫模、加料三工位轉(zhuǎn)換。⑥輸送。將成型煤餅脫模后落在輸送帶上輸出。

以上六個動作中加料和輸送動作比較簡單，暫時不予考慮，一般來說，上沖頭與脫模盤都與上下移動的滑梁連為一體，沖模和脫?？捎靡粋€機構(gòu)完成。因此方案設(shè)計重點考慮沖壓和脫模機構(gòu)、掃屑機構(gòu)、模筒轉(zhuǎn)盤間歇轉(zhuǎn)動機構(gòu)這三個機構(gòu)的設(shè)計與比較問題。

2 減速系統(tǒng)方案設(shè)計與比較

機械系統(tǒng)常用的減速機構(gòu)有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、皮帶傳動、鏈輪傳動等。以蝸輪蝸桿減速為例，蝸輪蝸桿的傳動比非常大，僅一級可實現(xiàn)多級齒輪的傳動比，所以使用蝸輪蝸桿可以使傳動機構(gòu)更加緊湊，體積小，質(zhì)量輕且傳動更加平穩(wěn)，減小了噪聲。但是蝸桿的傳動效率低且發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本較高，顯然不適合大批量生產(chǎn)。因此成型機減速器在大多數(shù)情況下都選擇結(jié)構(gòu)較為緊湊、效率較高的齒輪機構(gòu)。

但是僅使用齒輪噪聲極大，且沒有過載保護，較為危險。因此在第一級減速加入v帶傳動，作為柔性傳動，它不僅可以實現(xiàn)過載保護，當(dāng)負載功率過大時打滑保護傳動機構(gòu)，還可以降低噪聲，成本較低且極大提高了使用體驗，最終選擇v帶傳動加齒輪機構(gòu)作為減速機構(gòu)。此外，由于電機轉(zhuǎn)速較高，而電機輸出到最終運轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)速要求較低。一級齒輪傳動所需轉(zhuǎn)輪半徑太大，為保證尺寸，建議每級齒輪傳動傳動比i≤7.5，所以采用多級傳動減速。

3 沖壓和脫模機構(gòu)方案設(shè)計與比較

沖壓與脫模機構(gòu)要求沖頭和脫模盤所在滑梁能夠上下往復(fù)移動進行沖壓成型和煤餅脫離模筒，市面上成型機一般采用六桿機構(gòu)實現(xiàn)該功能，為改良六桿機構(gòu)固有缺陷，還可采用對心曲柄滑塊機構(gòu)或偏置曲柄滑塊機構(gòu)，以下對這三個方案具體分析。

3.1 六桿機構(gòu)

六桿沖壓機構(gòu)中曲柄為主動件，曲柄轉(zhuǎn)動牽制六桿運動，其中一桿與滑塊相連，滑塊與橫梁相連，沖頭和模盤被固定在橫梁上，當(dāng)橫梁下沖時，沖頭將模盤內(nèi)粉煤壓實，脫模盤將已壓實的蜂窩煤壓出模盤，完成沖壓和脫模工作，而后橫梁向上運動準備進入下一次下沖。

該機構(gòu)由低副組成，機構(gòu)不易磨損且易加工，但是變速構(gòu)件的慣性力較難平衡，且行程較小，在實際生產(chǎn)中設(shè)計和維護成本較高，可以利用以下機構(gòu)進行改進。

3.2 對心曲柄滑塊機構(gòu)

與六桿機構(gòu)相似，曲柄為主動件，曲柄持續(xù)轉(zhuǎn)動可帶動與上方滑塊上下往復(fù)移動，橫梁與滑塊相連，沖頭和與脫模盤被固定在滑梁上，當(dāng)橫梁下沖時，沖頭將模盤內(nèi)粉煤壓實，脫模盤將已壓實的蜂窩煤壓出模盤，完成沖壓和脫模工作，而后橫梁向上運動準備進入下一次下沖。

采用這種機構(gòu)的優(yōu)點是組成機構(gòu)的低副不易磨損又易于加工，改善了六桿機構(gòu)慣性力難以平衡的問題，活動范圍較大，且機構(gòu)具有增力作用，在沖壓過程中增力動作會使蜂窩煤更緊實，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.3 偏置曲柄滑塊機構(gòu)

該機構(gòu)的作用原理與偏置曲柄滑塊機構(gòu)基本相同，對心曲柄滑塊機構(gòu)的優(yōu)點在此機構(gòu)中同樣適用，不同之處在于該機構(gòu)中與主動件相連的機架與滑軌偏移形成偏心距，使偏置曲柄滑塊機構(gòu)具有急回特性，即在滑梁的工作行程和回程運動的時間和速度不同，當(dāng)曲柄長度、連桿長度或偏距增大時，急回特性變顯著。擁有急回特性的機構(gòu)可以縮短空回行程時間，提高生產(chǎn)效率。

方案比較：與六桿機構(gòu)相比，偏置曲柄滑塊機構(gòu)不僅改善了六桿機構(gòu)慣性力難以平衡的問題，活動范圍較大，機構(gòu)具有增力作用，在沖壓過程中增力動作會使蜂窩煤更緊實，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，且擁有急回特性的機構(gòu)可以縮短空回行程時間，提高生產(chǎn)效率，是最合適的選型方案。

4 掃屑機構(gòu)方案設(shè)計與比較

掃屑機構(gòu)的功能是在沖頭、脫模盤向上移動過程中，利用掃屑刷清理沖頭和骯模盤的煤粉。常用成型機采用的大多是固定移動凸輪-移動從動件機構(gòu)，經(jīng)常會產(chǎn)生凸輪磨損，為了改進機構(gòu)，有其他兩種方案可選。以下對這三種方案進行分析。

4.1 固定移動凸輪-移動從動件機構(gòu)

固定移動輪-移動從動件機構(gòu)的橫粱與滑塊相連，當(dāng)滑塊向下運動時，滾子隨之向下運動，又因為彈簧力和凸輪的作用，滾子向下及向左或右運動，則掃屑刷相對沖頭向相同方向運動脫離沖頭和脫模盤。當(dāng)橫梁向上選動時，滾子被凸輪擠壓向左或右及向上移動，掃屑隨之被頂入沖頭和脫模盤底處，掃除其上的粉煤屑。

該結(jié)構(gòu)較為簡單，運動平穩(wěn)且結(jié)構(gòu)較為緊湊，缺陷是凸輪容易磨損，經(jīng)常更換凸輪部件耗時耗力且成本升高，為了改進這一缺點，可以考慮下面兩種機構(gòu)。

4.2 附加滑塊搖桿機構(gòu)

附加滑塊搖桿機構(gòu)工作時橫梁上下移動，通過搖桿機構(gòu)使下方掃屑刷來回擺動，橫梁下降時掃屑刷向下擺動離開沖頭和脫煤盤，橫梁上升時掃屑刷向上擺動接觸沖頭和脫煤盤，以而掃除其上的粉煤屑。

該機構(gòu)僅由桿件通過運動副相連，解決了機構(gòu)磨損的問題，且工作較為平穩(wěn)，但是桿件需要較大的運動空間，機構(gòu)尺寸較大，機械體積變大，不利于加工和安裝，影響機械的運輸和美觀。

4.3 導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)

導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)與固定移動凸輪-移動從動件機構(gòu)結(jié)構(gòu)相似，僅將凸輪與從動件的點接觸摩擦變?yōu)榛瑝K與導(dǎo)軌面接觸滑動，滾子隨滑塊平行移動掃除煤屑。

此機構(gòu)相對固定移動凸輪-移動從動件機構(gòu)，將凸輪與從動件接觸的高副運動變?yōu)榛瑝K與導(dǎo)軌的低副運動，運動性能好，不易發(fā)生磨損現(xiàn)象，且擁有結(jié)構(gòu)簡單運動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)較為緊湊等諸多優(yōu)點。

方案比較：經(jīng)過以上分析，導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的綜合性能較好，是較為合理的方案。

5 模筒轉(zhuǎn)盤間歇運動機構(gòu)方案設(shè)計與比較

模簡轉(zhuǎn)盤間歇運動機構(gòu)用于完成工位的轉(zhuǎn)換，根據(jù)運動特點，模盤的間歇運動應(yīng)在沖頭的回程后半段和工作行程的前半段完成，使間歇轉(zhuǎn)動在沖壓和脫模過程中停止，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。常用機構(gòu)為不完全齒輪機構(gòu)，但是加工較為復(fù)雜維修費用高，不適合大批量生產(chǎn)，為了在保持其性能基礎(chǔ)上減少成本，有其他兩種方案。以下對這三種方案進行分析。

5.1 不完全齒輪機構(gòu)

不完全齒輪機構(gòu)主動輪只有幾個輪齒，主從齒輪均有鎖止弧。當(dāng)鎖止弧相接觸時，從動輪被定位不會游動；當(dāng)主動輪輪齒旋轉(zhuǎn)至與從動輪輪齒相嚙合，從動輪將會發(fā)生間歇轉(zhuǎn)動。模筒轉(zhuǎn)盤被固定在從動輪上，實現(xiàn)工位的轉(zhuǎn)換。

5.2 圓柱凸輪間歇運動機構(gòu)

圓柱凸輪間歇機構(gòu)的模盤上有圓柱銷與凸輪相接觸，凸輪為主動件持續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件模盤的運動規(guī)律取決于凸輪輪廓形狀，當(dāng)圓柱銷位于凸輪水平棱邊時，轉(zhuǎn)盤被定位不轉(zhuǎn)動，當(dāng)圓柱銷位于凸輪斜棱邊時，轉(zhuǎn)盤間歇轉(zhuǎn)動。

5.3 槽輪機構(gòu)

槽輪機構(gòu)模簡轉(zhuǎn)盤被固定在槽輪上，曲柄為主動件轉(zhuǎn)動，當(dāng)曲柄上的圓銷還沒進入輪槽的徑向槽內(nèi)時，槽輪的內(nèi)凹圓弧面被曲柄的外凸圓弧卡住，槽輪是不轉(zhuǎn)動的；當(dāng)圓銷進入槽輪的徑向槽內(nèi)時，槽輪被帶動按照與曲柄相反方向轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)槽輪的間歇運動。方案比較：工程中常用的不完全齒輪機構(gòu)加工較為復(fù)雜，存在剛性沖擊，因生產(chǎn)和維修成本較高，因此考慮其他的替換方案。圓柱凸輪機構(gòu)可以有效地避免沖擊，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，但是加工和安裝精度高，成本反而升高，不是合適的方案。槽輪機構(gòu)成本相對較低，工作平穩(wěn)可靠效率高，解決了問題。雖然在起停時存在沖擊，但此機械運轉(zhuǎn)速度較慢，可以不予考慮。因此選用槽輪機構(gòu)作為改良方案。

6 機械系統(tǒng)方案的分析與評價

通過以上分析，將成型機的主要機構(gòu)缺陷進行分析和創(chuàng)新設(shè)計，提高了系統(tǒng)性能，減少了生產(chǎn)成本，有利于企業(yè)生產(chǎn)獲得更好的發(fā)展。