风动双输出送料机研制——传动机构设计

□ 高天友

常州轻工职业技术学院 江苏常州 213164

自动送料机指能自动按规定要求和既定程序进行运作，它把物品从一个位置送到另一个位置，其过程不需人为的干预即可自动准确地完成，一般具有检测装置、送料装置等，主要用于各种材料和工业产品、半成品的输送，也能配合下道工序使生产自动化。工业生产领域一直是以电能作为主要能源，作为耗能大户面临着能源短缺的困扰，在国家大力提倡低碳环保的背景下，如何最大效率地利用风能、太阳能等清洁能源，作为传统能源的补充或是替代品，是当前科学研究和技术领域的前沿课题，“风动双输出送料机”就是创新地利用风能作为动力来源，通过合理地设计叶轮叶片，借助链轮、滚子轮传动系统和可调偏心沟槽轮执行机构实现物流的双向输出，送料机的外形采用圆桶形状，加工简单方便，刚性良好，具有工业应用前景。

1 功能要求

给定一风能，根据能量转换原理，设计与制造一风能驱动叶轮转动，进而带动传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置，如图1所示。

物料尺寸为φ25 mm×10 mm，材质为塑料或尼龙；顶杆作直线往复运动，行程范围为30～50 mm。

▲图1 结构图

2 机械结构方案设计

方案如图2所示，叶轮1在轴流风机的驱动下带动主动轴2旋转，通过传动机构3带动从动轴4旋转，安装在两侧的顶杆5在驱动机构6的作用下实现既定的输出要求。该方案中主动轴2与从动轴4垂直布置，两个输出方向与从动轴也是垂直布置，可以用一套驱动机构实现双向成90°角输出。

▲图2 垂直轴传递方案

由于采用垂直传动，当主动轴水平布置时，从动轴必然垂直放置，整套机构就可以做成桶状结构，这样一方面在节省材料的同时又可以提高整套机械装置的强度，另一方面又能避免过多的数控加工。该机构主要由叶轮、主动轴、从动轴、传动机构、执行机构、锥套连接器等主要部件组成，在保证整个系统机械刚性的前提下，简化了装置的结构，减轻整机重量，缩短了产品的设计和制造周期，降低了生产成本。

3 技术参数及整机性能

机械装置的结构如图3所示，该套装置外壳采用圆桶型，直径为250 mm，高度为260 mm，输入端回转轴中心距底部距离为194 mm，从动轴中心距输入轴外端面距离为203 mm，输入轴中心距物料顶杆中心距离最大为104 mm，最小为101 mm，传动比为1∶2；在速度为8 m/s、流量为10 000 m3/min的风力作用下，启动时间2～3 s，匀速状态下顶杆往复频率≥120次/min，挂档延时时间3～4 s，正常工作情况下，叶轮启动后5～7 s顶杆开始工作，整套机械装置重量不超过15 kg。

4 挂档延时装置

叶轮在风力作用下从静止到转速恒定需要一定时间，如果直接带负载运行，启动时间会增加，为了减少起动时间，最佳的方法是在传动机构上增加一套延时装置，保证叶轮转速恒定之后再带动负载一起运动，图4为送料机装置的传动延时装置结构图，叶轮在开始起动时带动链轮旋转，链轮通过传动系统带动滚子轮和轴套旋转，此时从动轴上的钢球座保持平衡状态，从动轴和轴套之间由于没有连接件，因此保持静止状态，系统此时不带负载运行。由于滚子轮和轴套的旋转，轴套上的拨片回转一周之后触碰钢球使其失去平衡，钢球在钢球座中沿轨道滑动到对侧低点，此时钢球座失去平衡发生倾斜，下部的摆片将会插入轴套的槽中使从动轴和轴套之间用摆片联结起来，滚子轮将会带动从动轴一起运动，完成传动延时并挂档的功能。根据工业机械通常采用 “空载启动，达到额定输出后负载运动”设计的原则，该套装置的存在能够保证叶轮在启动并达到高速旋转状态之后进行切档带负载运动，提高了推料装置的运行效率。

5 顶杆位移方程计算

图5所示为偏心轮机构的简化图，O′为偏心轮回转轴中心，O为轮中心，轮子半径OA=R，偏心距为e，回转轴转速为ω，偏心轮回转时从A点以角速度ω旋转至A′点，时间为t，在A′处产生的位移为O′A—O′A′，其中 O′A′=R-e，顶杆位移方程 s（t）可按如下进行计算，设 ∠OAO′=β，∠AOO′=α：

▲图3 装置结构图

▲图4 挂档延时装置图

▲图5 偏心轮简图

综合式（1）、（2）、（3）、（4），位移方程为：

顶杆位移方向与偏心轮回转轴中心和偏心轮中心连线OO′重合，采用这种安装方式，偏心轮的压力角α=0°，能够提高传动机构的效率。

6 输出位移调节装置

输出位移调节装置如图6所示，旋转调节螺杆，沟槽轮会向回转轴移动，从而改变偏心距e，由位移方程式（5）可知，在偏心轮圆周半径R不变的情况下，改变偏心距 e，输出的位移 s（t）就会改变，在式（5）中， ωt=0，s（t）=0；ωt=180°，s（t）=2e，顶杆输出距离为 0～2e，因此设置偏心距调节范围最大为25 mm，最小为15 mm，就可以实现输出位移在30～50 mm之间调节。

图7所示为e=15 mm时执行机构的安装示意图，假设叶轮旋转的速度为120 r/min，减速之后从动轴的旋转速度为60 r/min，利用模拟软件可得输出端顶杆的位移、速度、加速度如图8、9、10所示。

改变偏心距e，分析不同偏心距下顶杆位移、速度、加速度曲线可以看出，由于机构的形式没有变化，因此输出位移、速度、加速度曲线的形态也没有发生变化，位移变化规律遵循三角函数运动规律，偏心距改变之后幅值也变化；速度也是三角函数规律，遵循由小到大再变小的规律，随着偏心距的增加，最大速度也增加；加速度变化的规律就比较复杂，但也是周期函数变化，一个周期内有多个谷底和峰值点，可以看出在机构运动的过程中会承受比较多的冲击，如果直接用沟槽连接推杆会出现抱死的状况，因此在沟槽与推杆连接部分设计用轴承进行连接，可以有效地传递位移并防止机构发生自锁。

▲图6 输出位移调节装置

▲图7 偏心距e=15 mm安装示意图

▲图8 e=15 mm顶杆位移

▲图9 e=15 mm顶杆速度

▲图10 e=15 mm顶杆加速度

7 结束语

风动双输出送料机切合了当今低碳环保的理念，充分利用清洁能源——风力作为原动力完成物料的输送功能。由于采用垂直轴传动，最终装置的结构可以做成桶状，这样一方面有利于气流流动，增加叶轮的转速，另外一方面桶形结构的原材料易于得到，加工工艺性、装配工艺性都可以得到保证。传动装置垂直布置后，不以外壳为支撑安装传动轴，避免因同轴度要求较高而采用镗孔加工，保证了结构的完整性，提高了结构的整体刚度，降低了加工难度。

［1］ 黄纯颖，高志.机械创新设计［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］ 陈立德.机械设计基础［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 《现代机械传动手册》编委会.现代机械传动手册［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［4］ 邱宣怀.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［5］ 刘万琨，张志英.风能与风力发电技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.