一种双向风力推料机的设计与研究

杨延波，杨 勇，刘保朝

YANG Yan-bo，YANG Yong，LIU Bao-chao

（陕西工业职业技术学院，咸阳 712000）

0 引言

风力不仅是一种清洁能源，而且低碳环保。本文介绍一种使用风力清洁能源作为动力的双向运动的推料机，该机器是一种当风机运转时输出风能，进而驱动叶轮转动，带动该推料机传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置。该机器的研发过程中使用二维和三维CAD技术进行设计，可有效缩短设计周期并提高新产品设计效率。

1 风力推料机设计任务说明

图1 风力装置示意图

1）根据能量转换原理，设计一种风能驱动叶轮转动，进而带动传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置，示意图如图1所示。要求如下：物料尺寸为Φ25mm×10mm，材质为塑料或尼龙；顶杆作直线往复运动，其行程范围为30mm～50mm。其中，风机前端面与叶轮轮毂前端面的距离为800mm，且风机与叶轮相向而对并且轴线重合，示意图如图2所示。

2）两个顶杆的顶出方向要垂直并且行程相同。叶轮传动轴轴线所处水平面与顶杆轴线所处水平面最近距离至少100mm，示意图如图3所示。两顶杆轴线高度差H控制在20mm之内，示意图如图4所示。

图2 风机与叶轮位置关系示意图

图3 传动轴轴线与顶杆轴线高度差示意图

图4 顶杆轴线高度差示意图

2 风力推料机总体方案设计

根据设计任务和示意图，通过对输入和输出功能的分析，确定总体设计方案如图5所示。该图为风力推料机的总装配图[1]。

图5 总体设计方案

3 风力推料机关键零部件设计

3.1 叶轮设计

1）叶轮功能分析

叶轮的功能是将风机吹来的风能转化为叶轮转动的机械能，从而带动后续机械机构产生运动，进而推出物料。

2）设计方案

为了使风能有效地转化为叶轮旋转的机械能，并要保证叶轮高速旋转时的动平衡。经过试验，叶轮的叶片数确定为5片，叶轮材料选用LY12，并制造成整体式叶片[2]，如图6所示。

图6 叶轮设计图与三维实体效果

3.2 叶轮轴设计

1）叶轮轴功能分析

叶轮轴的功能是把叶轮转动时的动力和转矩传递给减速机构。由于没有采用联轴器，同时要求叶轮轴实现补偿与减速箱输入轴（齿轮轴）不同轴误差。因此，该叶轮轴右端面铣削成两个平行平面，该两平面与齿轮轴端面槽配合，以达到消除叶轮轴与齿轮轴不同轴的目的。

2）设计方案

叶轮轴选用45钢，叶轮轴二维图和三维实体效果如图7所示[3]。叶轮轴通过锥面和叶轮轮毂配合，由叶轮轴的轴肩定位，左端通过双螺母压紧；通过轴肩上的键槽传递转矩；支承轴颈是采用两个深沟球轴承6000型20支撑在支架1上（如图12(a)所示）；叶轮轴右端的螺纹通过螺母与支承轴颈的轴肩对叶轮轴轴向定位。

图7 叶轮轴设计图与三维实体效果

3.3 减速机构设计

1）减速机构功能分析

减速机构的功能是把叶轮轴的高速旋转经过减速，使后续的驱动机构在合理的速度下平稳地运行。为了增加输出转矩并考虑到有限的空间，减速机构采取一级减速，并使用齿轮机构进行传动。

2）设计方案

两个齿轮的齿数分别为：齿轮轴Z1=20，大齿轮Z2=200。其减速机构传动比为i=10。减速机构设计图和三维装配效果如图8所示。

图8 减速机构的设计图与三维实体效果

3.4 执行机构设计

执行机构设计包括凸轮轴和拨杆机构，现分别进行说明。

1）凸轮轴的设计

(1)凸轮轴功能分析

凸轮轴的功能是把减速后的旋转速度、扭矩传递给拨杆机构，使拨杆机构在水平方向上左右运动。采用的柱面凸轮结构是单导程凸轮轴。该凸轮轴在回转一周过程中，实现对A、B两方向物料各推出一次，如图10所示。

(2)设计方案

在如图9所示的柱面凸轮二维图中，其左边的主视图为柱面凸轮结构，右边为柱面凸轮曲线展开视图。

图9 柱面凸轮二维图与三维实体效果

2）拨杆机构

(1)拨杆机构功能分析

拨杆机构的功能是在柱面凸轮轴的驱动下，拨杆机构在水平方向上左右往复运动，从料仓中推出尼龙物料。同时，带动齿轮2使另一推叉在水平方向上前后往复运动，从另一料仓中推出尼龙物料。

(2)设计方案

当柱面凸轮轴旋转运动时，通过其轮槽拨动拨杆。为了减小摩擦，在拨杆和凸轮槽之间采用滚动轴承把滑动摩擦转化为滚动摩擦。拨杆和齿条采用螺钉连接，如图10（a）所示；在A、B两方向上齿条和直线导轨的导轨块采用螺钉连接；齿条另一端安装着伸出长度可调的推叉，从料仓中推出物料。A向齿条驱动齿轮2，该齿轮带动B向的齿条和直线导轨，推动推叉直线往复运动，从料仓里推出物料。该推料机在A、B两方向上推出物料时是同步运动，若把齿轮2安装在A向直线导轨的另一侧，如图10（b）所示的孔中，此时A、B两方向上推出物料时是异步运动，并可减小工作负载。

拨杆机构的三维实体造型和装配效果如图11所示。

图10 执行机构结构图

图11 推料机构实体造型和装配效果

3.5 支架和底板的设计

1）支架的设计

(1)支架的功能分析

支架的功能是对叶轮轴、减速机构和执行机构等各个零部件进行支撑。因此，支架的设计要求刚度足，具有较强的稳定性并且空间布局合理。

(2)设计方案

根据设计要求并考虑到设计空间的限制，决定采取以下设计方案。

支架1：叶轮轴由支架1支撑，支架1的材料选为硬铝12，毛坯厚度为26mm。在支架1的轴承孔内安装两个深沟球轴承6000型20，两端采用轴承端盖压紧。为减轻支架1的重量，支架设计为中空结构，如图12（a）所示。

支架2和支架3：齿轮轴由支架2和支架3支撑，其结构如图12（b）和（c）所示。这两个支架所采用的材料与支架1一致。支架2的上轴承孔和支架3轴承孔分别安装两个深沟球轴承6000型17，支撑齿轮轴。支架2的下轴承孔安装圆锥滚子轴承30000型20，用于支撑柱面凸轮轴。

支架4：支架4的轴承孔安装圆锥滚子轴承30000型20，与支架2共同支撑柱面凸轮轴。考虑到有限的空间，B方向推出物料的导轨从支架4所在位置的中间通过。因此，支架4的结构与其它支架不同，其结构如图12（d）所示。

2）底板的设计

(1)底板的功能分析

底板是整套产品的基础件，也是其它零部件的安装基准。要求底板刚度充足，有一定的平面度要求。

(2)设计方案

底板材料采用45钢，毛坯厚度为13mm，并进行铣削和磨削加工，结构如图13（a）所示。底板用4个PVC材料制作的支块支撑，结构如图13（b）所示。

最终，支架和底板的三维实体设计及装配效果如图14所示。

图14 支架、底板实体造型与装配效果

4 物料平台和料仓的设计

1）物料平台的设计

(1)物料平台的功能分析

物料平台的功能是用来安装物料仓，物料平台其高度为可调式结构。在装配时，通过调节螺栓可调节物料平台的高度与驱动机构相匹配。

(2)设计方案

物料平台设计如图15所示。物料平台底座设计如图16所示。

图15 物料平台结构的二维图和实体造型

图16 物料平台底座结构的二维图和实体造型

2）物料仓的设计

(1)功能分析

物料仓的功能是用于存放尼龙物料，物料尺寸Φ25mm×10mm。

(2)方案设计

物料仓需要两个，物料仓材料选用PVC材料。物料仓结构如图17 所示。物料仓底座结构如图18所示。

最终物料平台和物料仓装配效果如图19所示。

风力推料机的关键零部件设计完成后，对所有三维实体进行总装配，其效果如图20所示。

图17 物料仓结构的二维图和实体造型

图18 物料仓底座结构的二维图和实体造型

图19 物料平台和物料仓装配效果图

图20 双向风力推料机装配效果

5 结束语

双向风力推料机的设计采用低碳环保理念，使用当前先进的三维设计软件进行设计。缩短了设计和研发周期，节约了设计和制造成本。双向风力推料机的设计与制造过程中，其先进的设计手段有二维绘图软件、三维设计软件等，以上设计手段都是当前在制造业所广泛采用的新技术，具有广阔的应用空间和市场前景。

[1]吴勤保.CAXA电子图板2011项目化教学实用教程[M].西安西安电子科技大学出版社,2011：113-171.

[2]刘颖.CAXA制造工程师2008实例教程[M].北京：清华大学出版社,2009：239-242.

[3]吴勤保.CAD/CAM应用软件—Pro/ENGINEER[M].北京：清华大学出版社,2009：35-44.

[4]二代龙震工作室.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0/4.0 曲面设计[M].北京：电子工业出版社,2008：175-179.

[5]二代龙震工作室.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0/4.0 高级设计[M].北京：电子工业出版社,2008：209-210.