風動雙輸出送料機研制——傳動機構設計

□ 高天友

常州輕工職業技術學院 江蘇常州 213164

自動送料機指能自動按規定要求和既定程序進行運作，它把物品從一個位置送到另一個位置，其過程不需人為的干預即可自動準確地完成，一般具有檢測裝置、送料裝置等，主要用于各種材料和工業產品、半成品的輸送，也能配合下道工序使生產自動化。工業生產領域一直是以電能作為主要能源，作為耗能大戶面臨著能源短缺的困擾，在國家大力提倡低碳環保的背景下，如何最大效率地利用風能、太陽能等清潔能源，作為傳統能源的補充或是替代品，是當前科學研究和技術領域的前沿課題，“風動雙輸出送料機”就是創新地利用風能作為動力來源，通過合理地設計葉輪葉片，借助鏈輪、滾子輪傳動系統和可調偏心溝槽輪執行機構實現物流的雙向輸出，送料機的外形采用圓桶形狀，加工簡單方便，剛性良好，具有工業應用前景。

1 功能要求

給定一風能，根據能量轉換原理，設計與制造一風能驅動葉輪轉動，進而帶動傳動機構和驅動機構，實現物料傳送的機械裝置，如圖1所示。

物料尺寸為φ25 mm×10 mm，材質為塑料或尼龍；頂桿作直線往復運動，行程范圍為30～50 mm。

▲圖1 結構圖

2 機械結構方案設計

方案如圖2所示，葉輪1在軸流風機的驅動下帶動主動軸2旋轉，通過傳動機構3帶動從動軸4旋轉，安裝在兩側的頂桿5在驅動機構6的作用下實現既定的輸出要求。該方案中主動軸2與從動軸4垂直布置，兩個輸出方向與從動軸也是垂直布置，可以用一套驅動機構實現雙向成90°角輸出。

▲圖2 垂直軸傳遞方案

由于采用垂直傳動，當主動軸水平布置時，從動軸必然垂直放置，整套機構就可以做成桶狀結構，這樣一方面在節省材料的同時又可以提高整套機械裝置的強度，另一方面又能避免過多的數控加工。該機構主要由葉輪、主動軸、從動軸、傳動機構、執行機構、錐套連接器等主要部件組成，在保證整個系統機械剛性的前提下，簡化了裝置的結構，減輕整機重量，縮短了產品的設計和制造周期，降低了生產成本。

3 技術參數及整機性能

機械裝置的結構如圖3所示，該套裝置外殼采用圓桶型，直徑為250 mm，高度為260 mm，輸入端回轉軸中心距底部距離為194 mm，從動軸中心距輸入軸外端面距離為203 mm，輸入軸中心距物料頂桿中心距離最大為104 mm，最小為101 mm，傳動比為1∶2；在速度為8 m/s、流量為10 000 m3/min的風力作用下，啟動時間2～3 s，勻速狀態下頂桿往復頻率≥120次/min，掛檔延時時間3～4 s，正常工作情況下，葉輪啟動后5～7 s頂桿開始工作，整套機械裝置重量不超過15 kg。

4 掛檔延時裝置

葉輪在風力作用下從靜止到轉速恒定需要一定時間，如果直接帶負載運行，啟動時間會增加，為了減少起動時間，最佳的方法是在傳動機構上增加一套延時裝置，保證葉輪轉速恒定之后再帶動負載一起運動，圖4為送料機裝置的傳動延時裝置結構圖，葉輪在開始起動時帶動鏈輪旋轉，鏈輪通過傳動系統帶動滾子輪和軸套旋轉，此時從動軸上的鋼球座保持平衡狀態，從動軸和軸套之間由于沒有連接件，因此保持靜止狀態，系統此時不帶負載運行。由于滾子輪和軸套的旋轉，軸套上的撥片回轉一周之后觸碰鋼球使其失去平衡，鋼球在鋼球座中沿軌道滑動到對側低點，此時鋼球座失去平衡發生傾斜，下部的擺片將會插入軸套的槽中使從動軸和軸套之間用擺片聯結起來，滾子輪將會帶動從動軸一起運動，完成傳動延時并掛檔的功能。根據工業機械通常采用 “空載啟動，達到額定輸出后負載運動”設計的原則，該套裝置的存在能夠保證葉輪在啟動并達到高速旋轉狀態之后進行切檔帶負載運動，提高了推料裝置的運行效率。

5 頂桿位移方程計算

圖5所示為偏心輪機構的簡化圖，O′為偏心輪回轉軸中心，O為輪中心，輪子半徑OA=R，偏心距為e，回轉軸轉速為ω，偏心輪回轉時從A點以角速度ω旋轉至A′點，時間為t，在A′處產生的位移為O′A—O′A′，其中 O′A′=R-e，頂桿位移方程 s（t）可按如下進行計算，設 ∠OAO′=β，∠AOO′=α：

▲圖3 裝置結構圖

▲圖4 掛檔延時裝置圖

▲圖5 偏心輪簡圖

綜合式（1）、（2）、（3）、（4），位移方程為：

頂桿位移方向與偏心輪回轉軸中心和偏心輪中心連線OO′重合，采用這種安裝方式，偏心輪的壓力角α=0°，能夠提高傳動機構的效率。

6 輸出位移調節裝置

輸出位移調節裝置如圖6所示，旋轉調節螺桿，溝槽輪會向回轉軸移動，從而改變偏心距e，由位移方程式（5）可知，在偏心輪圓周半徑R不變的情況下，改變偏心距 e，輸出的位移 s（t）就會改變，在式（5）中， ωt=0，s（t）=0；ωt=180°，s（t）=2e，頂桿輸出距離為 0～2e，因此設置偏心距調節范圍最大為25 mm，最小為15 mm，就可以實現輸出位移在30～50 mm之間調節。

圖7所示為e=15 mm時執行機構的安裝示意圖，假設葉輪旋轉的速度為120 r/min，減速之后從動軸的旋轉速度為60 r/min，利用模擬軟件可得輸出端頂桿的位移、速度、加速度如圖8、9、10所示。

改變偏心距e，分析不同偏心距下頂桿位移、速度、加速度曲線可以看出，由于機構的形式沒有變化，因此輸出位移、速度、加速度曲線的形態也沒有發生變化，位移變化規律遵循三角函數運動規律，偏心距改變之后幅值也變化；速度也是三角函數規律，遵循由小到大再變小的規律，隨著偏心距的增加，最大速度也增加；加速度變化的規律就比較復雜，但也是周期函數變化，一個周期內有多個谷底和峰值點，可以看出在機構運動的過程中會承受比較多的沖擊，如果直接用溝槽連接推桿會出現抱死的狀況，因此在溝槽與推桿連接部分設計用軸承進行連接，可以有效地傳遞位移并防止機構發生自鎖。

▲圖6 輸出位移調節裝置

▲圖7 偏心距e=15 mm安裝示意圖

▲圖8 e=15 mm頂桿位移

▲圖9 e=15 mm頂桿速度

▲圖10 e=15 mm頂桿加速度

7 結束語

風動雙輸出送料機切合了當今低碳環保的理念，充分利用清潔能源——風力作為原動力完成物料的輸送功能。由于采用垂直軸傳動，最終裝置的結構可以做成桶狀，這樣一方面有利于氣流流動，增加葉輪的轉速，另外一方面桶形結構的原材料易于得到，加工工藝性、裝配工藝性都可以得到保證。傳動裝置垂直布置后，不以外殼為支撐安裝傳動軸，避免因同軸度要求較高而采用鏜孔加工，保證了結構的完整性，提高了結構的整體剛度，降低了加工難度。

［1］ 黃純穎，高志.機械創新設計［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］ 陳立德.機械設計基礎［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 《現代機械傳動手冊》編委會.現代機械傳動手冊［M］.北京：機械工業出版社，1995.

［4］ 邱宣懷.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［5］ 劉萬琨，張志英.風能與風力發電技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.