風機裝配平臺結構設計

吳林峰，王 偉，朱 樂

（武昌工學院機械工程學院，武漢 430065）

風機裝配平臺結構設計

吳林峰，王 偉，朱 樂

（武昌工學院機械工程學院，武漢 430065）

每臺風機出廠前都要進行整機性能測試，整機包括鼓風機、增速箱和電機三部分。測試之前，需將三部分裝配起來，期間同軸度的要求高。本文設計了一種基于三段式的柔性裝配平臺，并對平臺的強度要求，實現了風機部件對6個自由度的調姿，提高了裝配效率和裝配質量。

裝配平臺；受力分析；平臺調姿

0 引言

風機的生產多為訂單式和單件生產，所以每臺風機出廠前的總裝測試都要分別進行。而目前的總裝測試過程中，鼓風機、增速箱、電機這三部分的裝配耗時較長，且裝配精度由工人的經驗決定。在本文中所研究的裝配平臺，就是希望解決最終總裝實驗過程中耗時長，操作復雜的問題。

通過查閱相關文獻，三段部件對接柔性裝配平臺，目前常見于飛機制造和輪船制造行業中，針對部件級或小部件的數字化裝配，尤其是柔性裝配還沒有實現實際應用。而針對像風機這類并非大部件的制造業來說，這種柔性的裝配平臺應用并未見到。

1 設計任務

在風機、增速箱和電機三個部分中，電機的重量是最重的，甚至達到三噸重，在裝配過程中，如果能實現電機的調姿，就可以滿足鼓風機、增速箱的調姿，所以在設計平臺時，以電機的重量為標準來設計平臺。平臺的尺寸不宜太大也不宜太小，為了滿足各個部件的裝配，平臺尺寸設計為800 mm×800 mm.

通過查閱風機安裝的基本手冊，根據安裝的標準，風機的類別可分為離心通風機、軸流通風機、羅茨式和葉氏通風機、離心鼓風機和壓縮機。安裝要求需要滿足徑向位移控制精度不應超過0.05 mm，不水平度不應超過0.1/1000.

綜上所述，本文中設計的平臺，需要滿足對部件6個自由度的調姿，承載能力達到3 000 kg，尺寸為800 mm×800 mm，并且徑向位移控制精度不應超過0.05 mm，不水平度不應超過0.1/1000.

裝配示意圖如圖1所示。

圖1 裝配示意圖

2 平臺的設計方案

風機在裝配過程中，方向和角度都是需要調整的。平臺結構設計時要注重兩個方面：一是平臺的結構合理，且強度、剛度要滿足要求，平臺在承受裝備自重與設備重量時，其自身的變形控制在規定范圍內；二是設備在平臺上定位準確、牢固可靠，拆卸方便。平臺爆炸視圖如圖2所示。

圖2 平臺爆炸視圖

移動層由上層移動平臺、下層移動平臺及底層固定平臺組成。擬采用三塊平板疊加而成，平板間采用移動副連接，最下面的平板固定在軌道上，上面兩塊板分別保持一個方向的移動，即達到了X、Y兩個方向的移動，移動副在受到壓力時也不會產生較大的變形，而且移動副的可操作性更好。

轉動層采用推力調心滾子軸承連接，徑向承載的能力大，比較適合重負荷與沖擊負荷，動力傳動部分采用蝸輪蝸桿傳動，可以傳遞空間交錯軸之間的運動和動力而且可以獲得較大的傳動比，在傳動時比較平穩，并且具有反向自鎖的特性。滿足了在風機安裝過程中的精度要求，降低了安裝誤差，并且具有反行程自鎖，防止安裝過程中風機自身慣性帶來的誤差。

頂層調節層用四根液壓頂柱支撐，其中一根為虛約束，增強了系統剛度，加強了平臺的穩定性。通過四根調節頂住的長短可以實現調節層的升高降低和一定角度的傾斜。

3 平臺的結構設計

考慮到移動平臺除了需要承載零件的重量以外，還需要承載平臺自身的重量以及液壓驅動裝置的重量，平臺每層所需承載的重量會逐漸增加，故從頂層開始設計。

3.1 頂層平臺結構設計及強度計算

平臺設計不僅要滿足功能要求，還需滿足強度要求，通過閱讀文獻[1]，對平臺的部件進行受力分析。

3.1.1 自由度計算

裝置的最上層需要實現沿Z軸平動、X軸Y軸轉動，采用四根頂柱的升降來控制平臺，頂柱與滑塊之間形成球面副，滑塊再與導軌形成移動副，兩個導軌的中點處形成一個轉動副，其中一個導軌與頂層平臺固定，另一個導軌與頂層平臺相對轉動。在調姿時，四個推桿中有一個為虛約束，增強平臺的穩定性，四個滑塊時兩輛對稱的，所以有兩個滑塊為虛約束。所以構件有三個推桿，兩個滑塊，兩個導軌，構件數n=7，液壓缸相當于機架，三個推桿與機架形成三個移動副，兩個滑塊與兩個導軌形成兩個移動副，兩個導軌之間形成一個轉動副，所以五級副P5=6，三個推桿與滑塊形成三個球面副，三級副P3=3.

根據文獻[2]公式（2-2），空間自由度計算公式為：

原動件數量等于自由度，機構具有確定運動。

3.1.2 加強筋設計

在工程上通常采用網狀加強筋的形式，如圖3（a）所示，通過查閱文獻[3]，為了在保證平臺強度的條件下，使平臺的材料使用更加充分，加強筋采用菱形分布，如圖 3（b）所示。

圖3 加強筋形式

3.1.3 頂層受力分析

采用菱形加強筋的同時也要保證平臺的強度要求，通過SolidWorks，對頂層承載平臺進行靜態受力分析。在部件安裝位置施加30 000 N的均布載荷，方向垂直于平臺的表面，查閱文獻[4]，對部件進行網格劃分，得到頂層靜態應力分析圖，如圖4所示，最大受力點位于推桿與滑塊銜接的位置11.07e6N/m2，遠小于灰鑄鐵抗壓強度600e6N/m2和抗剪強度200e6N/m2.

圖4 頂層垂直受力分析

平臺的調姿勢角度不宜太大，設定為±20°，當平臺傾斜角度為20°時，由圖5可以看出，當收到20°的力時，最大受力點位于推桿底部為12.54e6N/m2，滿足強度要求。

圖5 頂層傾斜受力分析

3.1.4 頂層平臺結構

裝配平臺頂層，采用四根頂柱來控住平臺，使平臺能夠完成Z軸平動、X、Y軸轉動這三個自由度，頂層平臺結構整體示意圖如圖6.

圖6 頂層平臺結構示意圖

3.2 旋轉平臺設計及強度計算

旋轉平臺需要實現沿Z軸的轉動，需要承載頂層平臺和風機部件的重量。為了支撐很大的重量，同時又需旋轉，故采用推力調心滾子軸承安裝在旋轉平臺的下方，液壓裝置用法蘭盤固定在旋轉平臺的四個角用來支撐和控制頂層平臺。平臺旋轉速度不宜太快，采用蝸輪蝸桿傳動，通過查閱文獻[5]、[6]，設計蝸輪蝸桿傳動比為1∶80，且傳動不可逆，逆向鎖死，防止在調節其他自由度時平臺轉動。蝸輪與旋轉平臺采用花鍵連接，這樣讓平臺所受到的扭轉更加均勻。它主要受到豎直方向的壓力和液壓馬達通過蝸輪蝸桿傳動到平臺的扭矩。在豎直方向，不僅要承受部件的重量，還要承受頂層平臺和四個液壓缸的重量，通過Solid－Works對旋轉平臺進行靜態受力分析。

在液壓缸安裝位置施加載荷，得到旋轉平臺所受壓力的靜態應力分析圖，如圖7所示，旋轉平臺所收到的最大應力為6.26e6N/m2，滿足強度要求。

圖7 旋轉平臺壓力靜態應力分析圖

在旋轉平臺與推力調心滾子軸承接觸的豎直面施加固定夾具，力矩的施加面選取內花鍵的18個面，大小為2 240 Nm，得到旋轉平臺所受扭矩的靜態應力分析圖，如圖8所示，旋轉平臺所收到的最大應力為10e6N/m2，滿足強度要求。

圖8 旋轉平臺扭矩靜態應力分析圖

3.3 移動平臺設計及強度計算

將移動平臺分為上下兩層，分別完成對X、Y軸的平動。擬采重型導軌，每層移動平臺分別用兩個導軌和四個滑塊來支撐，以保證平臺的平穩性。

上、下層移動平臺分別實現部件對X、Y軸的平動，主要受到豎直方向的壓力，分別進行靜態受力分析，如圖9所示，滿足強度要求。

圖9 上層移動平臺應力分析圖

4 結束語

本文對風機裝配平臺進行結構設計，并基于SolidWorks對平臺的各個主要部件進行有限元受力分析。采用液壓馬達和液壓缸驅動，蝸輪蝸桿傳動，以及四條導軌、八個滑塊，保證裝配平臺的平穩性，實現對部件6個自由的調姿。平臺整體示意圖如圖10所示。

圖10 平臺整體示意圖

[1]陸利鋒，江 洪，伍錦輝，等.SolidWorks工程師高級教程[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]孫 恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]蔣君俠，適用于三段大部件對接的柔性裝配平臺設計與優化[J].浙江大學學報（工學版），2010，44（9）：1801-1803.

[4]Gu Shoufeng，Lian XiaoMin，Yan Lei.Automati generation and desitication of 3-D finite element mesh for helical gear tooth[J].Qinghua Daxue Xuebao，1996，36（8）：77-82.

[5]陳 洋.基于SolidWorks的蝸輪蝸桿設計系統研究[J].青島大學學報（工程技術版），2016，31（1）：116-118.

[6]柴 群，蝸輪蝸桿傳動強度精細分析[D].大連：大連交通大學，2007：4-7.

Structure Design of Fan Aseembly Platform

WU Lin-feng，WHNG Wei，ZHU Le
（School of Mechanical Engineering，Wuchuang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

Each fan must be performance of the whole machine tested before leaving the factory.Prior to the test，the three parts should be assembled，in this process，it need the high degree of coaxial requirements.The paper focuses on design a flexible assembly platform and analyzed the strength requirements of the platform.Improve assembly efficiency and assembly quality.It realizes the posture adjustment of 6 degrees of freedom and improve the efficiency and quality of installation.

assembly platform；force analysis；posture alignment

TH182

A

1672-545X（2017）10-0087-04

2017-07-03

湖北省教育廳科研計劃項目“基于三段式部件柔性裝配平臺關鍵技術研究”（B2015265）；武昌工學院校級課題“風機裝配平臺結構研究”（2015XSC11）；校級教研課題“校企協同的課程體系建設”（2013XTJY02）

吳林峰（1995-），男，湖北黃岡人，本科，主要研究方向為機械設計制造及其自動化；王 偉（1977-），男，湖北孝感人，副教授，主要研究方向：機械CAD/CAM，機電一體化。