臥式螺旋葉片拉伸機組的創新設計

李 霞，韓 凌

(1.惠山中等專業學校 機電工程系，江蘇無錫214153；2.撫順市特種設備監督檢驗所 監督檢驗室,遼寧撫順113006)

0 引言

在糧食、飼料加工以及化工、建材等行業，經常采用螺旋輸送機輸送粉粒狀物料，其工作原理是利用螺旋軸回轉運動推移物料以實現輸送物料的目的.GX和LS系列螺旋輸送機作為一種通用機械，其螺旋葉片的直徑和螺距都符合國家標準要求，也稱為標準螺旋葉片.標準螺旋葉片由于批量大，通常采用胎具熱壓成型法或胎具冷壓成型法使之成型，即利用液壓機或其他壓力機器將放置于專用模具上的葉片坯料壓制成型.這類成型方法的優點是生產率高，缺點是需要購買壓力機和制造專用模具，投資大.研究表明，對于同一規格的螺旋輸送機來說，在整個輸送過程中，如果采用相等螺距的螺旋葉片，在進料段上會造成物料輸送不通暢乃至引起物料堵塞等現象.而采用變螺距的螺旋葉片，可以有效防止料斗內物料的結拱，改善輸送狀況并降低能耗[1-2].另外在有些特殊場合也需要變直徑、變螺距的螺旋葉片,這些就是所謂的非標準螺旋葉片.非標準螺旋葉片往往需求量較小，如果用胎具成形法生產，需要制造多種規格的模具，導致生產成本過高.而冷拉成型法設備簡單，制造成本低，適用于小批量的非標準螺旋葉片生產.冷拉成型法是在葉片坯料剪口兩端施加外力，一次拉伸成型[3].如近年來在一些廠家應用的螺旋葉片拉伸機，它是利用復式螺旋機構原理，通過旋轉套管內的螺桿，帶動兩個旋向相反的螺母反向移動，這時固定在兩螺母上的牽頭牽引葉片坯料兩端拉伸至所設計的螺距[4].但是這種螺旋葉片拉伸機一次只能拉伸兩片螺旋葉片，工作效率較低，限制了其應用.為此本文運用TRIZ發明原理尋求問題的解決方案.

1 TRIZ理論與發明原理

由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒 (G.S.Altshuller)提出的TRIZ理論，是在20世紀全世界大量具有重大影響的專利發明中歸納分析總結而成.阿奇舒勒提出了一套完整的發明問題解決理論，熟練運用這套理論可以使得發明創造工作者在較短的時間內探索出一些規律性、共性的思路，并能提出一些解決看似不可能解決的問題的方法，從而創造出很多實用的成果[5].這些共同的規律被總結出來之后，歸納成40條發明原理[6-7](見 表1)，針對本文所研究的具體技術問題，可以運用這40條發明原理中的一條或幾條并結合具體工程實際狀況，提出相應的解決方案.

表1 40條TRIZ發明原理

40條發明原理中的第5條是 “組合原理”：(1)將相關操作或相同物體在空間上加以組合，如日常并行計算機中的多個CPU；(2)在時間上將相同或相關操作進行合并，如同時分析多項指標的綜合參數測試儀.在組合發明原理的啟示下，我們設想，在空間上將多個螺旋葉片拉伸機組合起來，在時間上同時拉制多個螺旋葉片，形成相對工效較高的臥式螺旋葉片拉伸機組.

2 工作原理及結構

2.1 工作原理

復式螺旋機構一般包括螺桿和螺母，二者組成的螺旋副可以將回轉運動轉變為直線運動，同時傳遞運動和動力.機器中常用的螺旋機構分為兩類，即差動螺旋機構和復式螺旋機構.

如圖1所示，螺桿1兩端設有螺母2，形成螺旋副A與螺旋副B.設螺旋副A、螺旋副B的導程分別為lA和lB，則當螺桿1在轉過φ角時，兩螺母之間的位移為

s=φ(lA±lB)/(2π)

式中，兩螺旋副旋向相反時用“+”號，兩螺旋副旋向相同時用“-”號.

由上式可知，若lA與lB相差很小，且兩螺旋副旋向相同，則兩螺旋副之間形成很小的位移，這種螺旋機構稱為差動螺旋機構；當lA=lB，由于兩螺旋副之間旋向相反，則兩螺母之間可以實現反向快速地移動，這種螺旋機構被稱為復式螺旋機構[8].單一螺旋葉片拉伸機將葉片毛坯的兩端固定于螺母上，驅動螺桿進行旋轉，可以帶動正、反螺母按相反方向做勻速旋轉，則兩螺母就能牽著葉片毛坯，沿著導向槽的方向呈斜角進行拉伸，直到符合葉片螺距設計要求的位置時停止.

2.2 結構組成與工作過程

如圖2(見 66頁)所示，臥式螺旋葉片拉伸機組包括支架、多級鏈傳動和三個拉伸機.多級鏈傳動包括鏈條16、鏈輪Ⅰ15、鏈輪Ⅱ17和鏈輪Ⅲ18[9].

單個拉伸機包括螺桿7、螺母3、螺桿12、螺母8、主體管5、端蓋1、軸承2、活動牽頭4、固定牽頭10、導向槽9和導向槽11，其中對稱放置的三排兩列且同軸的主體管5，被固定于中間支架6上.

第一排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與鏈輪Ⅰ15中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接，伸出主體管5右端的螺桿12軸頭還裝有一可軸向移開的手輪14；第二排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與雙聯鏈輪Ⅱ17中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接；第三排伸出主體管5右端的螺桿7軸頭和伸出主體管5左端的螺桿12軸頭分別與鏈輪18中心孔相配，并由圓錐銷13固定連接.鏈輪Ⅰ15的鏈齒和鏈輪Ⅱ17一側的鏈齒與鏈條16的鏈節嚙合，鏈輪Ⅱ17另一側的鏈齒和鏈輪18的鏈齒與鏈條16的鏈節嚙合，構成多級鏈傳動機構.

螺桿7制有左旋螺紋，與螺母3相配，形成一對螺旋副，螺桿12制有右旋螺紋，與螺母8相配，形成另一對螺旋副，然后裝入主體管5內.螺母3和螺母8的外徑與主體管5內壁應留有適當間隙以保證螺母的自由移動.將軸承2分別從兩端裝入，內圈分別與螺桿7、螺桿12軸徑配合，外圈分別與左右主體管5內孔配合，再將端蓋1從兩端裝入并固定.兩主體管5管長應大于所拉制螺旋葉片的螺距，固定在支架6上的中間位置，固定牽頭10在支架6兩側焊接.在左側主體管5的外壁之上，加工出導向槽11，右側主體管5外壁上加工出導向槽9，槽的長度略大于螺旋葉片的螺距，與水平軸線傾斜一角度α.與螺母3相連的活動牽頭4可在導向槽11內移動，與螺母8相連的活動牽頭4可在導向槽9內移動.

首先在切割好的葉片毛坯內徑兩端，按牽頭的直徑大小鉆兩個工藝孔.將手輪14從螺桿12軸頭上卸下，這時分別從兩端將葉片毛坯套進第一排主體管5，其中有一孔對準固定牽頭10套入并固定，有一孔對準活動牽頭4套入并固定，然后再將手輪14裝上.用同樣的辦法，將螺旋葉片套入第二排、第三排的主體管5內.手輪14通過手握回轉，第一排螺桿將被帶動轉動，而第二排和第三排螺桿也通過鏈傳動同步轉動，與螺桿相配的螺母3和螺母8將反向移動，活動牽頭4分別沿主體管5上導向槽11和導向槽9移動，牽引葉片毛坯內徑向外端緩緩拉開，內徑邊緣圍繞主體管5外壁上，達到設定位置，即完成多片螺旋葉片拉伸過程.該機將三個螺旋葉片拉伸機通過鏈傳動進行組合使用，可以同時將六片葉片毛坯拉制成形.

3 螺旋葉片展開尺寸計算

采用冷拉成型法拉制螺旋葉片，其展開尺寸的計算與常規螺旋葉片展開尺寸的計算有所不同，需要進行修正[10].

如圖3所示，常采用以下公式計算葉片展開尺寸：

展開內孔直徑

(1)

展開外徑尺寸

D1=d1+(D-d)

(2)

外螺旋線長度

(3)

葉片缺口夾角

α1=360°(πD1-L)/(πD1)

(4)

式中：d為設計的螺旋軸直徑，t為設計的螺距，D為設計的螺旋葉片直徑.

繪制精確計算葉片坯料展開示意圖如圖4 所示，其中陰影部分為不可展部分，實際拉伸時會導致其他部位產生拉伸變形，使螺旋外徑的尺寸與上述計算公式不符[10].

由圖4可知并設定：

葉片坯料內緣

(5)

葉片坯料中緣

(6)

葉片坯料外緣

(7)

葉片坯料寬度

AD=b=(D-d)/2

(8)

延長添加線至F，并幾何求證后可得出：

修正后的葉片坯料內徑

d1=b(l2+2l3-l1)/(l1-l2)

(9)

修正后的葉片坯料外徑

D1=d1+2b

(10)

實踐證明，按照修正后的尺寸下料的坯料，拉制出來的螺旋葉片能較好地滿足設計要求.

4 結語

在TRIZ發明原理啟示下設計的臥式螺旋葉片拉伸機組已經試制出樣機，除具有制造簡單、適用性強、不需能源的特點外，與單一螺旋葉片拉伸機相比，其工效大幅提高.實際應用中，該機組一次可以拉伸六片螺旋葉片，生產效率是單一螺旋葉片拉伸機的三倍.由于是手工操作，只能拉制螺旋直徑小于250 mm的螺旋葉片，如果拉制螺旋直徑大于250 mm的螺旋葉片，也可以用減速電機作為動力源，進一步提高生產效率，減輕工人的勞動強度.由此可見，該機組具備一定的市場應用前景.