□ 高天友

常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164

自動(dòng)送料機(jī)指能自動(dòng)按規(guī)定要求和既定程序進(jìn)行運(yùn)作，它把物品從一個(gè)位置送到另一個(gè)位置，其過程不需人為的干預(yù)即可自動(dòng)準(zhǔn)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(yè)產(chǎn)品、半成品的輸送，也能配合下道工序使生產(chǎn)自動(dòng)化。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(huán)保的背景下，如何最大效率地利用風(fēng)能、太陽能等清潔能源，作為傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充或是替代品，是當(dāng)前科學(xué)研究和技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，“風(fēng)動(dòng)雙輸出送料機(jī)”就是創(chuàng)新地利用風(fēng)能作為動(dòng)力來源，通過合理地設(shè)計(jì)葉輪葉片，借助鏈輪、滾子輪傳動(dòng)系統(tǒng)和可調(diào)偏心溝槽輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物流的雙向輸出，送料機(jī)的外形采用圓桶形狀，加工簡單方便，剛性良好，具有工業(yè)應(yīng)用前景。

1 功能要求

給定一風(fēng)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)與制造一風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物料傳送的機(jī)械裝置，如圖1所示。

物料尺寸為φ25 mm×10 mm，材質(zhì)為塑料或尼龍；頂桿作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程范圍為30～50 mm。

▲圖1 結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

方案如圖2所示，葉輪1在軸流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)主動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)從動(dòng)軸4旋轉(zhuǎn)，安裝在兩側(cè)的頂桿5在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)6的作用下實(shí)現(xiàn)既定的輸出要求。該方案中主動(dòng)軸2與從動(dòng)軸4垂直布置，兩個(gè)輸出方向與從動(dòng)軸也是垂直布置，可以用一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向成90°角輸出。

▲圖2 垂直軸傳遞方案

由于采用垂直傳動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)軸水平布置時(shí)，從動(dòng)軸必然垂直放置，整套機(jī)構(gòu)就可以做成桶狀結(jié)構(gòu)，這樣一方面在節(jié)省材料的同時(shí)又可以提高整套機(jī)械裝置的強(qiáng)度，另一方面又能避免過多的數(shù)控加工。該機(jī)構(gòu)主要由葉輪、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、錐套連接器等主要部件組成，在保證整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械剛性的前提下，簡化了裝置的結(jié)構(gòu)，減輕整機(jī)重量，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，降低了生產(chǎn)成本。

3 技術(shù)參數(shù)及整機(jī)性能

機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸中心距底部距離為194 mm，從動(dòng)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(dòng)比為1∶2；在速度為8 m/s、流量為10 000 m3/min的風(fēng)力作用下，啟動(dòng)時(shí)間2～3 s，勻速狀態(tài)下頂桿往復(fù)頻率≥120次/min，掛檔延時(shí)時(shí)間3～4 s，正常工作情況下，葉輪啟動(dòng)后5～7 s頂桿開始工作，整套機(jī)械裝置重量不超過15 kg。

4 掛檔延時(shí)裝置

葉輪在風(fēng)力作用下從靜止到轉(zhuǎn)速恒定需要一定時(shí)間，如果直接帶負(fù)載運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)間會(huì)增加，為了減少起動(dòng)時(shí)間，最佳的方法是在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上增加一套延時(shí)裝置，保證葉輪轉(zhuǎn)速恒定之后再帶動(dòng)負(fù)載一起運(yùn)動(dòng)，圖4為送料機(jī)裝置的傳動(dòng)延時(shí)裝置結(jié)構(gòu)圖，葉輪在開始起動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，鏈輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)滾子輪和軸套旋轉(zhuǎn)，此時(shí)從動(dòng)軸上的鋼球座保持平衡狀態(tài)，從動(dòng)軸和軸套之間由于沒有連接件，因此保持靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)此時(shí)不帶負(fù)載運(yùn)行。由于滾子輪和軸套的旋轉(zhuǎn)，軸套上的撥片回轉(zhuǎn)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(dòng)到對側(cè)低點(diǎn)，此時(shí)鋼球座失去平衡發(fā)生傾斜，下部的擺片將會(huì)插入軸套的槽中使從動(dòng)軸和軸套之間用擺片聯(lián)結(jié)起來，滾子輪將會(huì)帶動(dòng)從動(dòng)軸一起運(yùn)動(dòng)，完成傳動(dòng)延時(shí)并掛檔的功能。根據(jù)工業(yè)機(jī)械通常采用 “空載啟動(dòng)，達(dá)到額定輸出后負(fù)載運(yùn)動(dòng)”設(shè)計(jì)的原則，該套裝置的存在能夠保證葉輪在啟動(dòng)并達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)之后進(jìn)行切檔帶負(fù)載運(yùn)動(dòng)，提高了推料裝置的運(yùn)行效率。

5 頂桿位移方程計(jì)算

圖5所示為偏心輪機(jī)構(gòu)的簡化圖，O′為偏心輪回轉(zhuǎn)軸中心，O為輪中心，輪子半徑OA=R，偏心距為e，回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為ω，偏心輪回轉(zhuǎn)時(shí)從A點(diǎn)以角速度ω旋轉(zhuǎn)至A′點(diǎn)，時(shí)間為t，在A′處產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算，設(shè) ∠OAO′=β，∠AOO′=α：

▲圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

▲圖4 掛檔延時(shí)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(zhuǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。

6 輸出位移調(diào)節(jié)裝置

輸出位移調(diào)節(jié)裝置如圖6所示，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿，溝槽輪會(huì)向回轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，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(huì)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(shè)置偏心距調(diào)節(jié)范圍最大為25 mm，最小為15 mm，就可以實(shí)現(xiàn)輸出位移在30～50 mm之間調(diào)節(jié)。

圖7所示為e=15 mm時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝示意圖，假設(shè)葉輪旋轉(zhuǎn)的速度為120 r/min，減速之后從動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的形式?jīng)]有變化，因此輸出位移、速度、加速度曲線的形態(tài)也沒有發(fā)生變化，位移變化規(guī)律遵循三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，偏心距改變之后幅值也變化；速度也是三角函數(shù)規(guī)律，遵循由小到大再變小的規(guī)律，隨著偏心距的增加，最大速度也增加；加速度變化的規(guī)律就比較復(fù)雜，但也是周期函數(shù)變化，一個(gè)周期內(nèi)有多個(gè)谷底和峰值點(diǎn)，可以看出在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)承受比較多的沖擊，如果直接用溝槽連接推桿會(huì)出現(xiàn)抱死的狀況，因此在溝槽與推桿連接部分設(shè)計(jì)用軸承進(jìn)行連接，可以有效地傳遞位移并防止機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。

▲圖6 輸出位移調(diào)節(jié)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(jié)束語

風(fēng)動(dòng)雙輸出送料機(jī)切合了當(dāng)今低碳環(huán)保的理念，充分利用清潔能源——風(fēng)力作為原動(dòng)力完成物料的輸送功能。由于采用垂直軸傳動(dòng)，最終裝置的結(jié)構(gòu)可以做成桶狀，這樣一方面有利于氣流流動(dòng)，增加葉輪的轉(zhuǎn)速，另外一方面桶形結(jié)構(gòu)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(dòng)裝置垂直布置后，不以外殼為支撐安裝傳動(dòng)軸，避免因同軸度要求較高而采用鏜孔加工，保證了結(jié)構(gòu)的完整性，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低了加工難度。

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