沈新航，金旭星，段正昊，王張悅，張亞鵬

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121)

0 引言

風(fēng)能是清潔、安全、可再生的綠色能源，目前調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、控制碳排放、加強(qiáng)能源安全已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)對(duì)可再生能源的利用，特別是風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用給予了高度重視。但由于風(fēng)能存在條件的特殊性，對(duì)其利用基本停留在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用未得到研究與推廣。

不同于風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的單一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械工業(yè)中的機(jī)構(gòu)還存在往復(fù)移動(dòng)的典型情形，載荷也較復(fù)雜。風(fēng)能的利用局限于戶外，但很多生產(chǎn)、生活機(jī)械的需求也只能位于戶外，如灌溉機(jī)械、秸稈處理機(jī)械、感應(yīng)窗戶的研發(fā)等。因此，開(kāi)展對(duì)風(fēng)能驅(qū)動(dòng)機(jī)械的研究很有意義。

本文的選題來(lái)自于全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的“低碳環(huán)保主題”，通過(guò)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)一種風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的雙向推料裝置，驗(yàn)證風(fēng)力驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性，其設(shè)計(jì)理念與方法可應(yīng)用于其他機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求

創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種風(fēng)力雙向推料裝置，整機(jī)布局要求如圖1所示。

部分結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求參數(shù)如下。

1)要求兩頂桿均作方向呈90°雙方向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍為30～50 mm。擬推動(dòng)的物料尺寸φ 25 mm×10 mm。推料行程及頻率均可調(diào)。

2)要求葉輪直徑為φ200～250 mm，葉輪厚度(含輪轂)不大于60 mm，葉輪中心距底座平面高度150～200 mm。

3)要求葉輪傳動(dòng)軸軸線所處水平面與頂桿軸線所處水平面最近的距離至少為4 100 mm，兩頂桿軸線高度差應(yīng)控制在20 mm內(nèi)。

4)要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積在280 mm×250 mm×250 mm范圍內(nèi)。

5)現(xiàn)場(chǎng)給定軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)速為8～12 m/s，風(fēng)量為10 000 m3/h左右。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選型

在已知功能原理的條件下，實(shí)現(xiàn)同一運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以有多種機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案，在對(duì)現(xiàn)有各種機(jī)構(gòu)按功能要求進(jìn)行類比分析的基礎(chǔ)上，用各種優(yōu)化與變異技法進(jìn)行改造創(chuàng)新，力圖尋求最優(yōu)解?，F(xiàn)選擇其中3種進(jìn)行比較分析，以說(shuō)明構(gòu)型過(guò)程。

2.1 “曲柄滑塊-移動(dòng)凸輪”組合機(jī)構(gòu)

圖2為“曲柄滑塊-移動(dòng)凸輪”組合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，動(dòng)力通過(guò)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速后由曲柄輸入，2個(gè)互相垂直的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖2中的S1、S2)要求分別由滑塊和頂桿實(shí)現(xiàn)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈短，構(gòu)件總數(shù)目少，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單?；瑝K的行程由曲柄的長(zhǎng)度決定，但頂桿的行程受制于滑塊的行程及移動(dòng)凸輪的輪廓曲線，且2個(gè)行程的調(diào)節(jié)只有同時(shí)進(jìn)行，才能實(shí)現(xiàn)30～50 mm的行程范圍，無(wú)法單獨(dú)調(diào)節(jié)為不同值，該機(jī)構(gòu)屬串聯(lián)式機(jī)構(gòu)，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。若依據(jù)給定的結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，凸輪輸出的壓力角較大，且恒定為45°(H=L)才能符合行程要求，整機(jī)傳動(dòng)效率較低。

2.2 錐齒輪并聯(lián)正弦機(jī)構(gòu)

如圖3所示，該方案采用一對(duì)軸線位于水平面上的圓錐齒輪分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)正弦機(jī)構(gòu)，2個(gè)互相垂直方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖3中的S1、S2)分別從正弦機(jī)構(gòu)輸出，屬并聯(lián)機(jī)構(gòu)。正弦機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)變異而來(lái)，機(jī)構(gòu)可通過(guò)改變曲柄長(zhǎng)度調(diào)節(jié)行程，其突出的優(yōu)點(diǎn)在于任一運(yùn)動(dòng)位置時(shí)，從動(dòng)件頂桿受滑塊作用力的方向始終與自身的移動(dòng)方向平行，即其壓力角始終為零，且2個(gè)輸出行程可單獨(dú)調(diào)節(jié)，效率很高，非常適用于小功率驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)在于須配置一對(duì)圓錐齒輪轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)向，才能實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。同時(shí)，一軸上存在2個(gè)同步輸出運(yùn)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，且易引起沖擊及功率分配的不平衡，對(duì)零件的制造和安裝精度要求較高。

1、2—圓錐齒輪；3、6—頂桿；4、5—滑塊。

2.3 齒條串聯(lián)正弦機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)方案采用一標(biāo)準(zhǔn)直齒輪齒條副串聯(lián)2個(gè)正弦機(jī)構(gòu)組合而成。任務(wù)要求的2個(gè)互相垂直往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖4中的S1、S2)分別由齒條和頂桿實(shí)現(xiàn)。該串聯(lián)式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性較為平穩(wěn)，且任一時(shí)刻2個(gè)正弦輸出機(jī)構(gòu)的壓力角恒為零。因此，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕巧，傳動(dòng)效率高，易于調(diào)節(jié)行程及兩運(yùn)動(dòng)的相位差，功能性全，制造安裝均較為方便。本文最終選擇了這一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1、4—曲柄；2、5—滑塊；3—齒條；6—頂桿。

3 葉輪的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)

葉輪作為本裝置外界能量的采集器，它的結(jié)構(gòu)形狀及參數(shù)是影響整個(gè)裝置動(dòng)力性能的最大因素，而葉片的形狀尺寸及數(shù)目又是決定葉輪效能的關(guān)鍵。

葉片形狀是葉輪的核心，風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)通常采用函數(shù)擬合有限數(shù)據(jù)得到所需數(shù)據(jù)，這種操作方式繁瑣，設(shè)計(jì)精度不高。資料顯示，在高速大負(fù)載情況下，葉型對(duì)葉輪吸收能量的影響較大，較好的葉型在某一攻角下升力系數(shù)較高，阻力系數(shù)較小。但是對(duì)于低速小負(fù)載，影響小一些。葉片根部對(duì)輸出扭矩貢獻(xiàn)不大，主要考慮到強(qiáng)度和加工工藝的因素?；趯?duì)整個(gè)葉輪重量的考慮，本設(shè)計(jì)參考了厚度相對(duì)不大的NACA4412翼型。最大相對(duì)厚度12.02%，位置為弦長(zhǎng)的30%左右。

在一定的風(fēng)力葉片設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，本文采用試探改進(jìn)、循環(huán)壓縮的方法，對(duì)不同葉片數(shù)目、翼弦和攻角的葉輪進(jìn)行了長(zhǎng)期排列組合試驗(yàn)。對(duì)于每一種葉輪，先通過(guò)UG造型完成設(shè)計(jì)后再加工出實(shí)體，并進(jìn)行空載與滿載試驗(yàn)，根據(jù)葉輪在試驗(yàn)中的不同表征進(jìn)行分析和改進(jìn)，同時(shí)也不斷促進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不斷完善，這種方法符合試驗(yàn)性設(shè)計(jì)的一般原則?；谠撊~輪正常情況處于低速運(yùn)行狀態(tài)，所以實(shí)際效果對(duì)葉片的一些相關(guān)性能參數(shù)不是很敏感，影響較低，最終確定的葉片造型，如圖5所示。

圖5 實(shí)際確定的葉片造型

4 行程調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

所選機(jī)構(gòu)的行程調(diào)節(jié)是通過(guò)改變曲柄長(zhǎng)度的方法實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)非常方便，且可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立與聯(lián)動(dòng)2種調(diào)節(jié)方式，能滿足任何一種目標(biāo)行程的工況。行程調(diào)節(jié)原理如圖6所示。在飛輪上開(kāi)有徑向矩形槽，一側(cè)用螺母把螺桿(曲柄)鎖緊在飛輪上，另一側(cè)按順序分別裝配有滾輪、擋圈及螺母，若要調(diào)節(jié)行程，只要松開(kāi)螺母，將螺桿沿飛輪徑向槽移動(dòng)到相應(yīng)位置即可改變曲柄的長(zhǎng)度，再鎖緊螺母即可。

1—飛輪；2—頂桿；3—擋圈；4—滾輪；5—螺桿；6—螺母。

5 可調(diào)料倉(cāng)裝置設(shè)計(jì)

借鑒螺旋升降機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)可調(diào)式料倉(cāng)裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖7)。該裝置由料倉(cāng)、微調(diào)螺母及底座組成，料倉(cāng)及底座分別加工有外螺紋和內(nèi)螺紋，微調(diào)螺母的內(nèi)外圈均有螺紋，分別與料倉(cāng)和底座形成螺紋副，其中，料倉(cāng)與微調(diào)螺母的螺紋副螺距較大，為3 mm，起調(diào)節(jié)高度(底面至出料口中心距離)的作用，底座與微調(diào)螺母的螺紋副螺距較小，為2 mm，起微調(diào)出料口水平角度的作用，用于消除由高度調(diào)節(jié)帶來(lái)的出料口位置誤差。該料倉(cāng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載力大，自鎖性好，操作方便。

1—料倉(cāng)；2—微調(diào)螺母；3—底座。

6 輸出行程調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

如前所述，該定型機(jī)構(gòu)的行程調(diào)節(jié)均是通過(guò)正弦機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)度變化實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于正弦機(jī)構(gòu)，只要曲柄轉(zhuǎn)角大于180°，頂桿的行程S1和S2就等于對(duì)應(yīng)曲柄長(zhǎng)度的2倍(見(jiàn)圖4)。為使2個(gè)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)行程均能在30～50 mm無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，現(xiàn)設(shè)置4種極限工況來(lái)確定部分相關(guān)構(gòu)件的定形尺寸。

工況1：要求前后兩級(jí)行程均為50 mm。顯然，前級(jí)曲柄1 長(zhǎng)度為25 mm 時(shí)，則可得到前級(jí)(即齒條)的行程為50 mm。經(jīng)過(guò)分析，確定齒條完成一個(gè)行程時(shí)，可令齒輪(即后級(jí)曲柄4)完成1/2周，分度圓弧長(zhǎng)繞過(guò)50 mm，后級(jí)正好能完成一個(gè)行程。此時(shí)對(duì)應(yīng)的后級(jí)曲柄長(zhǎng)度也為25 mm。

工況2：要求前級(jí)行程為50 mm，后級(jí)行程為30 mm。與工況1的分析方法類似，即要求前級(jí)曲柄的最長(zhǎng)度為25 mm，后級(jí)曲柄長(zhǎng)度為15 mm。

工況3：要求前后級(jí)行程均為30 mm。這種工況要求前級(jí)曲柄長(zhǎng)度為15 mm，此時(shí)齒輪分度圓弧長(zhǎng)繞過(guò)30 mm，由于齒輪的周長(zhǎng)已經(jīng)由工況1 設(shè)定為100 mm，所以此種工況時(shí)齒輪對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度不再是180°，此時(shí)要求后級(jí)曲柄長(zhǎng)度為19 mm。

工況4：要求前級(jí)行程為30 mm，后級(jí)行程為50 mm。

同理，這種工況要求前級(jí)曲柄長(zhǎng)度為15 mm，與工況3類似，此時(shí)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度是108°，若期望后級(jí)行程達(dá)到50 mm，則要求后級(jí)曲柄長(zhǎng)度為31 mm。

綜上所述，為使2個(gè)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)行程均能在30～50 mm調(diào)節(jié)，前級(jí)曲柄的長(zhǎng)度應(yīng)在15～25 mm，后級(jí)曲柄的長(zhǎng)度應(yīng)在15～31 mm?？紤]到結(jié)構(gòu)尺寸及零件加工的方便，用于調(diào)節(jié)行程的開(kāi)口槽在輪盤上刻出，所以，前級(jí)輪盤的理論半徑為曲柄1長(zhǎng)度的最大值(25 mm)，后級(jí)輪盤的理論半徑為曲柄4長(zhǎng)度的最大值(31 mm)。

7 整機(jī)性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用

1)創(chuàng)新性：對(duì)總功能影響較大的子功能為2個(gè)可調(diào)節(jié)式正弦機(jī)構(gòu)，其恒定的零度壓力角具有較突出的優(yōu)良性能，是保證整機(jī)高效率的關(guān)鍵部件。利用齒輪的1/2周雙向往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)、差動(dòng)螺旋式可調(diào)料倉(cāng)等零部件的設(shè)計(jì)是對(duì)常規(guī)思維的創(chuàng)新與突破。

2)經(jīng)濟(jì)性：裝置整體結(jié)構(gòu)布局合理緊湊；沒(méi)有復(fù)雜件，重復(fù)件多，互換性強(qiáng)；設(shè)計(jì)、制造、安裝容易；成品所需材料耗費(fèi)少；整機(jī)效率較高。

3)安全性：該裝置前級(jí)設(shè)置了帶傳動(dòng)裝置，既起了減速及增大扭矩作用，又提供了必不可少的過(guò)載保護(hù)作用。

4)可操作性：操作方便，易掌握，頂桿的輸出行程及頻率、料倉(cāng)的高度均能實(shí)現(xiàn)方便快捷地調(diào)節(jié)。

樣機(jī)試制完成后，采用各項(xiàng)功能指標(biāo)量化法評(píng)價(jià)其工作表現(xiàn)，聘請(qǐng)部分行業(yè)專家對(duì)整機(jī)成果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，總體評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)良。