风能驱动定向输送装置的设计

    田伟华 田军伟 张松锋

    摘 要：以风能驱动定向输送机械装置为研究对象，介绍了风能驱动的定向输送装置的设计思路和工作原理，并运用了软件进行了造型设计与模拟仿真，在其基础上进行了成功试验，通过分析比较，得出了风能驱动定向输送装置进行物料输送的一些优点和缺点，为在低碳环保条件下，对新能源的研究提供了平台。

    关键词：低碳环保；风能驱动；传动轴；竖轴

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.002

    0 引言

    随着现在社会的高速发展和生活水平的提高，环保、低碳等概念已深入到社会的每一个角落，，它可以促进城市生态效益和经济效益的整合，有利于改善人与自然环境的关系。 低碳是提倡借助低能量、低消耗、低开支的生活方式，把消耗的能量降到最低，从而减少二氧化碳的排放。环保就是保护环境，协调人类与环境的关系，更好地保障社会经济的可持续发展[1]。本文创新设计与制造了风能驱动定向输送装置[2-3]，并利用叶轮转动，进而带动传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置，为在低碳环保条件下，对新能源的研究提供了平台。

    1 风能驱动装置设计部分

    “风能驱动输送装置”总装配图及效果图如图1.1所示。

    2 工作原理、性能指标及主要用途

    2.1 工作原理

    叶轮传动→传动轴1→圆锥齿轮→传动轴2→偏心轴套→推顶杆→动物料。具体工作原理分析：轴流风机的风能推动叶轮进行旋转运动，把风能转化为机械能；叶轮与传动卧轴通过键连接，键连接保证了叶轮与传动轴的周向配合，轴向配合是通过轴端的挡圈实现；传动卧轴通过双轴承完成在箱体的安装与支撑，另外传动卧轴右端与圆锥齿轮通过键连接装配；整个运动通过一对圆锥齿轮改变运动成正交方向传递给立轴；立轴为一竖轴，两端通过一对轴承定位在箱体上面，两轴承孔应该保证同轴度要求；立轴的旋转运动带动两个同等尺寸的偏心轮，偏心轮外面套有圆形轴套，轴套与两顶杆连接，把立轴的旋转运动转化为两顶杆作成90°方向的往复直线位移运动，进而实现物料的运输。

    2.2 性能指标

    （1）叶轮由风能驱动，风速8-12m/s，叶轮在此驱动下可达到转速10-15r/s。

    （2）物料尺寸Φ25mm×10mm，物料材质为塑料；顶杆作直线往复运动，行程35mm。

    （3）叶轮设计的尺寸为Φ246mm，厚度为60mm，8个叶片。

    2.3 主要用途

    （1）用于研究低碳环保-风能的使用情况；

    （2）在不同的风速下，研究叶轮的运动情况；

    （3）分析风能驱动装置实现物料输送的效率和精确情况。

    3 主要零件设计

    3.1 叶轮

    叶轮是零件设计过程中最重要的零件之一，关系着整个传动机构的性能与稳定性。图3.1所示，叶轮设计的二维图。

    3.1.1 零件结构分析

    文章以叶轮的加工为载体，选择零件的毛坯尺寸为φ250X70mm，材料为硬铝合金。

    3.1.2 结构工藝性分析

    根据数控加工的原理和特点，可以采用下列工件装夹方法，进行零件轮廓的数控铣削加工。

    装夹方式： 在加工中心工作台面，放置三爪卡盘，以反爪卡紧叶轮底座的工艺台阶，以叶轮外圆定位；利用压板、螺栓、垫铁等工具，压紧三爪卡盘。如图3.2所示，叶轮的毛坯装夹图，如图3.3叶轮的现场加工图。

    3.2 传动轴

    传动轴是传动机构中最重要的零部件之一，通过其上面的锥齿轮传动达到不同的转速，从而实现机构的工作，在本设计机构中，共两个传动轴，按照传动轴的位置，可以分为卧轴和竖轴[4]， 由于数控车床加工精度较高，加工时都可以采用数控车床进行加工。

    3.2.1 卧轴

    卧轴左端与叶轮连接，右端与小锥齿轮连接，由于水平放置，故为卧轴。对于卧轴而言，它的设计具有很高的精度，尤其右端与小锥齿轮通过平键连接，左端与叶轮连接，为方便加工，轴与孔配合，都采用基孔制。

    3.2.2 竖轴

    传动轴由于立着放置，故称为竖轴，竖轴上端与大锥齿轮平键连接，下端与偏心轮连接，对于竖轴而言，它的设计也具有很高的精度，为方便加工，轴与孔配合，都采用基孔制。

    4 风能机械驱动装置试验分析

    （1）本文设计的叶轮，毛坯加工之前中心点的找正是一个难点，误差大，直接影响着叶轮的精度。如图4.1所示，利用百分表对叶轮毛坯进行找正。

    （2）本文采用的叶轮材质为硬铝合金，使用的pro/E软件[5]进行造型设计，mastercam软件[6-7]自动产生程序，其原因有三点：1）硬铝比较便宜，容易铸造，具有一定的经济性，低碳环保；2）pro/E软件三维造型比较方便，容易生成相应的实体；3）mastercam软件产生程序，过程比较简单，且产生的程序不用过多的修改。如图4.1所示，利用pro/E软件对叶轮设计进行三维建模，通过后置处理，参数设置，借助mastercam软件自动生成适合于本数控系统的数控程序，其中程序导入到数控铣床进行加工。

    （3）以前的驱动，输送装置很多都是通过煤、油等能源实现驱动的，但能耗大，污染大，成本高，本文在前人的基础上，设计的驱动装置采用的是风能，更容易实现低能环保。

    （4）设计的驱动装置也存在着一定的缺陷，比如，选材方面，外壳采用的是碳钢，体积庞大，质量重，造成移动不方便，耗材量大，给整个的设计增加了成本，另一方面，由于叶轮上叶片有曲面，加工起来具有一定的难度，叶片的设计是否有缺陷直接影响着物料运输的稳定、快慢及效率。

    5 结语

    本文设计的风能驱动输送装置，叶轮转动均匀、稳定，容易实现不同转速物料的运输，高效率、低成本，低碳环保，为今后改进驱动装置和利用其他能源驱动提供了可借鉴的资料。

    参考文献：

    [1]刘欣颖.论环保节能设计在城市建设中的作用[J].科技与企业，2015（02）：105.

    [2]徐锦康.机械设计[M].机械工业出版社，2001.

    [3]耿玉香.机械设计基础 [M].西安交通大学出版社，2014.

    [4]孙恒.机械原理 [M].高等教育出版社，2013.

    [5]李月凤.Pro/E Wildfire 5.0基础实例教程[M].化学工业出版社，2015.

    [6]田坤.Mastercam数控编程与项目实训[M].机械工业出版社，2016.

    [7]蔡修军.基于UG的闭式叶轮数控编程方法与研究[D].北京交通大学，2010.

    作者简介：田伟华（1981-），男，河南扶沟人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：数控CAD/CAM软件、机械设计与制造。