電動雙向螺旋葉片拉伸裝置設計

李正峰

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機電技術(shù)學院， 江蘇 無錫 214153)

螺旋輸送機是一種常用的連續(xù)輸送機械，它利用螺旋體的旋轉(zhuǎn)運動使物料向前運送，主要是用來運送煤粉、糧食、水泥、化肥等粉狀或顆粒狀物料[1]。螺旋體上的螺旋葉片長期與物料接觸摩擦，因此極易磨損。專業(yè)化生產(chǎn)廠家制造螺旋葉片主要采用專用成型胎具和壓力機壓制成型的方法，成型質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，但投資大，從制造廠家購買，往往費用較高[2]。為了解決這一問題，設計了一種電動雙向螺旋葉片的拉伸裝置，它可以同時裝入兩片待拉制螺旋葉片毛坯，通過支板兩側(cè)螺旋副的相對位移分別拉制成型。

一、工作原理

螺旋傳動是利用由螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的，主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力的場合。

根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關(guān)系，將常用螺旋傳動的運動形式分為兩種：一種為螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動，螺旋葉片拉伸機即利用了這種運動關(guān)系；另一種為螺母固定、螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機中。

由上式可知，當兩螺旋副旋向相同時，若lB與lA相差很小，則兩螺旋副之間的位移很小，這種螺旋機構(gòu)稱為差動螺旋機構(gòu)；當兩螺旋副的旋向相反時，兩螺母可實現(xiàn)快速移動，這種螺旋機構(gòu)稱為復式螺旋機構(gòu)[2]。本裝置利用復式螺旋機構(gòu)的原理。螺桿旋轉(zhuǎn)帶動正、反螺母向相反方向做勻速運行，這時兩螺母牽著葉片毛坯一端沿著導向槽方向呈斜角拉伸，達到葉片螺距設計要求時停止。

1. 螺桿 2. 螺母

二、結(jié)構(gòu)組成及工作過程

如圖2所示，電動的雙向螺旋葉片拉伸裝置包括機架部分、傳動部分、拉伸部分及控制部分。

1. 螺桿 2. 螺釘 3. 螺母 4. 擋塊 5. 支板 6. 螺旋葉片 7. 芯軸 8. 聯(lián)軸器 9. 蝸桿減速電機 10. 行程開關(guān)Ⅰ 11. 行程開關(guān)Ⅱ 12. 支座 13. 移動螺母Ⅱ 14. 移動螺母Ⅰ 15. 撞桿

圖2 電動雙向螺旋葉片拉伸裝置示意圖

機架部分包括支座12，以及與支座12固定連接的支板5；傳動部分包括蝸桿減速電機9、聯(lián)軸器8和螺桿1；拉伸部分包括芯軸7、移動螺母Ⅰ14和移動螺母Ⅱ13；控制部分包括撞桿15、行程開關(guān)Ⅰ10和行程開關(guān)Ⅱ11。

螺桿1和芯軸7分別安裝在支板5上，且螺桿1和芯軸7平行設置，另支板5兩側(cè)的螺桿1桿體上所設有的螺紋旋向相反，左側(cè)與移動螺母Ⅰ14螺紋配合，右側(cè)與移動螺母Ⅱ13的螺紋配合，同時支板5兩側(cè)的螺桿1螺紋長度皆大于待拉制螺旋葉片的螺距長度。兩移動螺母上設置有葉片拉伸安裝部，而支板5兩側(cè)則設置葉片固定安裝部，葉片拉伸安裝部、葉片固定安裝部皆由螺釘及與該螺釘配合的螺母組成，兩移動螺母與支座12滑動接觸。支座12為一水平放置的底板，支板5垂直安裝在支座12上，且芯軸7位于螺桿1的上方。支板5兩側(cè)設置有防止螺桿1軸向竄動的擋塊4，擋塊4固定安裝在支座12上。螺桿驅(qū)動裝置為蝸桿減速電機9，蝸桿減速電機9與螺桿1通過聯(lián)軸器8相連接。在機架外側(cè)安裝行程開關(guān)Ⅰ10和行程開關(guān)Ⅱ11，當移動螺母Ⅰ14移動到拉伸完設計螺距的位置，與移動螺母Ⅰ14相連的撞桿15碰撞行程開關(guān)Ⅰ10，行程開關(guān)Ⅰ10發(fā)出信號，控制蝸桿減速電機9停止轉(zhuǎn)動。這時擰開螺釘2和螺母3，卸下拉制好的螺旋葉片6；然后控制蝸桿減速電機9反向轉(zhuǎn)動，移動螺母Ⅰ14反向移動到支板5位置，與移動螺母Ⅰ14相連的撞桿15碰撞到行程開關(guān)Ⅱ11，則行程開關(guān)Ⅱ11發(fā)出信號，控制蝸桿減速電機9停止轉(zhuǎn)動[3-4]。

本裝置通過在支板5兩側(cè)的螺桿1上設置兩段旋向相反的螺紋，分別與移動螺母螺紋配合，形成螺桿1轉(zhuǎn)動，移動螺母Ⅰ和移動螺母Ⅱ反向移動的傳動機構(gòu)，使得螺桿1同一次旋轉(zhuǎn)操作過程中，可以拉制生產(chǎn)出兩片螺旋葉片，有效地提高了螺旋葉片的生產(chǎn)效率。以蝸桿減速電機9為驅(qū)動裝置，增大了驅(qū)動力矩，可以拉制螺旋直徑大于200mm的螺旋葉片，擴大了應用范圍；采用兩個行程開關(guān)來限制移動螺母的行程，從而有效控制螺旋葉片螺距，簡單可靠。

安裝時，支座12水平放置，將支板5垂直固定安裝在支座12的中部，支板5和支座12之間可以焊接起來，也可以通過鑄造一體成型。在支板5上設有沿豎向布置的軸線相互平行的兩圓透孔，芯軸7的中間軸頭與位于上方的圓透孔配合，并固定于支板5上；螺桿1中間軸頭與位于下方的圓透孔間隙配合。為防止螺桿1左右竄動，支板5兩側(cè)固定有擋塊4。

拉制螺旋葉片時，將待拉伸螺旋葉片毛坯分別從兩頭套入芯軸7，其中一個工藝孔安裝在支板5的葉片固定安裝部上，即將工藝孔與支板5上的一圓透孔對中，用螺釘2、螺母3連接以定位，而另一個工藝孔則安裝在移動螺母上的葉片拉伸安裝部上，即將工藝孔與移動螺母上的圓透孔對準，然后同樣用螺釘螺母連接以定位。蝸桿減速電機9轉(zhuǎn)動，帶動螺桿1轉(zhuǎn)動，則兩移動螺母背離支板5向外移動，從而將待拉制螺旋葉片毛坯拉制成旋向和螺距符合要求的螺旋葉片。

三、螺旋葉片展開尺寸計算及工藝孔的位置確定

(一)螺旋葉片展開尺寸計算

如果采用壓制成型的方法，在已知螺旋直徑D、螺旋軸直徑d、螺距t的條件下，如圖3所示，常采用下列公式計算葉片展開尺寸：

(a)

(b)

螺旋葉片導程：

(1)

展開內(nèi)孔直徑：

(2)

展開外徑尺寸：

D1=d1+(D-d)

(3)

葉片缺口夾角：

(4)

利用冷拉成型法拉制螺旋葉片，按上述公式計算的坯料尺寸存在不可展部分，如圖4所示陰影部分，因而導致其他部位會產(chǎn)生拉伸變形。因而在計算葉片坯料內(nèi)徑時要考慮這一因素，應對上述公式進行修正。

圖4 精確計算時坯料展開示意圖

作出拉伸變形下的坯料展開示意圖，如圖4所示,由此設定如下公式：

葉片內(nèi)緣：

(5)

葉片外緣：

(6)

葉片中緣：

(7)

葉片寬度：

(8)

根據(jù)三角形全等與相似的原理，在圖4中作添加線EF后求證并整理可得出坯料內(nèi)徑和外徑：

坯料內(nèi)徑:

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

(9)

坯料外徑:

D1=d1+2b

(10)

在實際下料中還要考慮t/d的變化因素，對內(nèi)徑尺寸進行修正，即：

d1修=d1(1-kt/d)

(11)

d1為 由式 (9)計算而得的坯料內(nèi)徑；k為修正系數(shù)，修正系數(shù)k的平均值為0.5%[5]。按修正后的尺寸計算完全能滿足螺旋葉片的精度要求。以螺旋外徑200 mm為例，計算結(jié)果如表1所示。修正后的內(nèi)徑略大于傳統(tǒng)計算公式計算的內(nèi)徑。

(二)螺旋葉片工藝孔的位置確定

從螺旋葉片拉伸過程截面變形來看，將外徑為D、內(nèi)徑為d、螺距為t的螺旋葉片展開后，內(nèi)、外徑處的螺旋線長度分別為l和L：

(12)

(13)

在螺旋曲面上，任一條螺旋線長度為：

(14)

由式(14)可以看出，在同一螺旋曲面上，越向內(nèi)孔外延伸，螺旋線就越長。在螺旋曲面由拉伸向壓縮轉(zhuǎn)變過渡中，沿坯料寬度方向，在螺旋葉片某直徑Dn處必然存在一個中性面，實踐證明，此中性面存在于距螺旋葉片內(nèi)徑由內(nèi)至外邊緣的1/5處。

螺旋葉片兩工藝連接孔應在受力變形最小的位置。根據(jù)以上分析可知，工藝孔距圓心半徑rn=d1/2+b/5，計算得rn=d1/2+b/5=54 mm。

四、結(jié)語

本裝置在實際使用中，由于采用冷拉成型法，加工葉片不需加溫，因而節(jié)約了能源。本裝置具有制造簡單、使用方便、工人勞動強度低、適用范圍廣等特點，特別適合用戶小批量生產(chǎn)螺旋葉片或維修螺旋輸送機時使用。