李正峰

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214153)

螺旋輸送機(jī)是一種常用的連續(xù)輸送機(jī)械，它利用螺旋體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使物料向前運(yùn)送，主要是用來(lái)運(yùn)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(zhǎng)期與物料接觸摩擦，因此極易磨損。專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)廠家制造螺旋葉片主要采用專(zhuān)用成型胎具和壓力機(jī)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(gòu)買(mǎi)，往往費(fèi)用較高[2]。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)雙向螺旋葉片的拉伸裝置，它可以同時(shí)裝入兩片待拉制螺旋葉片毛坯，通過(guò)支板兩側(cè)螺旋副的相對(duì)位移分別拉制成型。

一、工作原理

螺旋傳動(dòng)是利用由螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的，主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的場(chǎng)合。

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

由上式可知，當(dāng)兩螺旋副旋向相同時(shí)，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(jī)構(gòu)稱(chēng)為差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)；當(dāng)兩螺旋副的旋向相反時(shí)，兩螺母可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，這種螺旋機(jī)構(gòu)稱(chēng)為復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)[2]。本裝置利用復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)的原理。螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)正、反螺母向相反方向做勻速運(yùn)行，這時(shí)兩螺母牽著葉片毛坯一端沿著導(dǎo)向槽方向呈斜角拉伸，達(dá)到葉片螺距設(shè)計(jì)要求時(shí)停止。

1. 螺桿 2. 螺母

二、結(jié)構(gòu)組成及工作過(guò)程

如圖2所示，電動(dòng)的雙向螺旋葉片拉伸裝置包括機(jī)架部分、傳動(dòng)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(jī) 10. 行程開(kāi)關(guān)Ⅰ 11. 行程開(kāi)關(guān)Ⅱ 12. 支座 13. 移動(dòng)螺母Ⅱ 14. 移動(dòng)螺母Ⅰ 15. 撞桿

圖2 電動(dòng)雙向螺旋葉片拉伸裝置示意圖

機(jī)架部分包括支座12，以及與支座12固定連接的支板5；傳動(dòng)部分包括蝸桿減速電機(jī)9、聯(lián)軸器8和螺桿1；拉伸部分包括芯軸7、移動(dòng)螺母Ⅰ14和移動(dòng)螺母Ⅱ13；控制部分包括撞桿15、行程開(kāi)關(guān)Ⅰ10和行程開(kāi)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(shè)置，另支板5兩側(cè)的螺桿1桿體上所設(shè)有的螺紋旋向相反，左側(cè)與移動(dòng)螺母Ⅰ14螺紋配合，右側(cè)與移動(dòng)螺母Ⅱ13的螺紋配合，同時(shí)支板5兩側(cè)的螺桿1螺紋長(zhǎng)度皆大于待拉制螺旋葉片的螺距長(zhǎng)度。兩移動(dòng)螺母上設(shè)置有葉片拉伸安裝部，而支板5兩側(cè)則設(shè)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(dòng)螺母與支座12滑動(dòng)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(shè)置有防止螺桿1軸向竄動(dòng)的擋塊4，擋塊4固定安裝在支座12上。螺桿驅(qū)動(dòng)裝置為蝸桿減速電機(jī)9，蝸桿減速電機(jī)9與螺桿1通過(guò)聯(lián)軸器8相連接。在機(jī)架外側(cè)安裝行程開(kāi)關(guān)Ⅰ10和行程開(kāi)關(guān)Ⅱ11，當(dāng)移動(dòng)螺母Ⅰ14移動(dòng)到拉伸完設(shè)計(jì)螺距的位置，與移動(dòng)螺母Ⅰ14相連的撞桿15碰撞行程開(kāi)關(guān)Ⅰ10，行程開(kāi)關(guān)Ⅰ10發(fā)出信號(hào)，控制蝸桿減速電機(jī)9停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)擰開(kāi)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(jī)9反向轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)螺母Ⅰ14反向移動(dòng)到支板5位置，與移動(dòng)螺母Ⅰ14相連的撞桿15碰撞到行程開(kāi)關(guān)Ⅱ11，則行程開(kāi)關(guān)Ⅱ11發(fā)出信號(hào)，控制蝸桿減速電機(jī)9停止轉(zhuǎn)動(dòng)[3-4]。

本裝置通過(guò)在支板5兩側(cè)的螺桿1上設(shè)置兩段旋向相反的螺紋，分別與移動(dòng)螺母螺紋配合，形成螺桿1轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)螺母Ⅰ和移動(dòng)螺母Ⅱ反向移動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得螺桿1同一次旋轉(zhuǎn)操作過(guò)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(jī)9為驅(qū)動(dòng)裝置，增大了驅(qū)動(dòng)力矩，可以拉制螺旋直徑大于200mm的螺旋葉片，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍；采用兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)來(lái)限制移動(dòng)螺母的行程，從而有效控制螺旋葉片螺距，簡(jiǎn)單可靠。

安裝時(shí)，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(lái)，也可以通過(guò)鑄造一體成型。在支板5上設(shè)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(dòng)，支板5兩側(cè)固定有擋塊4。

拉制螺旋葉片時(shí)，將待拉伸螺旋葉片毛坯分別從兩頭套入芯軸7，其中一個(gè)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(duì)中，用螺釘2、螺母3連接以定位，而另一個(gè)工藝孔則安裝在移動(dòng)螺母上的葉片拉伸安裝部上，即將工藝孔與移動(dòng)螺母上的圓透孔對(duì)準(zhǔn)，然后同樣用螺釘螺母連接以定位。蝸桿減速電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺桿1轉(zhuǎn)動(dòng)，則兩移動(dòng)螺母背離支板5向外移動(dòng)，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(kāi)尺寸計(jì)算及工藝孔的位置確定

(一)螺旋葉片展開(kāi)尺寸計(jì)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(jì)算葉片展開(kāi)尺寸：

(a)

(b)

螺旋葉片導(dǎo)程：

(1)

展開(kāi)內(nèi)孔直徑：

(2)

展開(kāi)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(jì)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(dǎo)致其他部位會(huì)產(chǎn)生拉伸變形。因而在計(jì)算葉片坯料內(nèi)徑時(shí)要考慮這一因素，應(yīng)對(duì)上述公式進(jìn)行修正。

圖4 精確計(jì)算時(shí)坯料展開(kāi)示意圖

作出拉伸變形下的坯料展開(kāi)示意圖，如圖4所示,由此設(shè)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(shí)際下料中還要考慮t/d的變化因素，對(duì)內(nèi)徑尺寸進(jìn)行修正，即：

d1修=d1(1-kt/d)

(11)

d1為 由式 (9)計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果如表1所示。修正后的內(nèi)徑略大于傳統(tǒng)計(jì)算公式計(jì)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(guò)程截面變形來(lái)看，將外徑為D、內(nèi)徑為d、螺距為t的螺旋葉片展開(kāi)后，內(nèi)、外徑處的螺旋線長(zhǎng)度分別為l和L：

(12)

(13)

在螺旋曲面上，任一條螺旋線長(zhǎng)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(zhǎng)。在螺旋曲面由拉伸向壓縮轉(zhuǎn)變過(guò)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(gè)中性面，實(shí)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(yīng)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(jì)算得rn=d1/2+b/5=54 mm。

四、結(jié)語(yǔ)

本裝置在實(shí)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(jiǎn)單、使用方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、適用范圍廣等特點(diǎn)，特別適合用戶(hù)小批量生產(chǎn)螺旋葉片或維修螺旋輸送機(jī)時(shí)使用。