何也能,辛 喆,趙紅利,楊 凱,余 舟

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083; 3.中汽認(rèn)證中心有限公司,北京 100044;4.青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院,山東 青島 266000; 5.吉利汽車研究院(寧波)有限公司,浙江 寧波 315000)

0 引 言

目前,便攜式風(fēng)力滅火機(jī)已普遍應(yīng)用于我國森林草原火災(zāi)撲救[1]。其噴出的氣流可撲滅A類火災(zāi)(固體有機(jī)物燃燒火)中的低強度森林、草原地表火[2],但對于更高強度的火災(zāi)，其滅火性能較有限[3]。

風(fēng)速高、風(fēng)量大和質(zhì)量輕是提高風(fēng)力滅火機(jī)性能的可發(fā)展方向[4]。便攜式風(fēng)力滅火機(jī)主要由離心風(fēng)機(jī)和小型二沖程汽油機(jī)組成,因此,提高風(fēng)力滅火機(jī)性能的重要途徑包括優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)[5-7]、選配較高功率及輕量型的汽油機(jī)。通常,便攜式風(fēng)力滅火機(jī)用汽油機(jī)的功率為3.5 kW～4.5 kW,通過人力拉動拉繩盤帶動飛輪及曲軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)起動。其拉繩盤與汽油機(jī)飛輪組一體,結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

現(xiàn)有某航空用雙氣缸二沖程小型汽油機(jī),功率近13 kW,而重量僅約4 kg,具有較高功率及輕量型的特點,可選配作為風(fēng)力滅火機(jī)發(fā)動機(jī),提高滅火性能。但該汽油機(jī)通過人力轉(zhuǎn)動外部長槳葉進(jìn)而起動,當(dāng)其應(yīng)用于風(fēng)力滅火機(jī)時,由于風(fēng)機(jī)葉輪在蝸殼內(nèi)部,不易通過人力旋轉(zhuǎn)葉輪實現(xiàn)起動。

針對該問題,筆者設(shè)計具有較大起動功率的電起動機(jī)構(gòu),同時由于起動機(jī)構(gòu)強度不足則易發(fā)生損壞,用有限元法進(jìn)行強度校核[8]。

1 電起動方案設(shè)計

1.1 電起動總體方案確定

針對所選配汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點,并考慮蝸殼剛度、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)方式和起動機(jī)構(gòu)重量等因素,筆者設(shè)計分離式電起動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在起動前先與葉輪端接合;起動時帶動葉輪,進(jìn)而帶動發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn);起動后能自動中斷轉(zhuǎn)矩傳遞,并可完全脫開與葉輪端的接合。

為了提供較大的起動功率,減輕使用者起動時的勞動強度,筆者選用串勵式直流電機(jī)提供起動轉(zhuǎn)矩,其額定功率為0.8 kW,額定電壓為12 V。由于通常電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,電起動機(jī)構(gòu)需設(shè)計具有合適傳動比的減速機(jī)構(gòu),以提供足夠起動轉(zhuǎn)矩,并使輸出轉(zhuǎn)速仍大于汽油機(jī)最低起動轉(zhuǎn)速[5],滿足起動要求。為防止汽油機(jī)起動后高速旋轉(zhuǎn)反帶起動電機(jī),起動傳動機(jī)構(gòu)還應(yīng)包括單向離合機(jī)構(gòu)。

電起動設(shè)計總體方案如圖1所示。

圖1 電起動設(shè)計總體方案

考慮整體機(jī)構(gòu)重量,該電起動機(jī)構(gòu)適宜放置在地面上進(jìn)行起動,因此,通過錐齒輪副、螺桿及滑動導(dǎo)軌等組成高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可使電起動機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同高度的風(fēng)力滅火機(jī)。

1.2 汽油機(jī)起動性能參數(shù)確定

反映汽油機(jī)起動性能的參數(shù)主要包括最低起動轉(zhuǎn)速和起動阻轉(zhuǎn)矩。通常在環(huán)境溫度0 ℃以上時,車用汽油機(jī)的最低起動轉(zhuǎn)速約20 r/min～50 r/min[10]。由于該汽油機(jī)為二氣缸化油器式,經(jīng)咨詢生產(chǎn)商,其建議起動轉(zhuǎn)速大于400 r/min時起動較可靠,因此,筆者將該轉(zhuǎn)速作為最低起動轉(zhuǎn)速。

風(fēng)力滅火機(jī)選配汽油機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)力滅火機(jī)選配汽油機(jī)參數(shù)

發(fā)動機(jī)最大起動阻轉(zhuǎn)矩主要包括發(fā)動機(jī)內(nèi)部最大摩擦阻力矩、氣缸空氣壓縮阻力矩和發(fā)動機(jī)運動部件慣性阻轉(zhuǎn)矩[11]。但風(fēng)力滅火機(jī)配用汽油機(jī)的起動阻轉(zhuǎn)矩除以上3類外,還包括葉輪慣性阻轉(zhuǎn)矩和氣動阻力矩。由于起動時轉(zhuǎn)速較低,葉輪所受氣動阻力矩基本可忽略。

根據(jù)發(fā)動機(jī)起動性能參數(shù)經(jīng)驗公式[12]可計算發(fā)動機(jī)內(nèi)部最大摩擦阻力矩、氣缸空氣壓縮阻力矩和發(fā)動機(jī)運動部件慣性阻轉(zhuǎn)矩,而葉輪慣性阻轉(zhuǎn)矩則可由圓盤轉(zhuǎn)動慣量近似計算。

1.3 電機(jī)可換向電路設(shè)計

為了使電起動機(jī)構(gòu)不僅能起動該類右旋式汽油發(fā)動機(jī),同時也能通過電路轉(zhuǎn)換起動左旋式汽油發(fā)動機(jī),筆者對所選用起動性較好的串勵式直流電機(jī)電路進(jìn)行可換向設(shè)計。

由于串勵直流電機(jī)的勵磁繞組(定子)和電樞繞組(轉(zhuǎn)子)串聯(lián),不能通過外部正負(fù)極反接的方法直接改變電機(jī)旋向。串勵直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)可采用勵磁繞組反接或者電樞繞組反接來實現(xiàn)。由于該電機(jī)的勵磁繞組末端搭鐵,且勵磁繞組末端的剩余空間較小,此處采用電樞繞組反接法。

串勵式直流電機(jī)電路圖如圖2所示。

圖2中,a、b、c和d分別表示4個電刷。改接電路時,用組合開關(guān)將接線端1和2相連,3和4相連,圖中電樞電流方向向上,電機(jī)正轉(zhuǎn);反之當(dāng)將接線端2和4相連,1和3相連,圖中電樞電流方向向下,電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖2 串勵式直流電機(jī)電路圖1—電源正極接線端;2—a、b電刷總線接線端;3—c和d端的電刷導(dǎo)線合并接線(m線)的接線端;4—c和d處的電刷架連接端合并接線(n線)的接線端

1.4 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于對減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸無特殊要求,傳動方式選擇為單級圓柱齒輪傳動。傳動比的選擇原則是使起動機(jī)構(gòu)在最大功率時的轉(zhuǎn)速(經(jīng)減速后)略高于汽油機(jī)的最低起動轉(zhuǎn)速。為保證可靠起動,筆者傳選擇動比為3:1,以最大起動阻轉(zhuǎn)矩為載荷條件,應(yīng)用理論公式進(jìn)行強度校核。

減速機(jī)構(gòu)零件的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 減速機(jī)構(gòu)零件的主要設(shè)計參數(shù)

減速機(jī)構(gòu)剖面圖如圖3所示。

圖3 減速機(jī)構(gòu)剖面圖1—電機(jī)端蓋;2—軸套;3—輸入軸;4—銅套;5—螺栓;6—軸承蓋;7—墊片;8—滾動軸承;9—從動軸鍵;10—從動齒輪;11—軸套;12—輸出軸;13—主動齒輪;14—主動軸鍵;15—卡環(huán);16—銅套;17—箱體

1.5 單向離合機(jī)構(gòu)設(shè)計

為防止起動后汽油機(jī)反帶電機(jī),該電起動方案中包含有單向離合機(jī)構(gòu)。由于單向軸承具有尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)緊湊、型式多樣和適用性廣的特點[13],筆者通過選配合適的單向軸承,來設(shè)計電起動單向離合機(jī)構(gòu);選擇軸承內(nèi)徑為30 mm的CSK PP型號楔塊式單向軸承(PP表示軸承內(nèi)外圈均帶鍵槽),其傳遞轉(zhuǎn)矩很大,可靠性高;同時配用深溝球軸承,以提高單向離合器剛度,延長單向軸承壽命。

單向離合器剖面圖如圖4所示。

圖4 單向離合器剖面圖1—圓盤;2—滾動軸承;3—單向軸承;4—傳動中間軸;5—減速箱輸出軸;6—固定螺栓;7—內(nèi)圈鍵;8—外圈鍵;9—軸套;10—螺栓;11—外六角起動頭

1.6 蓄電池選配和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

按用途分類,鉛酸蓄電池有起動型、牽引型和固定用型等。一般情況下,鉛酸蓄電池放電電流不宜超過1C-rate(瞬間放電電流為電池容量數(shù)值的一倍);瞬間能輸出電流最大的電池類型為起動型,瞬間電流可達(dá)到自身電池容量的5倍以上。筆者選擇的蓄電池為起動型蓄電池,電壓為12 V,額定容量為14 Ah。

為了增強設(shè)備通用性,使其能起動不同高度的風(fēng)力滅火機(jī),還需要設(shè)計高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)主要包括錐齒輪副、滑動導(dǎo)軌、螺桿、高度調(diào)節(jié)操作桿、軸承和底座等。

2 電起動關(guān)鍵部件有限元分析

由于電起動機(jī)構(gòu)受力情況較復(fù)雜,適合應(yīng)用有限元法進(jìn)行強度校核。筆者先選擇在Pro/E中建立起動機(jī)構(gòu)三維實體模型后,再導(dǎo)入ANSYS軟件的Workbench仿真平臺,應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜力學(xué)分析[14-15]。

2.1 關(guān)鍵部件三維實體模型建立

由于電起動機(jī)構(gòu)中的零件主要承受起動力矩作用,應(yīng)用Pro/E所建立的三維實體模型包括減速箱中的主動齒輪、從動齒輪、輸入軸、輸出軸和傳動鍵,以及單向離合機(jī)構(gòu)中的中間傳動軸、軸套、傳動鍵、單向軸承、固定螺栓、圓盤和起動外六角頭等。

電起動機(jī)構(gòu)的動力輸入軸即為電機(jī)電樞軸,動力輸出軸與風(fēng)機(jī)葉輪連接。由于電起動機(jī)構(gòu)所輸出的起動轉(zhuǎn)矩是通過外六角起動頭,與葉輪上的內(nèi)六角孔嚙合而傳遞,筆者也建立葉輪上的內(nèi)六角孔連接件三維實體模型,以便添加約束條件。

單向離合機(jī)構(gòu)包含的滾動軸承、單向軸承為標(biāo)準(zhǔn)件,此處不對其進(jìn)行強度模擬分析。為進(jìn)行其他非標(biāo)準(zhǔn)傳動零件的強度分析,需要進(jìn)行整體求解域計算,因此筆者選擇建立簡化的滾動軸承、單向軸承模型(附鍵槽的實心體)。

筆者在Pro/E中建立所需進(jìn)行強度分析的全部實體模型并裝配,再將裝配模型導(dǎo)入Workbench靜力學(xué)分析模塊。在靜力學(xué)分析模塊中,先定義材料屬性;在DM建模工具中,將起動機(jī)構(gòu)零件材料均設(shè)置為普通結(jié)構(gòu)鋼,其默認(rèn)屈服強度為250 MPa。

2.2 接觸定義和網(wǎng)格劃分

由于電起動機(jī)構(gòu)存在多個零件接觸,需要確定每個部件之間的相互關(guān)系,筆者將齒輪嚙合設(shè)為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1,其余零件之間的接觸均定義為線性接觸。

電起動機(jī)構(gòu)計算網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 電起動機(jī)構(gòu)計算網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分方式采用自動劃分網(wǎng)格,將全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3 mm。齒輪嚙合面附近的網(wǎng)格通過接觸尺寸(contact sizing)定義尺寸為0.5 mm,以提高接觸面網(wǎng)格質(zhì)量,且盡量使接觸處的節(jié)點對齊;

輸入軸、輸出軸與鍵,鍵與齒輪之間也通過接觸網(wǎng)格定義,筆者設(shè)置接觸尺寸為2 mm,使互相接觸零件在接觸面上的網(wǎng)格節(jié)點對齊,網(wǎng)格總數(shù)約3.1×105個。

2.3 施加載荷和約束

劃分網(wǎng)格后,需要定義求解模型的載荷和約束。載荷和約束是計算模型的邊界條件,以所選單元自由度的形式來定義。

電起動機(jī)構(gòu)所施加的載荷和約束示意圖如圖6所示。

圖6 電起動機(jī)構(gòu)施加載荷及約束示意圖

電起動機(jī)構(gòu)實際由電樞軸上的電樞繞組提供起動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)設(shè)計要求,筆者對輸入軸(即電樞軸)模型進(jìn)行簡化,在模型的圓端面施加力矩載荷,以作為起動轉(zhuǎn)矩(其值等于前文所計算的最大起動阻轉(zhuǎn)矩);

約束條件包括在輸入軸和輸出軸上的4個軸承接觸面,分別施加圓柱約束(徑向和軸向固定,切向自由),以及在葉輪上內(nèi)六角孔連接件的端面處施加固定約束。

2.4 計算結(jié)果分析

由于所分析的電起動機(jī)構(gòu)零件為塑性材料,可依據(jù)材料力學(xué)第四強度理論進(jìn)行分析[16]。ANSYS靜力學(xué)的分析結(jié)果可顯示等效應(yīng)力,即為根據(jù)第四強度理論推導(dǎo)出的屈服準(zhǔn)則值,通常等效應(yīng)力值至少應(yīng)小于材料的屈服應(yīng)力。

減速箱輸出軸鍵槽同時受到擠壓載荷和剪切載荷的作用。

設(shè)剪切載荷為F,擠壓載荷為T,其斷離面發(fā)生在剪切交界面,對輸出軸鍵槽進(jìn)行的受力分析如圖7所示。

圖7 輸出軸鍵槽受力分析

在二向應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力解析解為:

(1)

式中:σmax—主應(yīng)力最大值;σmin—主應(yīng)力最小值;σx—水平方向應(yīng)力;σy—垂直方向應(yīng)力;τxy—剪切應(yīng)力。

設(shè):

σx=σ,σy=0,τxy=τ

(2)

則可得到最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力為:

(3)

式中:σ1，σ2，σ3—3個主應(yīng)力。

依據(jù)第四強度理論,筆者開展如下校核:

(4)

式中:σ3—剪切界面的應(yīng)力極值。

將式(3)代入式(4)中可得:

(5)

式中:[σ]—材料允許應(yīng)力。

電起動機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力圖如圖8所示。

通過計算顯示,處于輸出軸外端的槽面應(yīng)力值最大,其等效應(yīng)力值為239 MPa,小于材料的屈服應(yīng)力。

根據(jù)求解結(jié)果可知,電起動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的強度符合起動工作要求。

圖8 電起動機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力圖

3 實驗及結(jié)果分析

為驗證電起動機(jī)構(gòu)起動的可靠性,筆者對該風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行電起動試驗。試驗測試儀器包括光電式非接觸轉(zhuǎn)速表和功率表。

起動試驗過程中,筆者測量了電起動機(jī)構(gòu)的死起動轉(zhuǎn)速(未接通點火電路時帶動負(fù)載轉(zhuǎn)速)和死起動轉(zhuǎn)矩。

電起動機(jī)構(gòu)的起動試驗圖如9所示。

圖9 電起動機(jī)構(gòu)起動試驗圖

由于單向離合器的中間軸與電機(jī)之間為齒輪傳動,為測量電起動機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速,起動前筆者先在中間傳動軸上貼反射條,通過光電轉(zhuǎn)速表測量電起動機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速,用功率表測輸出功率,并計算應(yīng)力,即:

(6)

(7)

起動前,筆者斷開汽油機(jī)點火電路,將電起動機(jī)構(gòu)的外六角頭與風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)六角孔接合后,測量電起動機(jī)構(gòu)的死起動轉(zhuǎn)速和功率,并計算對應(yīng)的應(yīng)力。

死起動工況下,第2 s、4 s、6 s時的電起動機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率和應(yīng)力如表3所示。

表3 死起動工況下電起動機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率和應(yīng)力

根據(jù)表3試驗結(jié)果表明:該電起動機(jī)構(gòu)極限工況下的最大應(yīng)力平均值在224.0 MPa左右,與有限元分析結(jié)果接近,且小于材料的屈服應(yīng)力。

由此可見,該電起動機(jī)構(gòu)可穩(wěn)定起動所針對的較高功率風(fēng)力滅火機(jī),且結(jié)構(gòu)強度基本符合工作要求。

4 結(jié)束語

針對高性能風(fēng)力滅火機(jī)選配某款較高功率汽油機(jī)時存在的問題,筆者設(shè)計了電起動總體方案、電機(jī)可換向電路、減速機(jī)構(gòu)和單向離合機(jī)構(gòu):

(1)該電起動機(jī)構(gòu)具有與所選汽油機(jī)相匹配的起動特性,在起動后可自動中斷轉(zhuǎn)矩傳遞,適用于不同汽油機(jī)旋向的風(fēng)力滅火機(jī);

(2)建立了電起動機(jī)構(gòu)三維實體模型,對電起動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元法分析,結(jié)果表明,關(guān)鍵傳動部件強度符合工作要求;

(3)進(jìn)行了電起動機(jī)構(gòu)的起動可靠性試驗,結(jié)果表明,機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力平均值在224.0 MPa左右,小于材料的屈服應(yīng)力,該電起動機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定。