基于ADAMS冲压式蜂窝煤成型机的优化设计

田原嫄，兰 奎，郭海涛

(1.东北电力大学 机械工程学院，吉林 吉林132012；2.内蒙古大学 电子信息工程学院，呼和浩特 010021；3.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

基于ADAMS冲压式蜂窝煤成型机的优化设计

田原嫄1，兰 奎1，郭海涛2，3

(1.东北电力大学 机械工程学院，吉林 吉林132012；2.内蒙古大学 电子信息工程学院，呼和浩特 010021；3.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

为了提高冲压式蜂窝煤成型机的传动效率，对其执行系统进行了优化设计，采用虚拟样机技术，基于ADAMS对装配了扫屑机构的冲压式蜂窝煤成型机整体结构进行了仿真分析。仿真结果表明，优化后的蜂窝煤成型机的机械系统是完全可靠的，整个系统的刚度性能、使用性能、运动的精度和稳定性能都能满足蜂窝煤成型机正常运行的整体性能要求。

冲压式蜂窝煤成型机；优化设计；ADAMS；集成

冲压式蜂窝煤成型机[1]是我国城镇蜂窝煤生产厂的主要生产设备。传统冲压式蜂窝煤成型机先将煤粉压紧在插针冲孔，这样会造成插针的磨损，插针很容易损坏，并且对整机要求很高。原有蜂窝煤成型机将成型和脱模分为两道工序并且工作盘只有一个工位，不能同时完成冲压、脱模和加料，这样就会造成时间的浪费、成本高、工作效率低。

针对上述问题，本文对冲压式蜂窝煤成型机的执行系统进行了优化设计，本设计中冲头和脱模盘都与上下移动的滑梁集成为一体，当滑梁下冲时将煤粉冲压成蜂窝煤，脱模盘将已压成的蜂窝煤脱模；将冲头和冲针设计集成为一体，在冲压的过程中可对煤粉同时完成冲孔；将工作盘设计成多工位模筒，可在冲压时完成加料和脱模运动。为了提高传动效率、降低噪声、延长易损件寿命，本文采用虚拟样机技术，基于ADAMS对装配了扫屑机构的冲压式蜂窝煤成型机整体结构进行了优化设计[2-4]与仿真分析。

1 执行系统的优化设计

为了加工出质量良好的蜂窝煤，蜂窝煤成型机必须具备良好的加工功能，其功能必须有：①煤粉加料；②冲头冲压；③成型煤脱模；④煤屑清扫；⑤工作盘间歇旋转运动；⑥成型煤运输。分析上述6个功能可知，加料是利用本身的重力进行加料，输送是利用输送带进行输送。这两个动作比较简单，所以在设计中先不予考虑。然而，脱模盘和冲头可固定在上下反复移动的滑梁上，所以可利用一个机构完成实现结构集成设计，本设计主要对冲压式蜂窝煤成型机的冲压和脱模机构、扫屑机构和工作盘间歇运动机构[5-7]等执行系统进行了优化设计。

1.1 冲压和脱模机构的优化设计

本文采用多套设计方案优化冲压和脱模机构，优化方案如图1所示，方案(a)-方案(g)为连杆机构设计，方案(h)、方案(i)为凸轮机构设计；方案(j)-方案(l)为齿轮齿条机构设计。结合表1可知，方案(a)为曲柄滑块机构，易加工且具增力作用；方案(d)-方案(g)为六杆机构[4]，但是行程小；凸轮机构结可以实现任意运动规律，并且结构简单紧凑，但易磨损且传力小；齿轮齿条机构传动准确、效率高、寿命长，但加工装配难。

根据冲压机构运动方案定性分析(如表1所示)，初选方案(a)，方案(g)。

图1 冲压机构和脱模机构的设计方案

性能特点形态连杆机构凸轮机构齿轮齿条机构运动速度高较高高行程大小取决于曲柄尺寸小可任意可调程度可调调节困难可调动力性能平衡困难取决于凸轮形状好简单性不太简单简单简单，但一般齿轮须摆动才能实现齿条往复移动机械效率一般一般较高承载能力高较低较高其他特性有急回特性可实现任意运动规律传动平稳

1.2 扫屑机构的优化设计

图2 扫屑机构的优化设计方案

扫屑机构的优化设计方案如图2所示中的两种。图2中方案(a)工作平稳，方案(b)性能较好。经过图2中这两种方案的比较可知，扫屑机构的运动性能都很好，所以都可以采用。

1.3 工作盘间歇运动机构的优化设计

工作盘间歇运动机构的优化设计方案如图3所示。

图3 工作盘间歇运动机构的优化设计方案

图3中方案(a)结构简单，效率高，但转角不可太小，有冲击；方案(c)制造方便，转角准确，但易引起冲击磨损；方案(b)从动轮运动转角范围大但加工复杂，会引起刚性冲击。

综合考虑，初选方案(a)，方案(b)。

2 执行系统的整体优化设计方案

不同的机构具有不同的机械性能，如对心曲柄滑块机构可避免机构运动时急回，但不利于清屑；不完全齿轮机构适合于转速不高时的匀速转动，运动时有刚性冲击；槽轮机构运动平稳，结构简单，加工成本较小；棘轮机构运动时产生较大冲击；固定凸轮移动从动件机构运动时有高副；附加滑块摇杆机构具有机构简单运动可靠的特点。因此，选择最终方案如图4所示。

图4 执行系统整体优化设计方案

图5 输出机构(滑块F)位移运动曲线

冲压机构采用图1方案(a)的偏置曲柄滑块机构；模筒转盘采用图3方案(a)的槽轮机构；扫屑机构采用图2方案(a)的滑块机构。

如图4所示①为冲压式蜂窝煤成型机的扫屑机构。适当选择冲压机构中轨迹和确定机构尺寸，可保证构件具有急回，运动和工作段近于匀速的特性，并可使机构工作段压力角尽可能小。根据工位要求确定槽轮相关参数，可满足工作盘间歇转动。

3 基于ADAMS的运动仿真分析

本文采用虚拟样机技术[9,10]，基于ADAMS软件对运动进行仿真并得出输出机构的位移、速度和加速度图。

3.1 位移运动仿真分析

输出机构位移运动仿真曲线，如图5所示。从图5中可以看出，滑块F的运用范围在0 mm-350 mm之间走简谐运动，与实践运动范围0 mm-400 mm有一定的误差，但误差不是很大；从位移曲线中可以看出，运动周期T=4 s，这就能保证滑块的运动频率为18次/min。

3.2 输出机构(滑块)速度运动仿真分析

输出机构速度运动仿真曲线，如图6所示。根据图6分析可知：其运动周期T=4 s；在回程运动中，其速度在很短的时间内快速增大又减小，这就保证了机构有良好的急回特性，从而使机构运动效率提高。

3.3 输出机构(滑块)加速度运动仿真分析

输出机构加速度运动仿真曲线，如图7所示。

图6 输出机构速度运动曲线

图7 输出机构加速度运动仿真曲线

由图7可知，在回程运动中，加速度快速增大，保证了机构的急回特性。

4 结 语

本文采用虚拟样机技术，基于ADAMS对装配了扫屑机构的冲压式蜂窝煤成型机整体结构进行了仿真分析。仿真结果表明，优化后的蜂窝煤成型机的机械系统是完全可靠的，整个系统的刚度性能、使用性能、运动的精度和稳定性能都能满足蜂窝煤成型机正常运行的整体性能要求。

[1] 刘洋，李超君.新型冲压式蜂窝煤成型机的设计[D].成都：西南交通大学，2005.

[2] 洪文鹏，董世平，马军辉.基于数值研究的折线型零器叶片的优化设计[J].东北电力大学学报，2016，36(2)：67-71.

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Optimal Design of Ramjet Honeycomb Briquette Machine Based on ADAMS

TIAN Yuan-yuan1，LAN Kui1，GUO Hai-tao2，3

(1.School of Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.College of Electronic Information Engineering，Inner Mongolia University，Hohhot 010021；3.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

To improve the transmission efficiency，reduce the mechanism’s site area and improve work efficiency and protect the environment，the honeycomb briquette forming machine reasonably installed a sweep crumbs institution.Based on ADAMS environment simulation analysis is carried out for honeycomb briquette forming machine.The results show that the mechanical system honeycomb briquette machine is stable and reliable.The performances of assembly and movement can satisfy the requirement of honeycomb briquette machine.

Stamp honeycomb briquette machine；Optimization；ADAMS；Intergration

2016-03-10

国家自然科学基金项目(41076060)；吉林省科技发展计划(20130101056JC)；内蒙古自然科学基金项目(2014MS0601)

田原嫄(1979-)，女，吉林省长春市人，东北电力大学机械工程学院副教授，博士，主要研究方向：机器视觉及三维图像处理技术、机械及机构优化设计.

1005-2992(2016)06-0067-04

TD823.97

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