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摘要：将风能驱动顶料机构进行整合、优化，提高机构的合理性和适应性。本文运用solidworks软件对传递机构部分进行运动力学分析。通过线性分析，提出新的偏心轮结构形式，使其工作效率明显提高，并且避免了机构工作失效的发生;对机构进行受力分析，通过结构尺寸的设计改进，降低了机构最大应力。优化后的风能顶料机构结构合理，使用便捷，适应性明显提高。
关键词：结构优化;运动力学分析;受力分析
0 引言
给定一风能，根据能量转换原理，创新设计一风能驱动叶轮转动，进而带动传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置，如图1所示。物料尺寸Φ25mm×10mm，物料材质为塑料或尼龙;顶杆作直线往复运动，行程范围30mm～50mm。设计出的第一代风能驱动顶料机构如图2所示。目前产品生产向工业流水线发展，企业需要更多机械机器提高生产效率，减少能耗。第一代风能驱动顶料机构使用之后发现存在一些不足之处，主要有：机构动力性较差，机构启动慢;部分零件工艺性差，致使加工、安装不方便;机构的工作效率较低。为此，需要对第一代机构进一步结构优化以提升机构的使用性能，降低制造成本。
图1 风能驱动顶料机构原理图
1 Solidworks建模仿真及运动分析
风能顶料机构的驱动机构主要包括输入轴、输出轴、啮合的直齿圆锥齿轮组、偏心轮机构，传动机构主要包括，滑块、导轨、料槽等，如图2：
图2第一代风能驱动顶料机构
1.1 偏心轮机构运动分析[1-2]
当风能顶料机构得到持续稳定风能，平稳工作，风轮动力为120rpm，齿轮传动比为1：2，摩擦阻力较小忽略不计，进行motion运动仿真，对单个顶料机构进行分析，得到位移、加速度及速度曲线如下：
图3 推程变化曲线
图4 加速度变化曲线
图5 速度变化曲线
结论：由图表可知：滑块的位移大小为：S≈50mm，且位移呈周期性变化，最小周期为1s，在0.5s和1s位移分别达到最小值Smin和最大值Smax..实际转动过程中，滑块滑动到位移最小值附近时，偏心轮将有一小段时间内对滑块的作用力达到极大值且接近不变，此时速度出现变向，接近直线变化.存在加速度为零的点，此时速度的绝对值达到最大值。在一个推程周期内位移达到1/5S和4/5S时，即0.2s和0.8s时，滑块受力为F=ma=0N，连杆与滑块运动方向的夹角α=±36?。位移处于最小值Smin附近时，加速度短期内保持稳定，此时，滑块受力为某一不变数值。
1.2 偏心轮机构受力及加速度线性分析
图6 偏心轮机构受力分析图
设偏心轮在位移根据传动机构的特征及力学定理得到[3-4]：
设偏心距为R，连杆长度为L，，转速为ω，导轨方向分力为Fx，垂直于导轨分力方向的分力为Fy，则：
由图6可以知道偏心轮得到输出轴提供离心力F，作用于连杆上分力为F1，其在滑块滑动方向的分力为FX。由几何知识可以得到，FX大小等于F及F2在X轴上的投影。
通过力学分析可得出滑块在正常运作时加速度的最大值和最小值：
① 当λ<1/4时，α=0?时滑块负向最大加速度（极小值）
α=180?时滑块正向最大加速度（极大值）
② λ>1/4时，α=0?时滑块负向最大加速度（极小值）
时滑块正向最大加速度
（极大值，在180?—360?范围内还有一个）
α=180?时活塞的加速度已不是最大正向加速度（极小值）
2 驱动机构及传动机构存在的不足
对第一代风能驱动顶料机构的运动力学分析与其使用后所发现的机构缺陷是一致的。缺点有如下几点：①叶轮启动时，由于偏心轮结构角度α随时间周期变化，作用于导块实际有效的力也随时间作周期性变化，当有效作用力
小于物料的静止摩擦力（此时物料堆积个数设为20）时，由于初始速度为0，则此时工作无法正常进行。
②偏心轮机构的回程只是辅助行程，加速度和时间与推程相同，没有急回特性，降低了机构的工作效率。
3 机构的优化
方案Ⅰ：增加连杆的长度使，使其λ<1/4，加速度a只有一个极小值，提高机构的稳定性。方案Ⅱ：在料槽添加可控制物料下落的模块，在风能顶料机构处于刚启动时段，控制物料不下落，等机构运作达到正常时，物料下落，此时系统稳定工作，顶杆能正常推动物料，避免速度为零时顶杆无法顶动物料的情况。方案Ⅲ：设计成双推杆机构，有效地利用回程时的力，使机构在回程也能做功，有效提高机构的工作效率。
3.1偏心轮的优化
将机构中的两个偏心轮机构变成一个偏心轮机构，并且回程需要的时间减少，虽然加速度在推程中途出现突变现象，此时由于行程S=50，实际推料的距离为物料的直径25，所以此时加速度绝对值逐渐变大，推动物料经过一小段位移后，滑块的加速度和速度先变小，再逐渐变为反方向的值。此过程中，顶杆刚接触物料后速度和加速度的增大有助于克服静止摩擦力，此优化使机构明显优于之前。进行模拟仿真可以得出优化后双推杆轮流推动物料，并未产生增加负载阻力的反效果。
图7 优化后装配图与优化前装配图对比
图8 优化后与优化前位移比较图
图9 优化后与优化前加速度比较图
图10 优化后与优化前速度比较图
3.2减少质量、统一标准件
通过对部分零件进行挖槽处理，减少机构质量，降低摩擦力，有效提高机构工作效率。统一直径相同的螺栓长度，统一一部分螺栓，减少螺栓的种类（例如：将5x10和5x16的螺栓改成5x12的同一规格）
图11质量减小示意图
3.3顶出机构优化
顶出机构包括偏心轮、偏心轮铝合金套（连杆）、滑块及推杆等，我们将其简化成曲柄滑块机构采用偏置偏心轮机构添加机构急回特性[3-5]。提高机构的工作效率。
图12对心急回与偏置急回特性比较图
参考文献：
关键词：结构优化;运动力学分析;受力分析
0 引言
给定一风能，根据能量转换原理，创新设计一风能驱动叶轮转动，进而带动传动机构和驱动机构，实现物料传送的机械装置，如图1所示。物料尺寸Φ25mm×10mm，物料材质为塑料或尼龙;顶杆作直线往复运动，行程范围30mm～50mm。设计出的第一代风能驱动顶料机构如图2所示。目前产品生产向工业流水线发展，企业需要更多机械机器提高生产效率，减少能耗。第一代风能驱动顶料机构使用之后发现存在一些不足之处，主要有：机构动力性较差，机构启动慢;部分零件工艺性差，致使加工、安装不方便;机构的工作效率较低。为此，需要对第一代机构进一步结构优化以提升机构的使用性能，降低制造成本。
图1 风能驱动顶料机构原理图
1 Solidworks建模仿真及运动分析
风能顶料机构的驱动机构主要包括输入轴、输出轴、啮合的直齿圆锥齿轮组、偏心轮机构，传动机构主要包括，滑块、导轨、料槽等，如图2：
图2第一代风能驱动顶料机构
1.1 偏心轮机构运动分析[1-2]
当风能顶料机构得到持续稳定风能，平稳工作，风轮动力为120rpm，齿轮传动比为1：2，摩擦阻力较小忽略不计，进行motion运动仿真，对单个顶料机构进行分析，得到位移、加速度及速度曲线如下：
图3 推程变化曲线
图4 加速度变化曲线
图5 速度变化曲线
结论：由图表可知：滑块的位移大小为：S≈50mm，且位移呈周期性变化，最小周期为1s，在0.5s和1s位移分别达到最小值Smin和最大值Smax..实际转动过程中，滑块滑动到位移最小值附近时，偏心轮将有一小段时间内对滑块的作用力达到极大值且接近不变，此时速度出现变向，接近直线变化.存在加速度为零的点，此时速度的绝对值达到最大值。在一个推程周期内位移达到1/5S和4/5S时，即0.2s和0.8s时，滑块受力为F=ma=0N，连杆与滑块运动方向的夹角α=±36?。位移处于最小值Smin附近时，加速度短期内保持稳定，此时，滑块受力为某一不变数值。
1.2 偏心轮机构受力及加速度线性分析
图6 偏心轮机构受力分析图
设偏心轮在位移根据传动机构的特征及力学定理得到[3-4]：
设偏心距为R，连杆长度为L，，转速为ω，导轨方向分力为Fx，垂直于导轨分力方向的分力为Fy，则：
由图6可以知道偏心轮得到输出轴提供离心力F，作用于连杆上分力为F1，其在滑块滑动方向的分力为FX。由几何知识可以得到，FX大小等于F及F2在X轴上的投影。
通过力学分析可得出滑块在正常运作时加速度的最大值和最小值：
① 当λ<1/4时，α=0?时滑块负向最大加速度（极小值）
α=180?时滑块正向最大加速度（极大值）
② λ>1/4时，α=0?时滑块负向最大加速度（极小值）
时滑块正向最大加速度
（极大值，在180?—360?范围内还有一个）
α=180?时活塞的加速度已不是最大正向加速度（极小值）
2 驱动机构及传动机构存在的不足
对第一代风能驱动顶料机构的运动力学分析与其使用后所发现的机构缺陷是一致的。缺点有如下几点：①叶轮启动时，由于偏心轮结构角度α随时间周期变化，作用于导块实际有效的力也随时间作周期性变化，当有效作用力
小于物料的静止摩擦力（此时物料堆积个数设为20）时，由于初始速度为0，则此时工作无法正常进行。
②偏心轮机构的回程只是辅助行程，加速度和时间与推程相同，没有急回特性，降低了机构的工作效率。
3 机构的优化
方案Ⅰ：增加连杆的长度使，使其λ<1/4，加速度a只有一个极小值，提高机构的稳定性。方案Ⅱ：在料槽添加可控制物料下落的模块，在风能顶料机构处于刚启动时段，控制物料不下落，等机构运作达到正常时，物料下落，此时系统稳定工作，顶杆能正常推动物料，避免速度为零时顶杆无法顶动物料的情况。方案Ⅲ：设计成双推杆机构，有效地利用回程时的力，使机构在回程也能做功，有效提高机构的工作效率。
3.1偏心轮的优化
将机构中的两个偏心轮机构变成一个偏心轮机构，并且回程需要的时间减少，虽然加速度在推程中途出现突变现象，此时由于行程S=50，实际推料的距离为物料的直径25，所以此时加速度绝对值逐渐变大，推动物料经过一小段位移后，滑块的加速度和速度先变小，再逐渐变为反方向的值。此过程中，顶杆刚接触物料后速度和加速度的增大有助于克服静止摩擦力，此优化使机构明显优于之前。进行模拟仿真可以得出优化后双推杆轮流推动物料，并未产生增加负载阻力的反效果。
图7 优化后装配图与优化前装配图对比
图8 优化后与优化前位移比较图
图9 优化后与优化前加速度比较图
图10 优化后与优化前速度比较图
3.2减少质量、统一标准件
通过对部分零件进行挖槽处理，减少机构质量，降低摩擦力，有效提高机构工作效率。统一直径相同的螺栓长度，统一一部分螺栓，减少螺栓的种类（例如：将5x10和5x16的螺栓改成5x12的同一规格）
图11质量减小示意图
3.3顶出机构优化
顶出机构包括偏心轮、偏心轮铝合金套（连杆）、滑块及推杆等，我们将其简化成曲柄滑块机构采用偏置偏心轮机构添加机构急回特性[3-5]。提高机构的工作效率。
图12对心急回与偏置急回特性比较图
参考文献：
[1]吴高阳，任国权，胡仁喜等.Solidworks 2010有限元、虚拟样机与流场分析从入门到精通[M].机械工业出版社 2011.1
[2]黄成.Solidworks 2010中文版完全自学一本通 2011.1
[3]郭谆钦.机械设计基础.中国建材工业出版社[M].2011.6
[4]袁兆成.内燃机设计.机械工业出版社 2008.8
[5]郭谆钦.机械设计基础.中国建材工业出版社[M].2011
课题名称：2012年广东省大学生创新创业项目（1295912009）审批单位：广东省教育厅