沖壓式蜂窩煤成型機的機構分析與創新

張麗君

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

沖壓式蜂窩煤成型機是中國城鎮蜂窩煤生產廠的主要生產設備，這種設備具有結構合理、成形性能好、經久耐用、維修方便等優點而被廣泛采用。為了實現蜂窩煤的沖壓成型，設計出的蜂窩煤成型機必須完成五個動作，即粉煤加料、沖頭將蜂窩煤壓制成型、清除沖頭和出煤盤的積屑的掃屑運動、將在模筒中沖壓后的蜂窩煤脫膜、將沖壓成型的蜂窩煤輸送裝箱。市場上常見的沖壓煤成型機械系統還有很大的開發創新空間，下文將對各個功能機構方案分別比對分析，選擇出更合理的系統方案。

1 工作原理分析

沖壓式蜂窩煤成型機所需實現的功能是將具有一定濕度的煤粉定量加入轉盤的模筒內成型，當滑梁下沖時沖頭將粉煤沖壓成蜂窩煤，利用脫煤盤將蜂窩煤脫模，滑梁上升過程中掃屑刷將刷除沖頭和脫模盤粘著的粉煤，模筒轉盤上均布了煤筒，轉盤的間歇運動使加料后的煤筒進入沖壓位置，空的模筒進入加料位置，成型后的模筒進入脫模位置，落在輸送帶上送出成品，模盤進入下一次沖壓和脫模。

工藝動作可概括為以下六步：①加料。利用粉煤重力打開料斗自動加料。②沖壓成型。要求沖頭上下往復移動進行沖壓成型。③脫模盤。要求脫模盤上下往復移動，將已成型的煤餅壓下去脫離煤筒。④掃屑。要求在沖頭，脫模盤向上移動中用掃屑刷將粉煤清除。⑤模筒轉模間歇運動。以完成沖壓、脫模、加料三工位轉換。⑥輸送。將成型煤餅脫模后落在輸送帶上輸出。

以上六個動作中加料和輸送動作比較簡單，暫時不予考慮，一般來說，上沖頭與脫模盤都與上下移動的滑梁連為一體，沖模和脫模可用一個機構完成。因此方案設計重點考慮沖壓和脫模機構、掃屑機構、模筒轉盤間歇轉動機構這三個機構的設計與比較問題。

2 減速系統方案設計與比較

機械系統常用的減速機構有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、皮帶傳動、鏈輪傳動等。以蝸輪蝸桿減速為例，蝸輪蝸桿的傳動比非常大，僅一級可實現多級齒輪的傳動比，所以使用蝸輪蝸桿可以使傳動機構更加緊湊，體積小，質量輕且傳動更加平穩，減小了噪聲。但是蝸桿的傳動效率低且發熱量大，齒面容易磨損，成本較高，顯然不適合大批量生產。因此成型機減速器在大多數情況下都選擇結構較為緊湊、效率較高的齒輪機構。

但是僅使用齒輪噪聲極大，且沒有過載保護，較為危險。因此在第一級減速加入v帶傳動，作為柔性傳動，它不僅可以實現過載保護，當負載功率過大時打滑保護傳動機構，還可以降低噪聲，成本較低且極大提高了使用體驗，最終選擇v帶傳動加齒輪機構作為減速機構。此外，由于電機轉速較高，而電機輸出到最終運轉機構轉速要求較低。一級齒輪傳動所需轉輪半徑太大，為保證尺寸，建議每級齒輪傳動傳動比i≤7.5，所以采用多級傳動減速。

3 沖壓和脫模機構方案設計與比較

沖壓與脫模機構要求沖頭和脫模盤所在滑梁能夠上下往復移動進行沖壓成型和煤餅脫離模筒，市面上成型機一般采用六桿機構實現該功能，為改良六桿機構固有缺陷，還可采用對心曲柄滑塊機構或偏置曲柄滑塊機構，以下對這三個方案具體分析。

3.1 六桿機構

六桿沖壓機構中曲柄為主動件，曲柄轉動牽制六桿運動，其中一桿與滑塊相連，滑塊與橫梁相連，沖頭和模盤被固定在橫梁上，當橫梁下沖時，沖頭將模盤內粉煤壓實，脫模盤將已壓實的蜂窩煤壓出模盤，完成沖壓和脫模工作，而后橫梁向上運動準備進入下一次下沖。

該機構由低副組成，機構不易磨損且易加工，但是變速構件的慣性力較難平衡，且行程較小，在實際生產中設計和維護成本較高，可以利用以下機構進行改進。

3.2 對心曲柄滑塊機構

與六桿機構相似，曲柄為主動件，曲柄持續轉動可帶動與上方滑塊上下往復移動，橫梁與滑塊相連，沖頭和與脫模盤被固定在滑梁上，當橫梁下沖時，沖頭將模盤內粉煤壓實，脫模盤將已壓實的蜂窩煤壓出模盤，完成沖壓和脫模工作，而后橫梁向上運動準備進入下一次下沖。

采用這種機構的優點是組成機構的低副不易磨損又易于加工，改善了六桿機構慣性力難以平衡的問題，活動范圍較大，且機構具有增力作用，在沖壓過程中增力動作會使蜂窩煤更緊實，提高產品的質量。

3.3 偏置曲柄滑塊機構

該機構的作用原理與偏置曲柄滑塊機構基本相同，對心曲柄滑塊機構的優點在此機構中同樣適用，不同之處在于該機構中與主動件相連的機架與滑軌偏移形成偏心距，使偏置曲柄滑塊機構具有急回特性，即在滑梁的工作行程和回程運動的時間和速度不同，當曲柄長度、連桿長度或偏距增大時，急回特性變顯著。擁有急回特性的機構可以縮短空回行程時間，提高生產效率。

方案比較：與六桿機構相比，偏置曲柄滑塊機構不僅改善了六桿機構慣性力難以平衡的問題，活動范圍較大，機構具有增力作用，在沖壓過程中增力動作會使蜂窩煤更緊實，提高產品的質量，且擁有急回特性的機構可以縮短空回行程時間，提高生產效率，是最合適的選型方案。

4 掃屑機構方案設計與比較

掃屑機構的功能是在沖頭、脫模盤向上移動過程中，利用掃屑刷清理沖頭和骯模盤的煤粉。常用成型機采用的大多是固定移動凸輪-移動從動件機構，經常會產生凸輪磨損，為了改進機構，有其他兩種方案可選。以下對這三種方案進行分析。

4.1 固定移動凸輪-移動從動件機構

固定移動輪-移動從動件機構的橫粱與滑塊相連，當滑塊向下運動時，滾子隨之向下運動，又因為彈簧力和凸輪的作用，滾子向下及向左或右運動，則掃屑刷相對沖頭向相同方向運動脫離沖頭和脫模盤。當橫梁向上選動時，滾子被凸輪擠壓向左或右及向上移動，掃屑隨之被頂入沖頭和脫模盤底處，掃除其上的粉煤屑。

該結構較為簡單，運動平穩且結構較為緊湊，缺陷是凸輪容易磨損，經常更換凸輪部件耗時耗力且成本升高，為了改進這一缺點，可以考慮下面兩種機構。

4.2 附加滑塊搖桿機構

附加滑塊搖桿機構工作時橫梁上下移動，通過搖桿機構使下方掃屑刷來回擺動，橫梁下降時掃屑刷向下擺動離開沖頭和脫煤盤，橫梁上升時掃屑刷向上擺動接觸沖頭和脫煤盤，以而掃除其上的粉煤屑。

該機構僅由桿件通過運動副相連，解決了機構磨損的問題，且工作較為平穩，但是桿件需要較大的運動空間，機構尺寸較大，機械體積變大，不利于加工和安裝，影響機械的運輸和美觀。

4.3 導桿滑塊機構

導桿滑塊機構與固定移動凸輪-移動從動件機構結構相似，僅將凸輪與從動件的點接觸摩擦變為滑塊與導軌面接觸滑動，滾子隨滑塊平行移動掃除煤屑。

此機構相對固定移動凸輪-移動從動件機構，將凸輪與從動件接觸的高副運動變為滑塊與導軌的低副運動，運動性能好，不易發生磨損現象，且擁有結構簡單運動平穩、結構較為緊湊等諸多優點。

方案比較：經過以上分析，導桿滑塊機構的綜合性能較好，是較為合理的方案。

5 模筒轉盤間歇運動機構方案設計與比較

模簡轉盤間歇運動機構用于完成工位的轉換，根據運動特點，模盤的間歇運動應在沖頭的回程后半段和工作行程的前半段完成，使間歇轉動在沖壓和脫模過程中停止，從而保證產品質量。常用機構為不完全齒輪機構，但是加工較為復雜維修費用高，不適合大批量生產，為了在保持其性能基礎上減少成本，有其他兩種方案。以下對這三種方案進行分析。

5.1 不完全齒輪機構

不完全齒輪機構主動輪只有幾個輪齒，主從齒輪均有鎖止弧。當鎖止弧相接觸時，從動輪被定位不會游動；當主動輪輪齒旋轉至與從動輪輪齒相嚙合，從動輪將會發生間歇轉動。模筒轉盤被固定在從動輪上，實現工位的轉換。

5.2 圓柱凸輪間歇運動機構

圓柱凸輪間歇機構的模盤上有圓柱銷與凸輪相接觸，凸輪為主動件持續轉動，從動件模盤的運動規律取決于凸輪輪廓形狀，當圓柱銷位于凸輪水平棱邊時，轉盤被定位不轉動，當圓柱銷位于凸輪斜棱邊時，轉盤間歇轉動。

5.3 槽輪機構

槽輪機構模簡轉盤被固定在槽輪上，曲柄為主動件轉動，當曲柄上的圓銷還沒進入輪槽的徑向槽內時，槽輪的內凹圓弧面被曲柄的外凸圓弧卡住，槽輪是不轉動的；當圓銷進入槽輪的徑向槽內時，槽輪被帶動按照與曲柄相反方向轉動，即可實現槽輪的間歇運動。方案比較：工程中常用的不完全齒輪機構加工較為復雜，存在剛性沖擊，因生產和維修成本較高，因此考慮其他的替換方案。圓柱凸輪機構可以有效地避免沖擊，運轉平穩可靠，但是加工和安裝精度高，成本反而升高，不是合適的方案。槽輪機構成本相對較低，工作平穩可靠效率高，解決了問題。雖然在起停時存在沖擊，但此機械運轉速度較慢，可以不予考慮。因此選用槽輪機構作為改良方案。

6 機械系統方案的分析與評價

通過以上分析，將成型機的主要機構缺陷進行分析和創新設計，提高了系統性能，減少了生產成本，有利于企業生產獲得更好的發展。