基于UG的风动双输出送料机叶轮的设计与加工

高天友

(常州轻工职业技术学院 江苏 常州 213164)

自动送料机是指能自动地按要求和既定程序进行运作，不需要直接操作就能把物料从一个位置送到另一个位置，送料期间不需人为地干预即可自动准确地完成送料的机构。自动送料机配有检测装置和送料装置等，而叶轮作为整个传动链中风能的接收端，其结构设计与制造的好坏将会直接影响物料递送，继而影响整机的工作效率。

1 叶轮的设计

常见的叶轮根据流体在其中的流动情况可分为离心式叶轮和轴流式叶轮[1]，如图 1所示。此种形式的叶轮常用于涡轮、水泵、压缩机等流体机械，可将原动机输入的机械能传递给液体，以提高液体的能量，实现相应的功能。

图1 离心式叶轮

图2所示为轴流式叶轮的结构图，此种形式的叶轮常用于风机、水泵等流体机械，具有结构简单、重量较轻的特点，常用于大流量、低扬尘的场合。离心式叶轮的制备常采用铸件数控加工的方式，因为其结构复杂，在加工中需要用到多轴机床，而且加工的时间很长，故在对叶轮设计时不会采用该种形式的叶轮。根据力相互作用的原理，轴流式叶轮在承受流体作用时将产生转动的趋势，当流体的流速达到某个临界值时会带动叶轮旋转，实现类似于风力机叶片的功能，因此在风动双输出送料机的设计中常采用该种形式的叶轮。

图2 轴流式叶轮

由于轴流式叶轮在结构上类似于风力机的叶片，因此可以借助于风力发电机的动力学分析方法来进行气动力学分析。图3所示是风力机叶片截面的受力图。

图3 风力机叶片截面受力图

叶片弦线与风轮旋转平面的夹角为 β，风是由下往向上吹，风速为 V；叶片向左运动，线速度为U；叶片实际受到的是相对风速W；风速W与叶片弦线的夹角为α(攻角)。在风速W的作用下，叶片受到升力Fl与阻力Fd，Fl与Fd的合力为F1，F1在风轮旋转平面上的投影为F，F就是推动风轮旋转的力。一般来说，不同的叶片截面获取的旋转力F是不同的，因此在风力机设计的时候常采用特定的翼型结构。由于攻角的改变，从叶片的根部到叶尖的翼型是不同的，并且叶片常常会设计成空间扭曲型。

参照风力机气动模型，将叶轮的叶片简化为如图 4所示的平面直列叶栅进行叶轮内部的流动分析。在速度为V的风力作用下，叶轮保持静止状态，作用在叶片上的气流产生阻力Fd和升力Fl，Fl为推动叶轮旋转的力，力的大小与通过叶片截面的空气量有关，因此为了保证叶轮在一定风速下启动，在两片叶片之间的距离S应该尽量减小以保证叶片表面有最大的受风量。

图4 叶轮静止状态下的平面直栅受力图

如图5所示，当叶轮以一定速度U旋转时，气流将以速度W通过叶轮的表面，W与叶片截面弦线的夹角为α(攻角)，阻力Fd和升力Fl的合力F在U方向上的分量为驱动叶轮旋转的推力。在推力恒定的情况下，根据能量守恒定律，为了使叶轮获得较快的转速，叶轮必须要有较小的转动惯量 I。同时参照风力机叶片的气动模型，夹角α应保持在8～15°之间，才能获得良好的气动性能。

图5 叶轮旋转状态下的平面直栅受力图

2 叶轮三维造型

影响叶轮风能利用率的主要参数有:实度、叶片翼型、直径大小和轮毂尺寸等。在利用UG三维软件进行叶片的造型设计时，应依据空气动力学的原理，来确定叶片采用空间扭曲的造型，图6所示为叶片扫掠模型。考虑到加工方法、加工精度和加工时间，其中的引导线为空间螺旋曲线，截面线为矩形。扫掠之后的叶片如图7所示。为了降低叶轮的启动力，增加叶轮的受力面，采用了7叶片的造型，如图8所示。

图6 扫掠模型

为了降低转动惯量，在设计时，对叶根部分与叶轮轴孔之间采用了掏空的结构，经过仿真分析、试验测试和调整优化之后完成了对叶轮的最终设计，如图9所示。

图7 单个叶片造型

图8 叶片整体造型

图9 最终叶轮造型

3 叶轮的加工

图9所示的叶轮在加工时需要采用四轴联动机床，在开粗时可以使用三轴机床对叶轮进行加工，对叶轮的流道和叶片可以 采用3.5轴的机床进行加工。由于叶片是有一定厚度的，而且在叶片的两侧没有正对轴心，因此在实际加工时必须采用四轴联动机床，这一部分的加 工程序需要用UG CAM软件生成，如图10所示为叶轮流道的数控仿真刀路图，图11所示为叶片的数控仿真刀路图。

图10 流道仿真刀路

图11 叶片仿真刀路

4 结语

在对叶轮及整机设计完成后，可以利用UG软件对位移、加速度、顶杆推力进行仿真计算，也可以对推料过程进行模型分析，以检验叶轮设计的可靠性。叶轮的优劣将会直接影响到整机的工作效率。叶片的曲率、数量等参数可以通过运动的仿真不断地加以完善，以达到最佳的效果。

[1]黄纯颖,高志,等.机械创新设计[M].北京:高等教育出版社,2000.