冲压式蜂窝煤成型机的机构分析与创新

张丽君

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

冲压式蜂窝煤成型机是中国城镇蜂窝煤生产厂的主要生产设备，这种设备具有结构合理、成形性能好、经久耐用、维修方便等优点而被广泛采用。为了实现蜂窝煤的冲压成型，设计出的蜂窝煤成型机必须完成五个动作，即粉煤加料、冲头将蜂窝煤压制成型、清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动、将在模筒中冲压后的蜂窝煤脱膜、将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。市场上常见的冲压煤成型机械系统还有很大的开发创新空间，下文将对各个功能机构方案分别比对分析，选择出更合理的系统方案。

1 工作原理分析

冲压式蜂窝煤成型机所需实现的功能是将具有一定湿度的煤粉定量加入转盘的模筒内成型，当滑梁下冲时冲头将粉煤冲压成蜂窝煤，利用脱煤盘将蜂窝煤脱模，滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲头和脱模盘粘着的粉煤，模筒转盘上均布了煤筒，转盘的间歇运动使加料后的煤筒进入冲压位置，空的模筒进入加料位置，成型后的模筒进入脱模位置，落在输送带上送出成品，模盘进入下一次冲压和脱模。

工艺动作可概括为以下六步：①加料。利用粉煤重力打开料斗自动加料。②冲压成型。要求冲头上下往复移动进行冲压成型。③脱模盘。要求脱模盘上下往复移动，将已成型的煤饼压下去脱离煤筒。④扫屑。要求在冲头，脱模盘向上移动中用扫屑刷将粉煤清除。⑤模筒转模间歇运动。以完成冲压、脱模、加料三工位转换。⑥输送。将成型煤饼脱模后落在输送带上输出。

以上六个动作中加料和输送动作比较简单，暂时不予考虑，一般来说，上冲头与脱模盘都与上下移动的滑梁连为一体，冲模和脱模可用一个机构完成。因此方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机构、模筒转盘间歇转动机构这三个机构的设计与比较问题。

2 减速系统方案设计与比较

机械系统常用的减速机构有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、皮带传动、链轮传动等。以蜗轮蜗杆减速为例，蜗轮蜗杆的传动比非常大，仅一级可实现多级齿轮的传动比，所以使用蜗轮蜗杆可以使传动机构更加紧凑，体积小，质量轻且传动更加平稳，减小了噪声。但是蜗杆的传动效率低且发热量大，齿面容易磨损，成本较高，显然不适合大批量生产。因此成型机减速器在大多数情况下都选择结构较为紧凑、效率较高的齿轮机构。

但是仅使用齿轮噪声极大，且没有过载保护，较为危险。因此在第一级减速加入v带传动，作为柔性传动，它不仅可以实现过载保护，当负载功率过大时打滑保护传动机构，还可以降低噪声，成本较低且极大提高了使用体验，最终选择v带传动加齿轮机构作为减速机构。此外，由于电机转速较高，而电机输出到最终运转机构转速要求较低。一级齿轮传动所需转轮半径太大，为保证尺寸，建议每级齿轮传动传动比i≤7.5，所以采用多级传动减速。

3 冲压和脱模机构方案设计与比较

冲压与脱模机构要求冲头和脱模盘所在滑梁能够上下往复移动进行冲压成型和煤饼脱离模筒，市面上成型机一般采用六杆机构实现该功能，为改良六杆机构固有缺陷，还可采用对心曲柄滑块机构或偏置曲柄滑块机构，以下对这三个方案具体分析。

3.1 六杆机构

六杆冲压机构中曲柄为主动件，曲柄转动牵制六杆运动，其中一杆与滑块相连，滑块与横梁相连，冲头和模盘被固定在横梁上，当横梁下冲时，冲头将模盘内粉煤压实，脱模盘将已压实的蜂窝煤压出模盘，完成冲压和脱模工作，而后横梁向上运动准备进入下一次下冲。

该机构由低副组成，机构不易磨损且易加工，但是变速构件的惯性力较难平衡，且行程较小，在实际生产中设计和维护成本较高，可以利用以下机构进行改进。

3.2 对心曲柄滑块机构

与六杆机构相似，曲柄为主动件，曲柄持续转动可带动与上方滑块上下往复移动，横梁与滑块相连，冲头和与脱模盘被固定在滑梁上，当横梁下冲时，冲头将模盘内粉煤压实，脱模盘将已压实的蜂窝煤压出模盘，完成冲压和脱模工作，而后横梁向上运动准备进入下一次下冲。

采用这种机构的优点是组成机构的低副不易磨损又易于加工，改善了六杆机构惯性力难以平衡的问题，活动范围较大，且机构具有增力作用，在冲压过程中增力动作会使蜂窝煤更紧实，提高产品的质量。

3.3 偏置曲柄滑块机构

该机构的作用原理与偏置曲柄滑块机构基本相同，对心曲柄滑块机构的优点在此机构中同样适用，不同之处在于该机构中与主动件相连的机架与滑轨偏移形成偏心距，使偏置曲柄滑块机构具有急回特性，即在滑梁的工作行程和回程运动的时间和速度不同，当曲柄长度、连杆长度或偏距增大时，急回特性变显著。拥有急回特性的机构可以缩短空回行程时间，提高生产效率。

方案比较：与六杆机构相比，偏置曲柄滑块机构不仅改善了六杆机构惯性力难以平衡的问题，活动范围较大，机构具有增力作用，在冲压过程中增力动作会使蜂窝煤更紧实，提高产品的质量，且拥有急回特性的机构可以缩短空回行程时间，提高生产效率，是最合适的选型方案。

4 扫屑机构方案设计与比较

扫屑机构的功能是在冲头、脱模盘向上移动过程中，利用扫屑刷清理冲头和肮模盘的煤粉。常用成型机采用的大多是固定移动凸轮-移动从动件机构，经常会产生凸轮磨损，为了改进机构，有其他两种方案可选。以下对这三种方案进行分析。

4.1 固定移动凸轮-移动从动件机构

固定移动轮-移动从动件机构的横粱与滑块相连，当滑块向下运动时，滚子随之向下运动，又因为弹簧力和凸轮的作用，滚子向下及向左或右运动，则扫屑刷相对冲头向相同方向运动脱离冲头和脱模盘。当横梁向上选动时，滚子被凸轮挤压向左或右及向上移动，扫屑随之被顶入冲头和脱模盘底处，扫除其上的粉煤屑。

该结构较为简单，运动平稳且结构较为紧凑，缺陷是凸轮容易磨损，经常更换凸轮部件耗时耗力且成本升高，为了改进这一缺点，可以考虑下面两种机构。

4.2 附加滑块摇杆机构

附加滑块摇杆机构工作时横梁上下移动，通过摇杆机构使下方扫屑刷来回摆动，横梁下降时扫屑刷向下摆动离开冲头和脱煤盘，橫梁上升时扫屑刷向上摆动接触冲头和脱煤盘，以而扫除其上的粉煤屑。

该机构仅由杆件通过运动副相连，解决了机构磨损的问题，且工作较为平稳，但是杆件需要较大的运动空间，机构尺寸较大，机械体积变大，不利于加工和安装，影响机械的运输和美观。

4.3 导杆滑块机构

导杆滑块机构与固定移动凸轮-移动从动件机构结构相似，仅将凸轮与从动件的点接触摩擦变为滑块与导轨面接触滑动，滚子随滑块平行移动扫除煤屑。

此机构相对固定移动凸轮-移动从动件机构，将凸轮与从动件接触的高副运动变为滑块与导轨的低副运动，运动性能好，不易发生磨损现象，且拥有结构简单运动平稳、结构较为紧凑等诸多优点。

方案比较：经过以上分析，导杆滑块机构的综合性能较好，是较为合理的方案。

5 模筒转盘间歇运动机构方案设计与比较

模简转盘间歇运动机构用于完成工位的转换，根据运动特点，模盘的间歇运动应在冲头的回程后半段和工作行程的前半段完成，使间歇转动在冲压和脱模过程中停止，从而保证产品质量。常用机构为不完全齿轮机构，但是加工较为复杂维修费用高，不适合大批量生产，为了在保持其性能基础上减少成本，有其他两种方案。以下对这三种方案进行分析。

5.1 不完全齿轮机构

不完全齿轮机构主动轮只有几个轮齿，主从齿轮均有锁止弧。当锁止弧相接触时，从动轮被定位不会游动；当主动轮轮齿旋转至与从动轮轮齿相啮合，从动轮将会发生间歇转动。模筒转盘被固定在从动轮上，实现工位的转换。

5.2 圆柱凸轮间歇运动机构

圆柱凸轮间歇机构的模盘上有圆柱销与凸轮相接触，凸轮为主动件持续转动，从动件模盘的运动规律取决于凸轮轮廓形状，当圆柱销位于凸轮水平棱边时，转盘被定位不转动，当圆柱销位于凸轮斜棱边时，转盘间歇转动。

5.3 槽轮机构

槽轮机构模简转盘被固定在槽轮上，曲柄为主动件转动，当曲柄上的圆销还没进入轮槽的径向槽内时，槽轮的内凹圆弧面被曲柄的外凸圆弧卡住，槽轮是不转动的；当圆销进入槽轮的径向槽内时，槽轮被带动按照与曲柄相反方向转动，即可实现槽轮的间歇运动。方案比较：工程中常用的不完全齿轮机构加工较为复杂，存在刚性冲击，因生产和维修成本较高，因此考虑其他的替换方案。圆柱凸轮机构可以有效地避免冲击，运转平稳可靠，但是加工和安装精度高，成本反而升高，不是合适的方案。槽轮机构成本相对较低，工作平稳可靠效率高，解决了问题。虽然在起停时存在冲击，但此机械运转速度较慢，可以不予考虑。因此选用槽轮机构作为改良方案。

6 机械系统方案的分析与评价

通过以上分析，将成型机的主要机构缺陷进行分析和创新设计，提高了系统性能，减少了生产成本，有利于企业生产获得更好的发展。