卷帘机设计

WPJL 60 —型卷帘机设计

崔永汉

（延边大学工学院，吉林延吉133002）

摘要：针对温室大棚用户的实际情况，设计一种WPJL 60 —型卷帘机，并对关键机构进行运动分析与受力分析，对其主要结构技术参数进行分析与计算，完善机器结构和工作原理。关键词：卷帘机；自由度；技术参数

0 前言

近些年来，随着农业技术的迅猛发展，我国温室大棚面积逐年增加，应用在育苗、蔬菜、果实等栽培。我国北方地区冬春季节昼夜温差大，温室大棚内保温措施采用晚间大棚上面铺有保温性能的帘子方法。铺帘、卷帘作业是比较繁重、费时的作业，为此研究设计价格低廉的卷帘机，以减轻农民的负担。

1 总体方案的确定

1.1 整机结构

该机器主要由电动机、刚性连轴器、减速器、万向连轴器、卷帘轴、顶杆、摆杆等组成。如图1 所示。

1.2 卷帘机的工艺过程

卷帘机作收帘作业时，电动机通过减速器带动卷帘轴转动，拴在卷帘轴上的帘子卷在卷帘轴上，完成收帘作业；卷帘机作铺帘作业时，电动机旋转方向相反，因而完成铺帘作业。

2 设计条件

2.1 温室大棚尺寸

温室大棚尺寸如图所示。

①坡度一般为1：5.4左右

②后端高度H1=2.5m

③前端高度h1=1.2m

④宽度为B1=8m

⑤长度L1=30~60m

2.2 帘子尺寸

帘厚△=0.03m；帘宽B=9m;

帘长L=30~60m

2.3 作业要求

≤3r/min

收帘或铺帘作业5分钟内结束; 卷帘轴转速n

2

3 主要结构

3.1卷帘转角的确定

3.1.1卷帘过程的运动分析

卷帘轴卷帘过程中忽略帘子的压缩量，帘子以卷帘轴为中心按阿基米德螺旋规律运动。卷帘轴每转一周，卷帘半径变化量为△=0.03m 。用极坐标表示卷帘半径，则，

r = r 0 + θπ

2∆

= 0.25 + θπ203.0

式中：r — 卷帘半径；θ — 卷帘轴转角；r 0 — 卷帘轴半径 3.1.2阿基米德螺旋长度的微分方程

dB = r d θ = (r 0 +)2π∆

d θ

积分得 B = r 0·θ + θπ

4∆2

代入基本尺寸整理得 θ2 + 10.47θ - 3770 = 0 解方程得卷帘轴转角 θ = 56.39 弧度 3.1.3 卷帘轴回转圈数β

β = πθ2 = π

239.56 = 9 圈

3.1.4 各主要部件的运动参数

1、卷帘轴角速度：ω = t θ = 60

0.439

.56⨯ = 0.233 1/s

2、帘的相对切线速度：U =ω（β×△ + r 0），如图2 所示

3、摆杆的角速度：ψ= T/[R-（β×△ + r 0）]

式中：T = U ·cos c ; c = [90°- (a + b)]，如图2 所示

ψmax =ω（β×△ + r 0）/[R-（β×△ + r 0）] = 0.233(9×0.03+0.025)/[4.14 - (9×0.03+0.025)

= 0.0179 1/s

4、卷帘轴角加速度ε: 卷帘机起动时，在0.01s 内角速度达到0.233 1/s ,故，卷帘轴角速度ε = 23.3 1/s. 3.2 支承卷帘轴的结构

如图1所示卷帘轴工作过程。电动机通过减速器带动卷帘轴转动时，卷帘轴在铅锤平面内一方面作上下铅锤运动，另一方面作水平方向的前后水平运动，因此整个机构在铅锤平面内必须有两个自由度。即支承地面与摆杆之间采用转动副，摆杆与顶杆之间采用滑动副。 自由度F a = 3 i a – 2P H – P L [1]

式中：F a —机构的自由度；i a — 运动件数；P H — 低副；P L — 高副 机构中有两个运动件，两个低副，无高副。 F a = 3×2 - 2×2 –0 =2 3.3 摆杆轴位置确定

为机构的结构紧凑，应正确地选择摆杆轴位置，否则卷帘机工作时摆杆与顶杆之间滑动距离大，机构的工作不稳定，且影响结构的强度。设计时尽量缩小摆杆与顶杆之间的滑动距离。

建立直角坐标系，大棚宽度方向为X 轴，高度方向为Z 轴。

3.3.1卷帘轴最高位置

H = H 1 + （β×△ + r 0）

= 2.5 + (9× 0.03 + 0.025)= 2.8m 3.3.2 顶杆最大伸张量

顶杆最大伸张量发生在卷帘轴最高位置和大棚前端拐点处。故， R 1 = [x 2 + (H 1 + r 0 +β×△)2]1/2 = [(B 1 –x)2 + h 12 ]1/2

式中：R 1 — 最大伸张量；x — 坐标轴原点与摆杆轴之间的水平距离 [x 2 + (2.5 + 0.025 +9×0.03)2]1/2 = [(7 –x)2 + 1.22 ]1/2 解方程得x = 3.04m 3.3.3 摆杆轴位置

摆杆轴的坐标（3.04，0） 3.4 顶杆和摆杆的长度 3.4.1 顶杆最大伸张量R 1

R 1 = [x 2 + (H 1 + r 0 +β×△)2]1/2 = [3.042 + (2.5 + 0.025 +9×0.03)2]1/2=4.14m 3.4.2顶杆最小伸张量R 2

顶杆最小伸张量R 2是大棚坡面与摆杆轴之间的垂直距离。

大棚坡面的斜率K= tg α=1:5.4 = - 0.185; 当x = 0时，z = 2.5，故， 大棚坡面的直线方程z = - 0.185x =2.5 一般形式：0.185x + z – 2.5 = 0 摆杆轴坐标（3.04，0）

摆杆轴与大棚坡面的最小垂直距离 R 2 = (︱Ax+Bz+C ︱)/( A 2+B 2)1/2

= (︱0.185×3.04 +0+2.5︱)/( 0.1852+12)1/2=1.91m

3.4.3顶杆的滑动距离R

R = R 1 – R2 = 4014-1.91=2.23m 3.4.4 顶杆与摆杆的长度

设计顶杆和摆杆长度时必须满足下列条件: 顶杆长度＞2.23m; 摆杆长度＜2.23m 3.5 卷帘机总传动比 3.5.1 卷帘轴转速n 2

n 2 = t

= 49 = 2.25 r/min ；式中 t — 卷帘所需的时间取4分钟。

3.5.2 电动机转速n 1

为了降低机器设计制造成份，选择转速n 2 = 1450 r/min 的电动机。 3.5.2 总传动比i

i = n 1/n 2 = 1450/2.25 = 644.44 3.6 减速器

3.6.1 减速器结构型式

因总传动比大于480r/min,且为了降低减速器的重量减速器，采用二级蜗杆传动的结构型式。 3.6.2 传动比分配

为了蜗轮受力均匀，传动比分配采用相同的国家标准传动比，i 1= i 2 = 25.5. 实际总传动比i = 650.25,实际卷帘轴转速n 2 = n/I = 1450/650.25 = 2.23r/min. 实际收帘所需时间t = β/n 2 = 9/2.23 = 4.04min,符合使用要求。