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=2.5m③前端高度h1=1.2m④宽度为B1=8m⑤长度L1=30~60m2.2 帘子尺寸帘厚△=0.03m；帘宽B=9m;帘长L=30~60m2.3 作业要求≤3r/min收帘或铺帘作业5分钟内结束; 卷帘轴转速n23 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 + θπ2∆= 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 + θπ4∆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ββ = πθ2 = π239.56 = 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 = 600.439.56⨯ = 0.233 1/s2、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/s4、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 1R 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=1.91m3.4.3顶杆的滑动距离RR = 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 2n 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ii = 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。

3.6.3 蜗杆、蜗轮技术参数[2~ 3]① 模数m: 模数大小直接影响蜗杆、蜗轮尺寸和强度，采用国家标准第一系列的m 1 = m 2 = 4mm.② 压力角均采用国标规定的20° ③ 中心距采用国家标准理论值125mm ④ 蜗杆分度圆直径d 1 = 40mm ⑥ 蜗杆投数Z 1 = 2 ⑦ 蜗轮齿数 Z 2 = 51⑧ 蜗轮分度圆直径d 2 = m Z 2 = 204mm 3.6.4 蜗杆、蜗轮材料为了降低制造成份蜗杆采用45号钢，蜗轮采用HT150.4 卷帘机受力分析4.1 主要部件的质量4.1.1 电动机质量20Kg ；减速器质量35 Kg ；顶杆和摆杆质量20 Kg 。

4.1.2 卷帘轴质量：m 2 =γv = 7800×πr 20L = 918.9Kg;式中：γ=7800Kg/m 3 — 钢密度；帘单位面积的密度为 0.65Kg/m 2； 4.1.3 卷帘质量m 1 =0.65 B ·L = 0.65（r 0·θ +θπ4∆2）·L 4.1.4 卷帘总重量G 2 = (m 2 + m 1)g . 4.2 阻力矩阻力矩主要产生于主要部件的摆动运动和卷帘轴转动。

4.3.1 电动机带动主要部件作摆动运动时产生的阻力矩M 1为了便于计算，认为各主要部件的作用点在卷帘轴中心上，M 1计算如图2所示，则：M 1=G 1Rcos α式中：G 1 =Σmg = 75×9.806 =735Kg — 主要部件的重量； R — 摆动半径 R =[(x – 3.04)2 + z 2]1/2分析：① 最大阻力矩发生在初始位置，M 1 = 735×4.14 =3043Nm 。

② 阻力矩初始位置最大，随着卷帘轴的上移逐渐减小，α=90°时等于0，α＞90°时反而变成主动力矩。

4.3.2 卷帘轴转动产生的阻力矩M 2该阻力矩是卷帘轴本身转动产生的阻力矩与卷帘时产生的阻力矩之和。

如图3所示。

卷帘轴转动产生的阻力矩M 2 =（m 1 + m 2）g ·（β×△ + r 0）cos bM 2max = [918.9＋0.65×8.5×60]×9.806×(9×0.03+0.025)= 3617 N m 4.3.3 起动阻力矩M 3M 3 = J ε； 式中：J= m 2 r 2/2 — 静力矩M3 =21×918.9×0.0252×23.3 = 6.7 N m4.3.4其它阻力矩①采用蜗杆减速器时，其轴承摩擦力阻力矩和蜗杆、蜗轮之间的阻力矩很小，可以忽略不计。

②主要部件作摆动运动所产生的起动阻力矩，起动角加速度很小，可以忽略不计阻力矩。

③静力矩变化引起的惯性阻力矩，其大小很小可以忽略不计。

4.3.5 电动机功率N总功率包括主要部件摆动所需要的功率N1、卷帘轴转动所需的功率N2和起动功率N3，即， Ne= N1+ N2+ N3N 1 = M1·ψmax= 3043×0.0179 = 54.2 WN 2 = M2·ω = 3617×0.233 = 842.8 WN 3 = M3·ω = 6.7×0.233 = 1.7 WN ≥ KNe = K·(N1+ N2+ N3)= 898.6 W = 0.9 Kw式中：K —超载系数（1 — 1.5）结束语:1、本次设计中，常用件技术参数都采用国家标准，所以加工容易，降低机器制造成本。

2、易损件经过接触应力、弯曲应力和刚度计算，都符合许用应力要求，所以设计合理。

参考文献：[1] 机械原理[2] 濮良贵、纪名刚机械设计高等教育出版社，2000：246-268[3] 张展。