西安工业大学 710021
摘要：本文首先初步设计支撑机构的总体结构，该机构总共由三个方向的运动构成，其中两个方向由伺服电机进行驱动，炉体上下运动采用液压缸驱动；随后，进行了传动系统的设计，炉体Z方向部分采用的是滚珠丝杠螺母副进行传动，并且用滚动直线导轨进行支撑，Y方向采用剪叉式液压升降台进行传动，X方向采用链进行传动，钢轨支撑整个试验台；最后进行外形结构设计。该机构结构精简，对接过程可灵活调节，能够满足支撑炉体和实现与发动机的对接过程。
关键词：斯特林发动机；支撑机构；液压缸；滚珠丝杠螺母副
1.引言
斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，即依靠外部热源对密封在机器中的工质进行加热，进行闭式循环，从而推动活塞做功。斯特林发动机实验台就是要研制一套该斯特林发动机的试验台，在频繁的极端工作条件下，对发动机进行疲劳试验，验证该发动机的性能。炉体支撑结构主要实现对实验炉的支撑作用，可以进行位置调节以便与发动机进行对接后进行燃烧试验。
本文以加热炉及其支撑结构为研究对象，炉体支撑结构主要实现对实验炉的支撑作用，可以进行位置调节以便与发动机热端进行对接后进行燃烧试验。
2.系统方案设计
2.1总体方案设计
本课题研究的20kw斯特林发动机的相关参数有：热端直径为400mm，使用氦气作为工质气体，重量约为2t，发动机安装架约为1400*1200*420mm，发动机热端中心距地面高约为1.7m。采用的加热炉外形为圆筒式，重量约为550kg。本课题的主要目的是实现加热炉与斯特林发动机热端的对接。
根据设计要求，为了实现对接目的，有以下两种总体方案：
方案一：固定加热炉，通过运动调整发动机的位置来实现炉口与热端的对接；
方案二：固定发动机，通过运动调整加热炉的位置来实现炉口与热端的对接。
两种方案的机构运动简图分别如图1和图2所示
由形态学矩阵可组合出的方案数为：N=4*4*4=64。
由形态学矩阵组合的方案中，有两种方案较为合理：
方案①：对于Z方向：步进电机 → 链传动 → 滑动导轨
对于Y方向：液压传动系统
对于X方向：步进电机 → 丝杠传动 → 滚动导轨
方案②：对于Z方向：伺服电机 → 丝杠传动 → 滚动导轨
对于Y方向：液压传动系统
对于X方向：伺服电机 → 链传动→ 钢轨
这两种方案中：
对于Z方向：对比两电机特点，伺服电机响应速度快，稳定性好，精度高，故选用伺服电机采用闭环控制；对比两种传动方式，该方向要求精度较高，链传动的瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声，滚珠丝杠具有摩擦小、传动效率高、启动转矩小，可以实现精准的微进给，因此选用丝杠传动；滚动导轨具有运动灵敏高、定位精度高等优点，故选择滚动导轨。
对于Y方向：该方向主要实现高度的调节，液压传动传动功率大、调速范围大、易实现过载保护且寿命长，故该方向采用液动机控制的升降系统。
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对于X方向：对比两电机特点，伺服电机响应速度快，稳定性好，精度高，因此，选用伺服电机驱动；对比两种传动方式，该方向传输距离较大，链传动结构紧凑，制造与安装精度要求较低，成本也低，故选用链传动；钢轨承载能力大且成本低，故不使用导轨。
通过各传动部分的对比，选用方案②。
2.2机械结构设计
（1）Z方向的机械结构设计
Z方向主要在水平方向上对加热炉进行调节，作用在该方向上的载荷主要是加热炉的重力。本节设计包括滚珠丝杠螺母副、滚动导轨、伺服电机的计算、选型及其校核，还包括一些标准件的选型和支撑结构的外形结构设计。
根据斯特林发动机的外形尺寸确定加热炉炉口直径为Φ440mm，底板尺寸为600*870mm，重量约为550kg。其结构示意图如图3所示。
（2）Y方向的机械结构设计
Y方向主要实现加热炉高度的调节，本设计中选用液压升降台系统来实现高度调节。该升降台需承载的重量除了加热炉外还有Z方向上包括滚珠丝杠螺母副、滚动直线导轨副、伺服电机和其他传动部件的总重量，因此液压升降台的额定载荷约为650kg。根据斯特林发动机的中心高及加热炉尺寸确定升降台的最大起升高度为700mm，平台尺寸为1200×1400mm。
该升降系统主要有两部分组成：机械系统和液压系统。机械机构主要起传递和支撑作用，液压系统主要提供动力，他们两者共同作用实现升降机的功能。液压传动传动功率大，在同等功率下，液压传动装置的体积小、质量轻、惯性小；易实现无级调速，且调速范围大，可达到100:1～2000:1；易于实现过载保护，可以很方便地利用压力控制阀控制系统的压力，从而防止系统过载；寿命长，由于采用油液为工作介质，润滑充分，所以寿命长；便于推广使用，由于液压元件已实现了系列化、通用化、标准化，因而便于选择使用，从而缩短了设计、制造周期。
根据升降机的平台尺寸1200×1400mm，宜采用单剪叉式机构，一个液压缸运动，以达到升降机调节高度的目的。其具体结构形式如图4所示：
图4所示即为该升降机的基本结构形式，其中1是工作平台，2为活动铰链，3是固定铰链，4为支架，5是液压缸，6为底座。在1和6的活动铰链处设有滑道。4主要起支撑作用和运动转化形式的作用，一方面支撑上顶板的载荷，一方面通过其铰接将液压缸的伸缩运动转化为平台的升降运动，1与载荷直接接触，将载荷转化为均布载荷，从而增强局部承载能力。下底座架主要起支撑和载荷传递作用。通过这些机构的互相配合，实现升降机的稳定和可靠运行。两支架在中点处铰接，支架4上下端分别固定在平台和底座上，通过活塞杆的伸缩和铰接点的作用实现加热炉的高度调节。
（3）X方向的机械结构设计
X方向主要实现加热炉与斯特林发动机的靠近和远离，行程较大且制造与安装精度不高，故采取链传动并用伺服电机驱动。链传动在机械制造中应用广泛。作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作；链传动的制造与安装精度要求较低，成本也低，在远距离传动时较轻便。
3.总结
本文以加热炉及其支撑结构为研究对象，炉体支撑结构主要实现对实验炉的支撑作用，可以进行位置调节以便与发动机热端进行对接后进行燃烧试验。该机构结构简单，经济实用。
参考文献
[1]杨征.斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化[D].北京：北京工业大学，2008
[2]液压升降台设计.http://www.doc88.com/p-0426189067110.html，2013-05-06
基金资助：陕西省工业科技攻关项目（2016GY-175），西安市未央科技计划(201713)
论文作者:王佳,蒋志毅,李锦涛,王天乐,王延武,殷娇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/19
标签：加热炉论文; 方向论文; 发动机论文; 斯特论文; 结构论文; 载荷论文; 导轨论文; 《基层建设》2017年第26期论文;