謝曉偉

卷筒是卷取機(jī)的重要組成部分，目前在冷軋機(jī)組中主要采用擴(kuò)張錐式和四棱錐式卷筒。四棱錐式卷筒的主要零件為棱錐軸和扇形板，工作時(shí)通過(guò)漲縮油缸的拉動(dòng)使棱錐軸前后運(yùn)動(dòng)，利用棱錐軸和扇形板的斜面互相配合以達(dá)到卷筒漲縮的目的。這種結(jié)構(gòu)棱錐軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性比較大，可以承受較大的張力和重力，但由于棱錐軸為整體制造，成本高，加工難度大[1]。擴(kuò)張錐式卷筒主要零件為楔塊、拉桿、空心軸和扇形板，漲縮缸活塞桿通過(guò)空心軸中心的拉桿驅(qū)動(dòng)楔塊軸向滑動(dòng)，帶動(dòng)與楔塊斜面配合的扇形板實(shí)現(xiàn)徑向漲縮[2]。雖然結(jié)構(gòu)較四棱錐卷筒復(fù)雜，但制造成本低，加工簡(jiǎn)單。為了保證斜面配合精度，上述卷筒軸都需要研磨扇形板。

按現(xiàn)有工藝，扇形板在研磨過(guò)程中需要頻繁翻轉(zhuǎn)，而在翻轉(zhuǎn)扇形板時(shí)，目前通用的方法是天車配合人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。這種方法存在著明顯的缺點(diǎn)：其一，生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，專業(yè)化水平差，生產(chǎn)效率低下；其二，需要頻繁使用天車，對(duì)生產(chǎn)調(diào)度有較大影響；其三，工人頻繁參與起吊工作，容易發(fā)生安全事故。

針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、使用方便的專用工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)扇形板的翻轉(zhuǎn)操作，可大大提高生產(chǎn)的自動(dòng)化、專業(yè)化水平和生產(chǎn)效率。

1 翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)扇形板種類和大小多種多樣的具體情況，在設(shè)計(jì)之前需對(duì)各種扇形板尺寸做好統(tǒng)計(jì)。該翻轉(zhuǎn)工裝首先根據(jù)最大扇形板尺寸設(shè)計(jì)，然后在細(xì)節(jié)方面進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)各種扇形板的翻轉(zhuǎn)。

1.1 總體方案

扇形板翻轉(zhuǎn)工裝由框架、緊固桿件、動(dòng)力和傳動(dòng)部件三部分組成（見(jiàn)圖1）。在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，首先將扇形板放置在由鋼板焊接而成的框架中，框架通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在桌面板上，用緊固桿件將其固定，由電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將置放在框架中的扇形板翻轉(zhuǎn)，桌面板的高度應(yīng)方便工人操作。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)出扇形板翻轉(zhuǎn)工裝模型（見(jiàn)圖 2）。

圖1 設(shè)計(jì)思路

圖2 扇形板翻轉(zhuǎn)工裝模型

1.2 框架和緊固桿件設(shè)計(jì)

框架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，與扇形板弧面接觸部分設(shè)計(jì)成V形槽狀，以適應(yīng)不同弧度的扇形板，在V形槽表面把合尼龍板，用以保護(hù)加工好的扇形板弧面?？蚣芤粋?cè)焊接轉(zhuǎn)軸支座，傳動(dòng)軸支座上加工有鍵槽，通過(guò)鍵傳遞翻轉(zhuǎn)扭矩（見(jiàn)圖3）。

圖3 框架

為將扇形板緊固在框架中，采用緊固桿件將其壓緊，但由于各種扇形板的弧面半徑和斜面角度不同，僅采用一種緊固桿件無(wú)法將所有扇形板壓緊。因此在緊固桿件的表面加工出若干螺紋孔，另外加工多種墊塊（可以用尼龍加工），針對(duì)不同的扇形板把合相應(yīng)的墊塊，將扇形板壓緊。

在將扇形板放置在臺(tái)面上時(shí)，還需要增加兩端的墊塊，根據(jù)不同扇形板各加工出一套，該墊塊應(yīng)能夠快速更換（見(jiàn)圖4）。

1.3 卡緊裝置設(shè)計(jì)

圖4 墊塊

為了使緊固桿件能夠安全可靠地鎖緊而設(shè)計(jì)有卡緊裝置（見(jiàn)圖5）。該裝置由卡槽、卡板、鋼球、彈簧和螺栓組成。

圖5 卡緊裝置

工作時(shí)，將卡板推到卡槽中，用來(lái)?yè)踝【o固桿件。為確保翻轉(zhuǎn)過(guò)程中卡板固定不動(dòng)，用鋼球與卡板上的小孔配合，在彈簧力的作用下起到固定作用。打開(kāi)時(shí)，只需在把手上施加一定的力即可。緊固力可通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)彈簧的壓緊力進(jìn)行調(diào)整。在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，因卡緊裝置始終受力很小，所以這種卡緊裝置是安全可靠的。

1.4 翻轉(zhuǎn)流程

本翻轉(zhuǎn)工裝采用雙面夾緊，書(shū)頁(yè)式翻轉(zhuǎn)的原理。扇形板的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作主要按照以下流程進(jìn)行：

（1）將緊固桿件打開(kāi)，平放在無(wú)框架的一側(cè)。

（2）將扇形板放在緊固桿件一側(cè)，由緊固桿件上的斜面對(duì)扇形板進(jìn)行定位，同時(shí)用兩端墊塊進(jìn)行支撐和輔助定位。

（3）將空框架轉(zhuǎn)到放置扇形板的一側(cè)，扣上鎖緊裝置。

（4）將放置好扇形板的框架轉(zhuǎn)動(dòng)到另一側(cè)，完成翻轉(zhuǎn)操作。

（5）打開(kāi)緊固桿件，將階梯斜面全部露出，即可進(jìn)行研磨操作。

1.5 框架強(qiáng)度與剛度分析

在扇形板翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，框架需承受扇形板及自身重力，是重要受力構(gòu)件，有必要進(jìn)行強(qiáng)度與剛度分析。

因框架應(yīng)力與變形情況是隨著翻轉(zhuǎn)過(guò)程不斷變化的，本文僅給出翻轉(zhuǎn)過(guò)程初始時(shí)刻、豎直時(shí)刻和即將結(jié)束時(shí)刻三種特殊狀況下應(yīng)力與變形圖（見(jiàn)圖6～圖 8）。

圖6 初始時(shí)刻應(yīng)力與變形圖

圖7 豎直時(shí)刻應(yīng)力與變形圖

圖8 結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力與變形圖

從圖中可以看出，該框架在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的最大應(yīng)力與變形都比較小，證明其強(qiáng)度和剛度均能滿足使用要求。

2 運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)仿真及傳動(dòng)軸尺寸確定

根據(jù)實(shí)際情況，將翻轉(zhuǎn)扇形板的時(shí)間定為15 s，勻速翻轉(zhuǎn)。在Autodesk Inventor中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[3]，得到翻轉(zhuǎn)過(guò)程中傳動(dòng)軸所受力矩的變化曲線（見(jiàn)圖9）。從圖中可以看出，扇形板從0°翻轉(zhuǎn)到90°過(guò)程中，傳動(dòng)軸受順時(shí)針?lè)较蛄?，?shù)值呈逐漸減小趨勢(shì)，翻轉(zhuǎn)到90°附近時(shí)，重力通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，所受力矩為零，從90°翻轉(zhuǎn)到180°過(guò)程中，傳動(dòng)軸受逆時(shí)針?lè)较蛄?，?shù)值逐漸增大。傳動(dòng)軸在翻轉(zhuǎn)初始和結(jié)束時(shí)刻所受力矩最大，為2654 N·m。該最大力矩也可以通過(guò)計(jì)算得到，取工件和框架重量總和約為650 kg，重心距轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)力臂最長(zhǎng)為400 mm，求得最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

Tl=mgl=650×9.8×0.4=2600 N·m

圖9 傳動(dòng)軸所受力矩曲線

仿真與計(jì)算數(shù)值基本吻合，證明了仿真結(jié)果的正確性。

2.2 傳動(dòng)軸直徑確定

選取軸材料為40Cr，則［τ］T=45 MPa

根據(jù)軸的直徑計(jì)算公式[4]

求得 d≥66.1 mm

最終確定傳動(dòng)軸直徑為?80 mm。

3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)裝置

為將動(dòng)力部件放置在桌面下，以保證結(jié)構(gòu)緊湊性和安全性，整體傳動(dòng)方案按照電機(jī)—減速機(jī)—鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)，并為傳動(dòng)部件加上安全罩（見(jiàn)圖10）。

傳動(dòng)方案中的鏈傳動(dòng)也可以采用皮帶傳動(dòng)，但由于鏈傳動(dòng)具有無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率較高，不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷較小等優(yōu)點(diǎn)，更符合本翻轉(zhuǎn)工裝的設(shè)計(jì)要求。

為了檢測(cè)翻轉(zhuǎn)的極限位置，在工裝板面的左右各安裝有行程開(kāi)關(guān)ST1和ST2。翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，工人只需操作翻轉(zhuǎn)按鈕和急停按鈕即可，操作過(guò)程極其簡(jiǎn)單方便，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖10 傳動(dòng)裝置

3.2 電機(jī)和減速機(jī)選擇

根據(jù)前面計(jì)算的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，求得最大負(fù)載功率為

考慮減速機(jī)、鏈傳動(dòng)在傳遞功率的過(guò)程中有損耗，設(shè)傳動(dòng)效率為0.8，則電機(jī)功率為

為了確保扇形板能順利翻轉(zhuǎn)，最終確定電機(jī)功率為1.5 kW。

將翻轉(zhuǎn)扇形板時(shí)間換算成轉(zhuǎn)速為2 rpm，小功率電機(jī)最低同步轉(zhuǎn)速一般為750 rpm，如將電機(jī)調(diào)速到120 rpm，則總減速比為60，選定減速機(jī)減速比為20，鏈傳動(dòng)減速比為3，折算到電機(jī)軸上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

當(dāng)翻轉(zhuǎn)大于90°時(shí)，在重力的作用下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩開(kāi)始做功，電機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)[5]，折算到電機(jī)軸上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

根據(jù)以上計(jì)算，電機(jī)應(yīng)該滿足以下條件：

（1）能夠頻繁正反轉(zhuǎn)，具有較大的轉(zhuǎn)差率。

（2）功率大于1.5 kW。

（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于54.2 N·m。

（4）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不小于35 N·m。

綜上所述，可以選取R系列減速電機(jī)。

3.3 鏈傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算

選定鏈傳動(dòng)后需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[4]。

（1）選定傳動(dòng)比：i=3。

（2）根據(jù)傳動(dòng)比查資料選擇小鏈輪齒數(shù)：z1=23。

（3）計(jì)算大鏈輪齒數(shù)：

z2=iz1=3×23=69

（4）鏈節(jié)數(shù)以偶數(shù)為宜，初步確定中心距為：a=38p。

（5）計(jì)算鏈節(jié)數(shù)

（6）根據(jù)傳動(dòng)功率和轉(zhuǎn)速選用12A的鏈條，其節(jié)距為：p=19.05 mm

（7）計(jì)算實(shí)際中心距

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的扇形板翻轉(zhuǎn)專用工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升操作安全性和生產(chǎn)效率，而且該工裝因制造成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號(hào)的扇形板的快速翻轉(zhuǎn)，所以非常適合各種扇形板研磨。

[1]謝磊，祈文君，牟艷秋，那洪志.卷取機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)分析 [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化.2010(2):111-113.

[2]劉少宇.卷取機(jī)卷筒故障分析及改造 [J].冶金設(shè)備.2009(5):74-76.

[3]胡仁喜，康士延，劉昌麗.Autodesk Inventor 2012從入門到精通[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2012:357-383.

[4]許立忠，龔景安.機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2003:111-117，89-100.

[5]鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制 [M].武漢.華中科技大學(xué)出版社.2001:49-71.