谷曉妹,翟 建

(1.山東科技大學(xué),山東青島 266590;2.青島濱海學(xué)院,山東青島 266555)

合成革儲(chǔ)布機(jī)設(shè)計(jì)*

谷曉妹1,2,翟 建2

(1.山東科技大學(xué),山東青島 266590;2.青島濱海學(xué)院,山東青島 266555)

合成革儲(chǔ)布機(jī)主要是為了紡織業(yè)生產(chǎn)的儲(chǔ)布過(guò)程而設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)機(jī)架的設(shè)計(jì)、導(dǎo)布輥的設(shè)計(jì),機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、氣動(dòng)裝置的設(shè)計(jì),PLC控制的設(shè)計(jì),使其保護(hù)合成革的質(zhì)量和提高收卷效率,在產(chǎn)品試制、實(shí)驗(yàn)分析、設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)等方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

合成革儲(chǔ)布機(jī);設(shè)計(jì);導(dǎo)布輥

0 引 言

人們的生活質(zhì)量在不斷提高,從而使得人們對(duì)于皮革制品的質(zhì)量要求也提高了,同樣會(huì)影響到皮革生產(chǎn)廠的生產(chǎn)效率也需要提高。合成革儲(chǔ)布機(jī)的使用,既能提高生產(chǎn)效率,又能降低成本,是合成革工廠中的必備設(shè)備。有了這個(gè)設(shè)備便可以更加快速的制造出高質(zhì)量的合成革,有高質(zhì)量的合成革就更加容易制造出高質(zhì)量的皮革制品了。

在普通的收卷過(guò)程中,有時(shí)合成革的速度不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致部分合成革掉在地上,這樣很容易導(dǎo)致皺褶,也很影響合成革的質(zhì)量,為了避免這種情況的發(fā)生,本設(shè)計(jì)在導(dǎo)布輥的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、氣壓裝置等方面做了改進(jìn),以這種卷筒的方式收卷合成革,一方面提高了收卷效率,另一方面對(duì)合成革起到保護(hù)作用。

1 儲(chǔ)布機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)參數(shù)

合成革布幅寬:1.6 m;合成革布厚度:ξ=0.5～2.5 mm;儲(chǔ)布長(zhǎng)度為:Lmax=50 m;合成革進(jìn)出口速度為:v=10～50 m/min;氣壓缸的工作壓力:p=0.8 MPa。

1.2 儲(chǔ)布機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)布機(jī)的工作原理:多達(dá)13根的導(dǎo)布輥,可以有效地拉緊合成革并且讓合成革的運(yùn)動(dòng)路程變長(zhǎng),這對(duì)速度的控制非常的有效果,繃緊的合成革所受的力已經(jīng)接近平衡,這樣可以讓合成革進(jìn)行勻速的運(yùn)送,便達(dá)到了儲(chǔ)布機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

在儲(chǔ)布機(jī)工作之前,上運(yùn)動(dòng)架在最底端,通過(guò)人工導(dǎo)入合成革,纏繞在每個(gè)導(dǎo)布輥上,然后啟動(dòng)儲(chǔ)布機(jī),在PLC的控制下,上運(yùn)動(dòng)架往上運(yùn)動(dòng)到達(dá)某一高度處,拉緊纏繞在導(dǎo)布輥上的合成革,同時(shí)啟動(dòng)主電機(jī)使合成革進(jìn)入儲(chǔ)布機(jī),另一側(cè)通過(guò)卷布機(jī)卷布,合成革卷到一定數(shù)量時(shí),同時(shí)壓料板在氣缸的作用下壓住合成革防止合成革反方向運(yùn)動(dòng),在卷布機(jī)上通過(guò)卷布棍體卷好一卷合成革,卷夠一定數(shù)量切斷后取下,儲(chǔ)布機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 儲(chǔ)布機(jī)工作原理圖

如果進(jìn)入儲(chǔ)布機(jī)的布速過(guò)快,便會(huì)增大布的張力,通過(guò)彈性元件,動(dòng)導(dǎo)布輥的支架便會(huì)向上移動(dòng),這使整個(gè)布的運(yùn)作量增加,布在機(jī)器中的運(yùn)作時(shí)間也就會(huì)變長(zhǎng),這樣出口的布速就會(huì)得到控制;如果進(jìn)入的布速太慢,動(dòng)導(dǎo)布輥就會(huì)向下移動(dòng),這樣就使布料在機(jī)器中的行程變短,加快了出口的布速,這樣就可以對(duì)整個(gè)機(jī)器加以控制,然后就可以使出口的布速保持恒定了。

儲(chǔ)布機(jī)主要由電機(jī)傳動(dòng)裝置,機(jī)架,導(dǎo)布輥,上活動(dòng)支架,下固定支架,氣壓裝置等幾部分組成。

圖2 儲(chǔ)布機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.3 儲(chǔ)布機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)架傳動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)原理圖

電機(jī)啟動(dòng)之后,通過(guò)滾子鏈?zhǔn)股湘溳嗊B接的軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)架的上升與下降。軸帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)使左邊的軸也以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),靠?jī)蓚€(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)架的上升和下降。

2 導(dǎo)布輥設(shè)計(jì)

導(dǎo)布輥的用途是印染紡織機(jī)械設(shè)備中有著平幅支撐和導(dǎo)布之用,導(dǎo)布的關(guān)鍵就是導(dǎo)布輥的設(shè)計(jì)計(jì)算,它必須滿足不易生銹,符合強(qiáng)度和剛度的機(jī)械性能,可以輕松的提高導(dǎo)布效率。常見(jiàn)的導(dǎo)布輥如圖4、5所示。

圖4 常見(jiàn)導(dǎo)布輥外形

圖5 TMG型導(dǎo)布輥

2.1 確定導(dǎo)布輥直徑

普通卷制導(dǎo)布輥(TMG)型壁厚有分為2、2.5 mm兩種,材料為06Cr19Ni10,要求導(dǎo)布輥表面光滑,沒(méi)有裂紋生銹以及坑洞缺陷,粗糙度拋光達(dá)到Ra＜1.6,導(dǎo)布輥的表面圓跳動(dòng)、直徑公差如表1、2所示[1]。

導(dǎo)布輥軸頸直徑d,特點(diǎn)是5的倍數(shù),也可以根據(jù)客戶要求更改,一般根據(jù)合成革布幅寬度,按表3、4尺寸推薦。初步選取導(dǎo)布輥的外徑D為100 mm,軸頸d=35 mm。普通導(dǎo)布輥的尺寸如圖6所示。

表1 表面圓跳動(dòng)公差 /mm

表3 導(dǎo)布輥極限寬度 /mm

表4 軸頸直徑選擇 /mm

圖6 導(dǎo)布輥圖

2.2 電機(jī)選擇

根據(jù)已知條件:合成革進(jìn)出口速度為v=10～50 m/min,布幅寬L=1.6 m,布厚ξ=0.5～2.5 mm,儲(chǔ)布長(zhǎng)為L(zhǎng)max=50 m,合成革密度ρ1=3 000 kg/m3,導(dǎo)布輥密度ρ2=7 930 kg/m3,上運(yùn)動(dòng)架上設(shè)計(jì)有7根導(dǎo)布輥,上運(yùn)動(dòng)架選用45號(hào)鋼ρ3=7 850 kg/m3,上運(yùn)動(dòng)架體積根據(jù)尺寸計(jì)算得0.025 m3。

則合成革最大質(zhì)量為:m1=ρ1×V=3 000×1.6×0. 0025×50=600 kg;導(dǎo)布輥質(zhì)量為:m2=ρ2×V=7930× 3.14×(0.052-0.04752)×1.6=9.7 kg

上運(yùn)動(dòng)架的質(zhì)量為:m3=ρ3×V=7 850×0.025= 196 kg;導(dǎo)布輥繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為:m2=ρ2×V=7 930× 3.14×10.052-0.04752)×1.6=9.7 kg;轉(zhuǎn)矩:T=(m1+m2+m3)×g×R=(600+9.7×7+196)×9.8×0.05=423 N·m;轉(zhuǎn)速為:n=150 r/min;根據(jù)公式:T=9 550×P/ n;可知:P=T×n/9550=423×150/9550=6.6 kW。

由電機(jī)功率P=7.5 kW,選擇轉(zhuǎn)速n=150 r/min的伺服電機(jī)SGMGV-75ADA21。

2.3 導(dǎo)布輥的受力分析

導(dǎo)布輥的作用在于支撐和引導(dǎo)布匹朝指定方向運(yùn)動(dòng),以及調(diào)節(jié)布匹的張力。導(dǎo)布輥由軸頭、悶頭和輥體組成。軸頭為導(dǎo)布輥安裝的支承部位,軸頭可根據(jù)不同情況做成不同形狀的短軸,輥體采用包覆層,構(gòu)成不同材質(zhì)的輥面,如軟橡膠輥、硬橡膠輥、尼龍輥等。也可鍍鉻無(wú)縫鋼管或不銹鋼管制成,軸頭和輥體通過(guò)悶頭采用焊接連接。導(dǎo)布輥的結(jié)構(gòu)示意如圖7。

本設(shè)計(jì)中按導(dǎo)布輥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為固定、活動(dòng)導(dǎo)布輥,按動(dòng)力來(lái)源可分為主、被動(dòng)導(dǎo)布輥。由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及動(dòng)力變化,導(dǎo)布輥與平幅布匹有摩擦影響,所以布匹所受張力也不同。布匹加工狀態(tài)一旦改變就會(huì)影響布匹的質(zhì)量,所以要了解導(dǎo)布輥和平幅布匹的摩擦影響,得到導(dǎo)布輥和布匹的張力變換,導(dǎo)布輥與布匹之間存在著各種受力,所以要做一定分析。

圖7 導(dǎo)布輥的結(jié)構(gòu)示意圖

(1)平幅布匹以包角α繞過(guò)固定導(dǎo)布輥時(shí)的受力分析

如圖8,設(shè)布匹進(jìn)入的松邊拉力為T0,導(dǎo)出的緊邊拉力為T1,輥面和布匹之間的活動(dòng)摩擦力為f1,得到:

圖8 平幅皮革以包角α繞過(guò)固定導(dǎo)布輥

由歐拉定律:

式中:μ為布匹和輥面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

所以:f1=T0(eμα-1)

故f1的大小將隨α的增大而增大,因此平幅布匹經(jīng)過(guò)固定導(dǎo)布輥后,它的緊邊拉力將增大,包角越大緊邊拉力越大。

計(jì)算:若α=60°,μ=0.33,P=6.6 kW,V=50 m/ min,則:

(2)平幅皮革經(jīng)過(guò)主動(dòng)導(dǎo)布輥時(shí)的受力分析

圖9 平幅皮革經(jīng)過(guò)主動(dòng)導(dǎo)布輥

如圖9所示,皮革進(jìn)入的松邊拉力為T0,引出的緊邊拉力為T2,導(dǎo)布輥輥面和皮革間的摩擦力f2,得到:

式中:f2的反作用力克服摩擦阻力使被動(dòng)導(dǎo)布輥轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)導(dǎo)布輥的輥體半徑R,輥軸半徑r,導(dǎo)布輥軸頸上總壓力為P,軸頸和軸承摩擦系數(shù)是μ2,由力矩平衡方程,得:

平幅皮革經(jīng)過(guò)的主動(dòng)導(dǎo)布輥越多緊邊拉力就會(huì)隨之增大。

儲(chǔ)布設(shè)備中產(chǎn)生平幅皮革拖動(dòng)多根導(dǎo)布輥的情況極為常見(jiàn),應(yīng)保持導(dǎo)布輥軸承的潤(rùn)滑,這樣就可以降低皮革之間的張力了。

(3)平幅皮革經(jīng)過(guò)被動(dòng)導(dǎo)布輥時(shí)的受力分析

如圖10所示,設(shè)皮革進(jìn)入導(dǎo)布輥一端的拉力為T0,引出導(dǎo)布輥一端的拉力為T3,導(dǎo)布輥輥面與皮革間的靜摩擦力為f3,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)布輥轉(zhuǎn)動(dòng)的外加力矩為T,導(dǎo)布輥輥體的半徑為R,顯然T0=T3+f3

且有:T0R=M

圖10 平幅皮革經(jīng)過(guò)被動(dòng)導(dǎo)布輥

計(jì)算:R=50 mm,T0=7 920 N,f2=f3=141 N

所以:T3=T0-f3=7 779 N

M=T0R=396 N·m

因此,平幅皮革經(jīng)過(guò)被動(dòng)導(dǎo)布輥后,其緊邊拉力將降低,平幅皮革經(jīng)過(guò)的被動(dòng)導(dǎo)布輥越多,緊邊拉力降低的也越多。

皮革緊邊拉力過(guò)小,在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)松弛,甚至?xí)a(chǎn)生皺褶。為了克服這種問(wèn)題,有時(shí)使主動(dòng)導(dǎo)布輥超速運(yùn)行。這樣在皮革與導(dǎo)布輥面之間產(chǎn)生一定的打滑。

設(shè)皮革與導(dǎo)布輥輥面間的滑動(dòng)摩擦力為f4,打滑時(shí)皮革輸出端的緊邊拉力為Tv2′,要使導(dǎo)布輥與皮革間不打滑則有:f2＜f4。

這樣,由于主動(dòng)導(dǎo)布輥超速打滑,使皮革的緊邊張力有所增大,由于導(dǎo)布輥輥面與皮革直接接觸,因此,要求輥面平直光滑,不能有任何毛刺和缺陷。還要求輥面與軸頸有較好的同心度,安裝要平直,轉(zhuǎn)動(dòng)要靈活,保證軸承具有良好的潤(rùn)滑性能。

2.4 導(dǎo)布輥的校核計(jì)算

(1)校核

如圖11所示,許用應(yīng)力[σ]=137 MPa。

合成革在單個(gè)導(dǎo)布輥上的重力為G=600×9.8/7 N=840 N

均布載荷的集度q=G/L=525 N·m RA=RB=G/2=420 N

圖11 力學(xué)簡(jiǎn)圖及彎矩圖

中點(diǎn)截面上的彎矩Mmax=199 N·m

Wz=πD3(1-α4)/32=1.815×10-5m3(其中α= d/D,d為內(nèi)徑,D為外徑)

由前面計(jì)算可知扭矩:T=396 N·m

所以導(dǎo)布輥滿足強(qiáng)度要求。

平幅皮革經(jīng)過(guò)的導(dǎo)布輥越多緊邊張力就會(huì)隨之增大。儲(chǔ)布設(shè)備中產(chǎn)生平幅皮革拖動(dòng)多根導(dǎo)布輥的情況極為常見(jiàn),比如,平洗機(jī)中的平洗槽,排列著多根被動(dòng)導(dǎo)布輥,皮革在導(dǎo)布輥之間來(lái)回運(yùn)動(dòng),讓洗滌時(shí)間變得更長(zhǎng),保持導(dǎo)布輥軸承的潤(rùn)滑,就可以降低皮革之間的張力了,所以潤(rùn)滑很重要。

3 氣壓缸的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)裝置由氣缸固定板,氣缸、壓料板、導(dǎo)布輥、合成革和支架組成。有的氣動(dòng)裝置可以手動(dòng)控制,氣源中斷后用手可以旋轉(zhuǎn)手輪的方向,從而控制閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉。如圖12所示,執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成,當(dāng)布匹停止流動(dòng)時(shí),由信號(hào)的控制產(chǎn)生相應(yīng)的推動(dòng)力,在氣缸的推動(dòng)作用下壓料板向下運(yùn)動(dòng),使布匹固定不在前后流動(dòng)。當(dāng)布匹開(kāi)始流動(dòng)時(shí),由信號(hào)的控制產(chǎn)生相應(yīng)的拉力,這時(shí)壓料板受到氣缸向上的拉力,使壓料板向上移動(dòng),脫離與布匹的接觸[3]。

圖12 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

3.1 氣缸推(拉)力的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)工作壓力p=0.8 MPa,氣缸的缸徑選為D= 63 mm[2],根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,活塞桿直徑:d=20 mm。

氣壓缸的理論推力為:F推=πD2p/4=2 493 N

拉力為:F拉=π(D2-d2)p/4=2 241 N

計(jì)算知出口張力為:N=7 800 N

顯然4F推＞4F拉＞N,符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 氣缸活塞桿直徑的計(jì)算及校核

活塞桿的材料選用45號(hào)鋼。取氣缸活塞直徑為:d=20 mm。

3.3 氣缸活塞桿直徑強(qiáng)度校核

在合成革儲(chǔ)布機(jī)工作過(guò)程中氣缸需要承受較大的載荷,為了防止氣缸在工作過(guò)程中因?yàn)槭芰^(guò)大而受到損壞,對(duì)活塞氣缸進(jìn)行強(qiáng)度校核?；钊麠U為45號(hào)鋼,σs=410 MPa,取安全系數(shù)n=8,所以活塞桿材料的許用應(yīng)力為:

將活塞桿材料許用應(yīng)力[σ]代入公式:

因氣壓缸活塞桿為小柔度桿,氣壓缸活塞桿的穩(wěn)定性,應(yīng)按強(qiáng)度問(wèn)題計(jì)算。綜上,氣缸活塞桿滿足要求。根據(jù)上述計(jì)算,可選擇氣缸型號(hào)為:MBBφ12TN-50-Z73。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)合成革儲(chǔ)布機(jī)結(jié)構(gòu)的不足進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)氣動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),對(duì)導(dǎo)布輥的性能影響的因素進(jìn)行了分析,并依據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了導(dǎo)布輥結(jié)構(gòu)、氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及試運(yùn)行該設(shè)計(jì)方案可靠,在產(chǎn)品試制,設(shè)備改進(jìn)等方面,

為研究同類設(shè)備提供依據(jù)。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第五版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[2] 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 王積偉,章宏甲,黃 誼.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

Design for the Synthetic Leather Cloth Storage Machine

GU Xiao-mei1,2,ZHAI Jian2
(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China; 2.Qingdao Binhai University,Qingdao Shandong 266555,China)

Synthetic leather cloth storage machine is designed mainly for cloth storage process of the textile production.By the design of frame,fabric guide roller,mechanical transmission device,pneumatic device and PLC control,it not only can protect of the quality of synthetic leather and improve the rolling efficiency,but also has important practical value for application and popularization in trial production,experimental analysis,improvement design of the equipments.

synthetic leather cloth storage machine;design;fabric guide roller

TH12

A

1007-4414(2015)05-0129-05

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.045

2015-09-14

谷曉妹(1978-),女,山東威海人,講師,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。