劉聯(lián)超+黃輝+張卓

摘 要：目前在我國不銹鋼棒料回收領(lǐng)域并沒有專門的提升翻轉(zhuǎn)裝置，該項(xiàng)目主要針對這種情況，以及不銹鋼棒料回收時所處的特殊工作環(huán)境及功能需要，設(shè)計(jì)出新型可靠的提升翻轉(zhuǎn)裝置，該裝置通過上下軌道的形狀配合，將棒料豎直裝入料倉后提升翻轉(zhuǎn)至水平剪切口。同時本項(xiàng)目對關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和設(shè)計(jì)，如防墜器、推送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究等。最后制作了演示動畫和實(shí)物模型對該項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證和展示。

關(guān)鍵詞：提升翻轉(zhuǎn)；防墜器；推送機(jī)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.239

1 項(xiàng)目背景及意義

提升、翻轉(zhuǎn)設(shè)備我國可以自主研究設(shè)計(jì)和建造，但是在重要不銹鋼棒料的回收處理領(lǐng)域，并沒有專門的提升翻轉(zhuǎn)設(shè)備，可以說幾乎一片空白。我國目前采用的提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多為兩部分，通過提升裝置把不銹鋼棒料提升起來后翻轉(zhuǎn)裝置再負(fù)責(zé)翻轉(zhuǎn)，這樣會降低工作效率，而且涉及到的智能化控制更加復(fù)雜，裝置的穩(wěn)定性也就會存在一定問題。

該項(xiàng)目所研究設(shè)計(jì)的提升翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將提升和翻轉(zhuǎn)有機(jī)的結(jié)合在了一起，使提升翻轉(zhuǎn)通過同一個裝置就可以實(shí)現(xiàn)，從而大大的提高了工作效率。而且該裝置智能化控制較少，機(jī)械化操作更加簡單便捷，還巧妙的用到了料倉搬運(yùn)，使棒料在提升翻轉(zhuǎn)過程中不會掉落，更好的保證了棒料的完整性，也體現(xiàn)出了該裝置的穩(wěn)定性、安全性和可靠。該裝置是適應(yīng)目前不銹鋼棒料預(yù)處理過程中的剪切過程，它的成功研制為廢料回收過程可以積累經(jīng)驗(yàn)，對非不銹鋼棒料循環(huán)利用的研究也具有重大意義，促進(jìn)了相關(guān)方面技術(shù)的發(fā)展。

2 研究內(nèi)容

本文針對于我國沒有自主研制的先進(jìn)棒料處理設(shè)備的現(xiàn)狀，開展自動剪切機(jī)上不銹鋼棒料提升翻轉(zhuǎn)裝置研究。研制了一種將棒料提升翻轉(zhuǎn)至水平工位的提升翻轉(zhuǎn)裝置。其工作狀態(tài)如下：小車進(jìn)入翻轉(zhuǎn)軌道時，拉力繩提升動力和芯軸的作用下會使得不銹鋼棒料傾斜，最終與提升機(jī)通道平行。當(dāng)棒料到達(dá)行程頂端時，棒料停在水平位置后鎖定，推出棒料，完成整個提升翻轉(zhuǎn)動作。

該裝置由運(yùn)送棒料的料倉，小車，導(dǎo)軌，防墜裝置，推送機(jī)構(gòu)以及其他裝置等構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)將棒料平穩(wěn)地運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)的功能。本項(xiàng)目主要研究三個方面，分別是總方案的設(shè)計(jì)，裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，及突發(fā)狀態(tài)的應(yīng)對。

2.1 總方案的設(shè)計(jì)

與其他普通棒料處理環(huán)境不同，本文設(shè)計(jì)的不銹鋼棒料提升翻轉(zhuǎn)裝置需要高標(biāo)準(zhǔn)的污染密封屏蔽性和安全可靠性。由于高污染、人員無法入內(nèi)等特殊的工作環(huán)境，提升翻轉(zhuǎn)裝置工作時需要滿足高精度，安全可靠，啟停反應(yīng)迅速等要求，當(dāng)裝置工作出現(xiàn)意外情況時能得到及時有效的控制，同時提升翻轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動部件和易損部件需要采用模塊化設(shè)計(jì)，滿足遠(yuǎn)距離拆裝和更換的要求。根據(jù)以上要求以及提升翻轉(zhuǎn)裝置的功能需求提出了以下方案：提升翻轉(zhuǎn)裝置主要由小車、料倉、軌道、防墜器、推送機(jī)構(gòu)等組成。

主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

提升翻轉(zhuǎn)裝置能實(shí)現(xiàn)將棒料豎直裝入小車，小車平穩(wěn)上升，棒料被平穩(wěn)放置水平，小車穩(wěn)定固定再取出棒料，并最終實(shí)現(xiàn)將棒料平穩(wěn)地運(yùn)送到指定地點(diǎn)的功能。

相關(guān)原理如下：鋼索與小車相連，小車和料倉用芯軸連接，料倉首尾端連線與軌道的夾角由料倉托架上特殊的設(shè)計(jì)部件與軌道接觸來控制。軌道由兩端的圓弧軌道與中間的平直軌道連接構(gòu)成。軌道兩端的圓弧軌道的作用是連續(xù)改變小車與水平面的夾角，達(dá)到讓料倉由豎直到傾斜，再由傾斜到水平的角度改變目的。料倉上端開口無遮蓋裝置，當(dāng)裝置運(yùn)行時，棒料從料倉上端裝入，運(yùn)送到指定地點(diǎn)后（料倉已經(jīng)處于水平狀態(tài)），料倉后端端開有小通孔，此時需要一推送裝置經(jīng)小孔將棒料平緩?fù)瞥隽蟼}，使棒料進(jìn)入剪切口，因此需要推送裝置的設(shè)計(jì)。由于該裝置所處的環(huán)境的危險(xiǎn)性與污染性（不能使用液壓和傳感器），還需要考慮安全防墜裝置（機(jī)械式）的設(shè)計(jì)，所以在鋼索與小車之間又設(shè)計(jì)了防墜裝置—防墜器，防止料倉因鋼索突然斷裂而下降產(chǎn)生振動，從而帶來輻射污染。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)的確定

棒料提升翻轉(zhuǎn)裝置的小車、軌道、料倉、防墜器、推送機(jī)構(gòu)等部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)功能需要，將小車和料倉設(shè)計(jì)為長條形狀，與棒料結(jié)構(gòu)類似，而軌道根據(jù)剪切口高度和棒料存放處的位置，進(jìn)行布置，以達(dá)到裝置穩(wěn)定運(yùn)行合理和穩(wěn)定的目的。

2.3 突發(fā)情況的應(yīng)對

考慮到在棒料提升翻轉(zhuǎn)規(guī)程中，可能會出現(xiàn)鋼索斷裂，輪子脫軌、棒料掉落或者沒有被推送進(jìn)街切口，需要根據(jù)不同情況設(shè)計(jì)出相關(guān)結(jié)構(gòu)，保證棒料運(yùn)送過程的平穩(wěn)和可靠。

（1）輪子脫軌，說明需要改進(jìn)軌道的形狀保證運(yùn)送過程的可靠；

（2）鋼索斷裂，很有可能會造成棒料振動或者掉下，需要防墜裝置保證其不會掉落；

（3）當(dāng)棒料被運(yùn)送到剪切口時，需要將棒料推送進(jìn)剪切口，推送結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也需要做相關(guān)設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 軌道

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的提升翻轉(zhuǎn)裝置是通過上下軌道的形狀配合來實(shí)現(xiàn)提升和翻轉(zhuǎn)同時進(jìn)行，上軌道為直軌道，下軌道為三段，通過圓弧軌道連接來限制輪子的運(yùn)動，從而達(dá)到改變料倉角度，并實(shí)現(xiàn)提升翻轉(zhuǎn)的功能。并且這種軌抱輪式的設(shè)計(jì)，使小車和料倉與軌道始終可靠的連接，相比類火車輪與軌道的輪抱軌式更加可靠，改變小車運(yùn)動的時候也不會出現(xiàn)脫軌。

3.2 防墜器

當(dāng)電機(jī)通過帶動鋼索來提升小車和料倉時，由于料倉內(nèi)棒料的自重，如果在提升翻轉(zhuǎn)過中出現(xiàn)鋼索斷開或者小車輪子被卡住等情況，為了防止棒料受到劇烈振動而產(chǎn)生高輻射，需要防墜裝置—防墜器來防止小車和料倉突然下滑。該防墜器采用類似自行車剎車片的結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼索斷開時，防墜器的剎車部件在力的作用下，剎車部件1發(fā)生形變伸出而卡住軌道，保護(hù)料倉內(nèi)的棒料不會突然下降而劇烈震動，從而實(shí)現(xiàn)了防墜的功能。

3.3 推送機(jī)構(gòu)

當(dāng)料倉到達(dá)水平剪切工位時，需要將棒料送出料倉，進(jìn)入剪切口，而該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的推送機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)這個功能。當(dāng)推桿從通孔進(jìn)入時，由于力的作用使夾板放松，推桿進(jìn)入，當(dāng)推桿需要退出時，帶動頂針使其伸出，從而頂開夾板，推桿順利退出，很好的將棒料送進(jìn)剪切口。該裝置由項(xiàng)目組自行研究設(shè)計(jì)，并申請了實(shí)用新型專利（已受理）。endprint

4 校核以及改進(jìn)

在提升翻轉(zhuǎn)過程中，料倉和小車的連接軸是變形與受力的主要部件，故有必要對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。通過計(jì)算，滿載時，連接軸受到52000N的力。根據(jù)連接軸的位置與支撐情況，對連接軸進(jìn)行靜應(yīng)力分析。分析軟件為SolidWorks。

假設(shè)：連接軸為連續(xù)彈性體，材料為合金鋼，連接軸的兩端分別受大小為26000N的支撐反力。在分析時，兩端被夾具固定，連接軸的中間受到52000N的通向均布載荷。

初始加載示意圖如下：

運(yùn)算完成后，結(jié)果如下：

結(jié)果分析：整個連接軸最大位移為0.242mm，最大應(yīng)力為496.6MPa

<620.422MPa，校核符合要求，正常工況下，該軸不會失效。

5 仿真與實(shí)物模型驗(yàn)證

作為新的機(jī)械設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否滿足功能要求，有必要對模型進(jìn)行仿真分析與實(shí)物模型分析。前面已經(jīng)對裝置的關(guān)鍵部位進(jìn)行了強(qiáng)度校核，本小節(jié)將結(jié)合實(shí)物模型，對設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，以更好的對裝置進(jìn)行改進(jìn)。

模型的實(shí)物模型安裝調(diào)試好后效果圖如圖10。

采用通過遙控模塊控制小車的上行下行，發(fā)現(xiàn)完全能實(shí)現(xiàn)提升翻轉(zhuǎn)過程，故本文模型設(shè)計(jì)較為合理，有一定的實(shí)踐指導(dǎo)價值。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的裝置通過上下軌道的形狀配合可實(shí)現(xiàn)提升和翻轉(zhuǎn)同時進(jìn)行，并且軌抱輪式的設(shè)計(jì)，使小車和料倉與軌道始終可靠連接、不脫軌。

（2）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的裝置主要為機(jī)械構(gòu)件，不依賴液壓系統(tǒng)、傳感器等，能適應(yīng)高溫高放射的各種惡劣工作環(huán)境。

（3）防墜器：自行研究設(shè)計(jì)（原創(chuàng)）的防墜器，剎車部件受力變形后卡在軌道內(nèi)，從而起到防墜功能。

（4）推送機(jī)構(gòu)：自行研究設(shè)計(jì)（原創(chuàng)）的推送機(jī)構(gòu)，能適應(yīng)倉內(nèi)推送的工作要求。

7 結(jié)語

本項(xiàng)目通過對不銹鋼棒料預(yù)處理過程的分析，設(shè)計(jì)出的提升翻轉(zhuǎn)裝置，可實(shí)現(xiàn)提升、翻轉(zhuǎn)過程同時進(jìn)行，能減少運(yùn)送、翻轉(zhuǎn)時間，對生產(chǎn)效率有較大提升作用。由于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的提升翻轉(zhuǎn)裝置是不銹鋼棒料整個剪切方案中預(yù)處理過程的核心裝置，對該裝置的研究能夠積累一定的污染環(huán)境下廢鋼回收裝置的研制經(jīng)驗(yàn)，并且對于非不銹鋼棒料回收處理系統(tǒng)的研究也具有重大的參考意義，這對工業(yè)生產(chǎn)材料的回收利用的研究有一定的促進(jìn)作用。

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