王 莉

(山東鋼鐵股份萊鋼棒材廠，山東271200)

Keywords：Sliding spiral structure; self-locking structure; sizing machine

萊鋼棒材廠小型車(chē)間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹(shù)脂錨桿鋼筋為主要產(chǎn)品的棒材生產(chǎn)線，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要隨時(shí)將成品倍尺鋼材剪切成市場(chǎng)所需的不同長(zhǎng)度的定尺鋼材，這就要求定尺機(jī)定尺精度高，調(diào)節(jié)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

為滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，車(chē)間根據(jù)滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高、軸向載荷大及具備自鎖緊功能的特點(diǎn)，結(jié)合氣動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)，研發(fā)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便的“滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)”。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)總裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)采用2.1 kW電機(jī)做動(dòng)力源，由i=48.57減速機(jī)拖動(dòng)滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)螺桿旋轉(zhuǎn)，來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給工作臺(tái)做往復(fù)軸向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。定尺擋板安裝在進(jìn)給工作臺(tái)上，由氣缸帶動(dòng)配合剪切機(jī)的定尺剪切動(dòng)作。

進(jìn)給工作臺(tái)采用了滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力源的徑向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)進(jìn)給工作臺(tái)的軸向位移，以調(diào)換不同規(guī)格的擋板定尺。自動(dòng)升降活動(dòng)擋板由氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)給工作臺(tái)上做徑向垂直升降運(yùn)動(dòng)，使下卸鋼輸送輥道上的倍尺材剪切定位，在剪切完后，將定尺材輸送到后整理收集平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1—?dú)飧?2—升降活動(dòng)擋板 3—進(jìn)給工作臺(tái) 4—滑動(dòng)螺旋螺母 5—滑動(dòng)螺旋絲杠 6—徑向剖分式滑動(dòng)軸承座 7—滑軌 8—導(dǎo)向輪 9—輸送輥道

1—滑軌 2—導(dǎo)向輪 3—滑動(dòng)螺旋絲杠 4—滑動(dòng)螺旋螺母 5—滑動(dòng)軸承座 6—減速機(jī)(JZQ350-48.57) 7—電機(jī)(JG2D251-10-2.1 kW)

剪切后的成排鋼筋需要從定尺輥道平移到收集平臺(tái)上，定尺機(jī)還必須采用懸臂式結(jié)構(gòu)縱向跨越平托輸送輥道。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且噪音小、旋合精度高、傳動(dòng)比大，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周螺母前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程，因此電機(jī)采用較小的功率扭矩，便可以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到很大的軸向推力，特別是當(dāng)螺旋副設(shè)計(jì)的螺旋線螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的“自鎖緊”，尤其適用于定尺機(jī)，既要求機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位，又承受大軸向水平?jīng)_擊載荷的工況。

考慮滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)的效率，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，在螺旋副牙型設(shè)計(jì)上我們采用30°牙型角梯形螺紋。這種螺紋可承受雙軸向載荷，牙底強(qiáng)度高，螺紋對(duì)中性好，不易晃動(dòng)，磨損后間隙可以得到適當(dāng)補(bǔ)償，特別是其牙型設(shè)計(jì)基本已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的機(jī)械加工工藝性能，容易保證螺旋副的加工制造精度。梯形螺紋牙型尺寸參見(jiàn)GB/T 5796.3—2005《梯型螺紋 第3部分 基本尺寸》。梯形螺紋的缺點(diǎn)是滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)效率較低，摩擦阻力大，容易磨損，由于更換定尺時(shí)為間歇的非工作狀態(tài)，進(jìn)給工作臺(tái)響應(yīng)時(shí)間短，軸向位移相對(duì)較小，原動(dòng)機(jī)動(dòng)力源輸出功率小(功率為2.1 kW)，轉(zhuǎn)速低，傳動(dòng)絲杠只做雙向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，因此使用滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

3 滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇及校核

3.1 最大沖擊載荷計(jì)算

車(chē)間加工最大直徑為?22 mm的左旋錨桿鋼，冷床倍尺為45 m，下卸鋼一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸鋼輸送輥道所輸送的鋼材最大質(zhì)量為：

3.14×(11×10-3)2×45×7.8×103×24=3200 kg

下卸鋼輸送輥道輥身直徑為?250 mm，所配B型皮帶輪節(jié)圓直徑為?210 mm，輥道電機(jī)轉(zhuǎn)速為550 rpm，電機(jī)所配皮帶輪節(jié)圓直徑為?126 mm，輥道機(jī)構(gòu)傳動(dòng)速比為210/126=1.66，輥道轉(zhuǎn)速為550/1.66=330 rpm，因此下卸鋼輥道輥身線速度(即倍尺材在輸送輥道中線速度)為：

3.14×330×250÷(60×1000)=4.3 m/s

定尺機(jī)在工作狀態(tài)下，活動(dòng)擋板在重力作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，質(zhì)量為3200 kg的鋼材以4.3 m/s的初速度撞擊輸送輥道上的活動(dòng)擋板，配合冷剪進(jìn)行定尺剪切。撞擊作用的時(shí)間很短，鋼材在0.01 s時(shí)間內(nèi)速度由4.3 m/s降為0，由動(dòng)量定理可知，作用在定尺機(jī)上的沖擊載荷為：

F=(Pt-P0)/t=-1376 kN

3.2 螺桿的抗壓穩(wěn)定性校核

長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿在承受大軸向力時(shí)容易失穩(wěn)，應(yīng)根據(jù)材料力學(xué)的穩(wěn)定性公式校核，

Fc/F≥[S]=2.5～4

式中，F(xiàn)c為螺桿的臨界載荷，F(xiàn)為作用于螺桿上的軸向載荷，[S]為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)。通過(guò)動(dòng)量定理計(jì)算，最大軸向載荷為1376 kN。

傳動(dòng)絲杠采用滑動(dòng)軸承兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)查得受壓螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)為μ=0.5，螺桿危險(xiǎn)斷面慣性半徑為i=d1/4=35.5 mm，受壓螺桿的計(jì)算長(zhǎng)度取進(jìn)給工作臺(tái)螺母最短極限定尺位置時(shí)螺母寬度中心線到螺桿最大行程位置的距離5390-268/2=5256 mm。

由以上參數(shù)可知受壓螺桿的柔度為：

λ=μl/i=0.5×5256/35.5=74

對(duì)淬火鋼，λ<85時(shí)，螺桿的臨界載荷為：

實(shí)際螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)[S]=Fc/F=3701.834/1376=2.69>2.5，符合螺桿穩(wěn)定性要求，該螺旋機(jī)構(gòu)具備可靠的抗壓穩(wěn)定性能。

3.3 螺母牙型的強(qiáng)度校核

對(duì)于傳力螺旋，由于螺母材質(zhì)的強(qiáng)度小于螺桿，因此只對(duì)螺母的牙型進(jìn)行剪切強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的校核。

對(duì)于青銅材質(zhì)，許用剪切強(qiáng)度[τ]=40 MPa，許用彎曲強(qiáng)度[σ]b=60 MPa，梯形螺紋牙根寬度b=0.65P=0.65×16=10.4 mm，螺母厚度H=268 mm，螺紋的旋合圈數(shù)為Z=H/P=268/16=16，外螺紋大徑d=160 mm，中徑d2=152 mm。

剪切強(qiáng)度校核為：

τ<[τ]符合剪切強(qiáng)度要求。

彎曲強(qiáng)度校核為：

σb<[σ]b符合彎曲強(qiáng)度要求。

3.4 螺旋副自鎖能力校核

在工作狀態(tài)下，滑動(dòng)螺旋定尺機(jī)要承受1376 kN的軸向沖擊載荷，防止活動(dòng)擋板在沖擊載荷作用下滑移而影響定尺精度，要求對(duì)螺旋副的自鎖性進(jìn)行校核。有自鎖能力要求的滑動(dòng)螺旋副必須滿(mǎn)足螺旋線螺紋升角小于等于當(dāng)量摩擦角，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保螺旋自鎖的可靠性，取ψ≤ρ-1°。

定尺機(jī)螺旋副設(shè)計(jì)使用的是梯形螺紋，Tr160×16，外螺紋大徑d=160 mm，中徑d2=152 mm，小徑d1=142 mm，螺距p=16 mm，導(dǎo)程s=pn=16×1=16 mm(采用單頭螺旋線設(shè)計(jì))，牙型角α=30°，淬火鋼螺桿與青銅螺母配合的摩擦系數(shù)取f=0.08。由以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知：

螺旋線的螺紋升角為：

螺旋線的當(dāng)量摩擦角為：

由于1.92°≤4.73°-1°=3.73°，螺旋線的螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角，所以該螺旋機(jī)構(gòu)具備可靠的自鎖性能。

3.5 進(jìn)給工作臺(tái)抗彎剛度校核

進(jìn)給工作臺(tái)是機(jī)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，實(shí)際工作中作用在升降活動(dòng)擋板上的沖擊載荷F=1376 kN，沖擊載荷經(jīng)傳遞后全部作用在“懸臂進(jìn)給工作臺(tái)”上，工作臺(tái)的撓曲變形對(duì)定尺機(jī)的定尺精度會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此需要對(duì)進(jìn)給工作臺(tái)進(jìn)行抗彎剛度校核。進(jìn)給工作臺(tái)是采用δ=20 mm的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼拼焊而成的(橫截面為270 mm×190 mm×20 mm)箱梁型懸臂構(gòu)件，借助計(jì)算機(jī)CAD制圖軟件橫截面對(duì)中性軸的慣性矩Iz=89 640 014.7 mm4，碳鋼的彈性模量E=200～220 GPa之間，取E=210 GPa(E=210×103MPa)，則構(gòu)件的截面抗彎剛度為：

EI=210×103×89 640 014.7=1.88×1013

建立力學(xué)模型，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成材料力學(xué)中簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，則進(jìn)給工作臺(tái)上的最大撓曲變形為：

在實(shí)際工作過(guò)程中要求成品材定尺剪切后的長(zhǎng)度誤差在50 mm以?xún)?nèi)，8 mm<50 mm，因此進(jìn)給工作臺(tái)的撓曲變形符合使用要求。

3.6 螺旋副配合公差的選用

國(guó)標(biāo)GB/T 5796.3—2005對(duì)梯形螺紋規(guī)定了中等與粗糙兩種精度等級(jí)，而且內(nèi)螺紋的各直徑都規(guī)定采用基本偏差即下偏差EI=0的H公差帶，為了控制機(jī)加工過(guò)程中螺紋牙型的累積誤差，在充分考慮到裝配及機(jī)加工工藝性的基礎(chǔ)上，我們對(duì)內(nèi)螺紋的中經(jīng)及頂徑選用高精度等級(jí)的7H公差帶，外螺紋中徑選用基本偏差即上偏差為負(fù)的8e公差帶，考慮到現(xiàn)場(chǎng)定尺機(jī)對(duì)螺旋副配合間隙誤差的敏感性及載荷分布的均勻性，在旋合長(zhǎng)度選擇上我們采用了L=268 mm>265 mm的加長(zhǎng)組，并選用優(yōu)選螺距16 mm。因此內(nèi)螺紋采用“Tr160×16-7H”，外螺紋采用“Tr160×16-8e-L”，螺紋副配合為 “Tr160×16-7H/8e”。

4 零件設(shè)計(jì)及制造

4.1 主傳動(dòng)絲杠

進(jìn)給工作臺(tái)的主傳動(dòng)絲杠做為傳力螺桿，是一種細(xì)長(zhǎng)的桿狀零件，其長(zhǎng)徑比較大，承受大沖擊載荷，極易出現(xiàn)受壓失穩(wěn)、撓曲變形的問(wèn)題。考慮到螺桿的抗壓失穩(wěn)性，螺桿的總長(zhǎng)設(shè)計(jì)不超過(guò)螺紋副公稱(chēng)直徑的20～50倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需調(diào)整定尺長(zhǎng)度，主傳動(dòng)絲杠Tr160的螺紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5390 mm，5390/160=33.6<50，符合GB/T 5796.3—2005機(jī)械設(shè)計(jì)要求。材質(zhì)選用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi，并采用滲碳淬火處理的熱處理工藝(45～50 HRC)，主傳動(dòng)絲杠零件圖如圖3所示。

4.2 滑動(dòng)螺旋螺母

由于滑動(dòng)螺旋副存在較大的摩擦轉(zhuǎn)矩，螺紋副易出現(xiàn)過(guò)快磨損，因此對(duì)螺母材質(zhì)的力學(xué)性能及機(jī)加工工藝性能有一定的要求。為了抗膠合磨損，螺母不能與傳動(dòng)絲杠選用相同的材質(zhì)，傳動(dòng)絲杠選用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi，螺母材質(zhì)必須摩擦系數(shù)低，減磨性和耐磨性好，同時(shí)具備一定的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。此定尺機(jī)的螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3材質(zhì)。這種材質(zhì)摩擦系數(shù)低，減磨性好，耐磨性高，而且具有足夠的抗壓疲勞強(qiáng)度。由于其具備硬度低、彈性模量小的特點(diǎn)。因此其磨合性、順應(yīng)性較好，對(duì)零配件的安裝同軸度誤差及加工幾何形狀誤差不太敏感，尤其適宜于低速重載及偏載的使用工況。但在承受重沖擊變載荷時(shí)存在黏著傾向，因此對(duì)其配合的軸頸表面硬度、光潔度、機(jī)械加工精度要求較高，傳動(dòng)絲杠必須進(jìn)行滲碳淬火處理(45～50 HRC)，螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3，螺母零件圖如圖4所示。

圖3 主傳動(dòng)絲杠零件圖Figure 3 Drawing of main drive screw

圖4 螺母零件圖Figure 4 Part drawing of nut

圖5 進(jìn)給工作臺(tái)Figure 5 Feed table

4.3 懸臂式進(jìn)給工作臺(tái)和導(dǎo)向輪

進(jìn)給工作臺(tái)采用δ=20 mm的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼拼焊成箱體結(jié)構(gòu)，懸臂布置。兩側(cè)承重板構(gòu)成的空腔放置滑動(dòng)螺旋的螺母，并用螺栓與其雙側(cè)固定。進(jìn)給工作臺(tái)如圖5所示。為了降低進(jìn)給工作臺(tái)軸向位移調(diào)整時(shí)的摩擦阻力，提高設(shè)備的機(jī)械效率，防止工作臺(tái)隨著傳動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)改善由于懸臂布置引起的局部偏載、受力惡化的工況，在進(jìn)給工作臺(tái)的端部放置從動(dòng)導(dǎo)向輪組，并與固定在地面的滑軌相接觸。

從動(dòng)導(dǎo)向輪所起的主要作用是在定尺擋板的調(diào)整過(guò)程中把系統(tǒng)與地面的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率損耗，使調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活自如，縮短調(diào)整機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，并分擔(dān)進(jìn)給工作臺(tái)與升降活動(dòng)擋板作用在兩側(cè)滑動(dòng)軸承及螺旋副內(nèi)部的部分重量，改善受力分布，降低傳動(dòng)絲杠的撓性變形，導(dǎo)向輪裝配圖如圖6所示。

4.4 主傳動(dòng)絲杠定位軸承座

主傳動(dòng)絲杠定位軸承座采用滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)軸向結(jié)構(gòu)緊湊，軸承承載力大，壽命長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)精度高，適宜于低速重載工況。軸承座采用ZG45材質(zhì)，剖分面設(shè)計(jì)成臺(tái)階結(jié)構(gòu)，防止工作過(guò)程中軸承座及軸承蓋相互錯(cuò)位，軸承磨損后可通過(guò)調(diào)整剖分面處的墊片調(diào)整軸承間隙，軸承座如圖7所示。

圖6 導(dǎo)向輪裝配圖Figure 6 Assembly drawing of guiding wheel

滑動(dòng)軸承座的軸瓦采用剖分式軸瓦設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，考慮到滑動(dòng)軸承的磨合性、順應(yīng)性、嵌藏性，我們采用了低硬度、高塑性、小彈性模量的鉛青銅ZCuPb30，這種材質(zhì)硬度低，磨合性好，特別適宜于沖擊載荷及變載荷的工況，尤其是高溫時(shí)析出的鉛可以起到摩擦潤(rùn)滑的作用。為了配合摩擦面充分潤(rùn)滑，在上軸瓦頂部(軸孔配合的最大間隙處)鉆油孔，內(nèi)壁開(kāi)徑向、周向潤(rùn)滑油槽，下軸瓦底部油膜承載區(qū)配定位銷(xiāo)，上下軸瓦如圖8所示。

圖7 軸承座Figure 7 Bearing chock

軸承座與軸瓦裝配后，由定尺材撞擊所產(chǎn)生的沖擊載荷直接作用在升降活動(dòng)擋板上，由擋板前側(cè)的承重板傳遞給進(jìn)給工作臺(tái)的螺母，再通過(guò)傳動(dòng)絲杠的受力軸臺(tái)傳遞給軸承座，因此最終的軸向沖擊載荷全部作用于兩個(gè)軸承座上，軸承座絲杠裝配圖如圖9所示。

4.5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

活動(dòng)擋板的升降采用氣動(dòng)控制，由上游的AC5000氣動(dòng)三聯(lián)件提供凈化后的潔凈、干燥、穩(wěn)定的氣源，壓縮空氣經(jīng)三聯(lián)件的減壓閥后穩(wěn)定在0.5 MPa，對(duì)外輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用24 V直流電控2位3通氣動(dòng)電磁換向閥(K23JD-25)控制一臺(tái)單作用拉桿活塞缸。三通電磁換向閥只有P、T、A共3個(gè)外接口，單作用氣缸的無(wú)桿腔始終與電磁換向閥的工作A口相接。工作位時(shí)電磁線圈通電，換向閥的工作口A與氣源P口相通，氣缸獲得穩(wěn)定壓力，壓縮空氣向上升起，活動(dòng)擋板打開(kāi)，與輸送輥道分離，剪切后的成品定尺材通過(guò)定尺機(jī)由輸送輥道運(yùn)送至驗(yàn)貨臺(tái)進(jìn)行打捆、包裝。常態(tài)位時(shí)，電磁線圈失電，換向閥的工作口A與排氣腔T口相通，氣缸無(wú)桿腔內(nèi)的壓縮空氣排空，活動(dòng)擋板在重力作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，并配合冷剪進(jìn)行定尺剪切。由于使用了三通閥，活動(dòng)擋板的回程完全靠作用在氣缸上的自重，為了控制活動(dòng)擋板下落的速度，避免因速度失控而引發(fā)的沖擊載荷，必須采用平衡回路控制，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在三通閥的T口加裝一個(gè)節(jié)流球閥作為回程腔背壓閥，通過(guò)主閥芯通流斷面的調(diào)整，使氣缸回程時(shí)，無(wú)桿腔產(chǎn)生0.25 MPa左右的背壓，減緩活動(dòng)擋板的下落速度，避免作用在輥道上的沖擊載荷，氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖10所示。

圖8 上下軸瓦Figure 8 Upper and lower axle bush

圖9 軸承座絲杠裝配圖Figure 9 Assembly drawing of bearing chock screw

圖10 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Figure 10 Schematic diagram of pneumatic system

5 結(jié)論

相對(duì)傳統(tǒng)定尺機(jī)，采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)的定尺機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，調(diào)整方便，能自鎖緊，定尺精度有保證，適合于空間緊張的現(xiàn)場(chǎng)使用，具有推廣價(jià)值。

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