王興旺，焦龍

（牡丹江卷煙材料廠有限責(zé)任公司，黑龍江牡丹江157013）

0 引 言

螺旋輸送機(jī)構(gòu)是一種通過(guò)螺旋回轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料向前輸送的機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)，在礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械及自動(dòng)化生產(chǎn)線上具有廣泛應(yīng)用。由于螺旋機(jī)構(gòu)具有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的特性[1]，因此通過(guò)對(duì)螺旋鼓輪上螺旋葉片的直徑、螺距及鼓輪轉(zhuǎn)速等的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)在輸送過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行排列的功能。在三元加料復(fù)合濾棒的生產(chǎn)過(guò)程中，棒條在進(jìn)入加料裝置前，需要對(duì)料棒段進(jìn)行排列，使兩段料棒段間隔一定的距離。由于濾棒在生產(chǎn)過(guò)程中是動(dòng)態(tài)的，其沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，而螺旋輸送結(jié)構(gòu)恰好能為其提供水平方向的分速度。通過(guò)對(duì)螺旋鼓輪采用不等螺距設(shè)計(jì)又能對(duì)任意長(zhǎng)度料棒段按任意設(shè)定間距進(jìn)行排列，因此采用螺旋排列機(jī)構(gòu)無(wú)疑是最合適的。

1 螺旋輸送裝置的原理分析

螺旋輸送裝置通常是由一根帶動(dòng)螺旋鼓輪的轉(zhuǎn)軸和料筒組成，螺旋鼓輪上有螺旋葉片，料筒上有進(jìn)料口及出料口。工作時(shí)，物料從進(jìn)料口進(jìn)入，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)物料受到螺旋葉片法向推力的作用，該推力的徑向分力和葉片對(duì)物料的摩擦力，有可能帶著物料繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于物料本身的重力和料槽對(duì)物料的摩擦力的緣故，才不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，而在葉片法向推力的軸向分力的作用下沿軸線方向移動(dòng)[2]。

2 原有排列裝置存在不足

由于設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)年代原因，為嚴(yán)格保證螺旋鼓輪輸送速度與前車布帶速度保持一致，原有螺旋排列裝置采用齒輪傳動(dòng)。在更換生產(chǎn)規(guī)格時(shí)，更換螺旋鼓輪的同時(shí)有時(shí)還需要改變齒輪的傳動(dòng)速比。由于齒輪中心距固定，有時(shí)無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)齒輪通過(guò)齒輪變位的方式湊配到合適的速比，而非標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)的齒輪加工費(fèi)用高，加工周期長(zhǎng)，且在更換規(guī)格齒輪時(shí)操作復(fù)雜，工作量較大。原有排列裝置螺旋鼓輪螺旋葉片有效工作長(zhǎng)度較短，在生產(chǎn)速度較高時(shí)，其排列效果不理想，制約了設(shè)備生產(chǎn)速度的提高?；谝陨显颍瑢?duì)原有螺旋排列裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 螺旋排列裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋排列裝置基本結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)規(guī)格的快速更換，取消原有機(jī)構(gòu)的復(fù)雜齒輪傳動(dòng)。在進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，選用了伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)編碼器獲取主軸轉(zhuǎn)速，按設(shè)定好的電子齒輪速比與主軸轉(zhuǎn)速保持同步，通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)螺旋鼓片旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，螺旋排列裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)力輸入端為伺服電動(dòng)機(jī)1，伺服電動(dòng)機(jī)安裝于固定箱體3上。伺服電動(dòng)機(jī)1和被動(dòng)軸上均裝有齒形帶輪2、7。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒形帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給被動(dòng)軸9，齒形帶用張緊輪6張緊。被動(dòng)軸9由軸承支撐安裝于軸承座8上。螺旋鼓輪10安裝在被動(dòng)軸9上，端面緊靠被動(dòng)軸軸肩。被動(dòng)軸軸頭鉆有螺紋孔，鎖緊手柄前端為絲桿。旋緊鎖緊手柄5，鎖緊手柄推動(dòng)壓蓋4將螺旋鼓輪10壓緊在被動(dòng)軸9上。工作時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)與主機(jī)按設(shè)定速比同步，通過(guò)齒形帶輪2、7帶動(dòng)被動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)，被動(dòng)軸9帶動(dòng)螺旋鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)。料棒段由吸風(fēng)帶輸送至螺旋鼓輪入口處，料棒段兩側(cè)設(shè)有擋板，限制料棒段徑向移動(dòng)，螺旋鼓輪葉片內(nèi)壁緊貼料棒，使其只能沿軸線方向被螺旋葉片推動(dòng)向前輸送。進(jìn)入螺旋鼓輪后，由于沒(méi)有其他動(dòng)力源，料棒段在螺旋葉片的推動(dòng)下按設(shè)定好的螺距完成排列。螺旋葉片的水平輸送速度與前車布帶速度相同，料棒段在螺旋鼓輪中完成排列后，進(jìn)入布帶。生產(chǎn)時(shí)，螺旋鼓輪向布帶連續(xù)輸出與布帶速度相同的料棒。

圖1 螺旋排列裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 螺旋鼓輪螺距計(jì)算

由于螺旋鼓輪在出口處的排列間距可確定，因此先對(duì)出口處各條螺旋葉片的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。初設(shè)螺旋鼓輪上的螺旋葉片頭數(shù)為6，螺旋鼓輪最大外徑為D。復(fù)合濾棒結(jié)構(gòu)如圖2所示。螺旋鼓輪如圖3所示，在出口處需要對(duì)料棒段按設(shè)定好的距離進(jìn)行排列，螺旋鼓輪輸送速度需要與前車速度保持同步，以防止由于速度差引起料棒段產(chǎn)生竄動(dòng)，因此可求出出口段的第一條螺旋葉片的導(dǎo)程S1、S2，S1=S2。出口處螺旋葉片為2組共6條導(dǎo)程相等但螺距不等的螺旋葉片，因此可求得：第一條螺旋葉片螺距p1=l1+l2；第二條螺旋葉片螺距p2=l2+l3；其螺旋升角λ1=arctan[S1/(πD)]，λ1=λ2。 式中：p1為第一條螺旋葉片螺距；p2為第二條螺旋葉片螺距；l1為第一段料棒段長(zhǎng)度；l2為第一段加料段長(zhǎng)度；λ1為第一條螺旋葉片螺旋升角；λ2為第二條螺旋葉片螺旋升角。

料棒段由吸風(fēng)帶輸送至螺旋鼓輪入口處，吸風(fēng)帶水平速度大于螺旋鼓輪水平速度。由于料棒段在吸風(fēng)帶上間距較大，為方便料棒段的插入，并且還要保證與出口段螺旋葉片相接，因此需要對(duì)入口處螺旋葉片采取變螺距設(shè)計(jì)，即采用2組各3條導(dǎo)程不等的螺旋葉片，其中：第三條螺旋葉片與第二條螺旋葉片相接；第四條螺旋葉片與第二條螺旋葉片相接。為了避免受料棒段軸向竄動(dòng)的影響而導(dǎo)致料棒段進(jìn)入鼓輪受阻，增大了入口段螺旋葉片導(dǎo)程，設(shè)入口段的第三條螺旋葉片導(dǎo)程為S3。 其螺旋升角λ3=arctan[S3/(πD)]；其在螺旋鼓輪上的轉(zhuǎn)角φ3=2πL2/S3。 料棒段在吸風(fēng)帶上按等間距排列，由料斗傳動(dòng)速比及吸風(fēng)帶速度可求出兩段料棒段在吸風(fēng)帶上的間距為C，兩組螺旋葉片在入口處端面上的弧度分配為：

圖3 螺旋鼓輪結(jié)構(gòu)示意圖

入口段第三條螺旋葉片導(dǎo)程S3=2πL2/[φ1－ （θ1－ θ1′ ）]；其螺旋升角λ3=arctan [S3/(πD)]。 式中：S3為第三條螺旋葉片導(dǎo)程；λ3為第三條螺旋葉片螺旋升角；φ1為第三條螺旋葉片在鼓輪上的轉(zhuǎn)角；θ1為第一條螺旋葉片在端面上間隔的弧度；θ1′為第三條螺旋葉片在端面上間隔的弧度；θ2′為第三條螺旋葉片在端面上間隔的弧度；L2為導(dǎo)程變更線到出口端端面的軸向距離。

3.3 螺旋鼓輪的耐磨性計(jì)算

滑動(dòng)螺旋工作時(shí)，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向壓力的作用。其失效形式主要是螺紋線的磨損，因此，其基本結(jié)構(gòu)尺寸通常是根據(jù)耐磨性條件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。本文所述的螺旋鼓輪由于工作特性限制了其基本參數(shù)和參考原有結(jié)構(gòu)，因此只對(duì)設(shè)計(jì)完成后的螺旋鼓輪進(jìn)行校核?；瑒?dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算主要是限制螺旋工作面上的壓力P，其校核公式為

式中：F為螺旋鼓輪所受軸向力；P為螺旋葉片螺距；d2為螺旋葉片工作平面中徑；h為螺旋葉片工作高度；H為螺旋葉片工作長(zhǎng)度。

4 計(jì)算伺服電動(dòng)機(jī)與主機(jī)速比

已知主軸每轉(zhuǎn)1 r，刀盤(pán)轉(zhuǎn)0.5 r，分切一支濾棒。每只濾棒由4段料棒段及加料段組成，螺旋鼓輪頭數(shù)為6，因此可得主軸與伺服電動(dòng)機(jī)速比為3Z1/(2Z2)。 式中：Z1為伺服電動(dòng)機(jī)齒形帶輪齒數(shù)；Z2為被動(dòng)軸上齒形帶輪齒數(shù)。

5 改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

改進(jìn)后的螺旋排列裝置在更換生產(chǎn)規(guī)格時(shí)，不再需要更換傳動(dòng)齒輪，只需要按所生產(chǎn)規(guī)格計(jì)算設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)速比，并按所給計(jì)算過(guò)程重新設(shè)計(jì)加工螺旋鼓輪即可。生產(chǎn)規(guī)格的更換周期由之前的幾個(gè)工作日縮短到只需要幾個(gè)小時(shí)，提高了生產(chǎn)效率，降低了相關(guān)人員的工作強(qiáng)度，節(jié)省了更換規(guī)格時(shí)所需規(guī)格件的加工費(fèi)用。由于重新設(shè)計(jì)的螺旋鼓輪加長(zhǎng)了排列段及入口段的有效工作長(zhǎng)度，使得對(duì)料棒段的排列效果更加穩(wěn)定，所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量也有了顯著提高。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上方案設(shè)計(jì)的螺旋排列裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)整方便的特點(diǎn)。由于采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，取消了原有的復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)。在更換規(guī)格時(shí)只需更換螺旋鼓輪和重新設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)速比，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。改進(jìn)后的裝置現(xiàn)已用于三元加料復(fù)合濾棒的生產(chǎn)，將根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)其不斷進(jìn)行改進(jìn)。