鄭雅如 張勇威 唐鴻洋 王洪卓 孫曉麗

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111003

1 設(shè)計(jì)背景

輥道是用來運(yùn)輸擠出后的型材的設(shè)備,將牽引機(jī)牽引出來的型材輸送至成品工作臺(tái),貫穿于整個(gè)擠壓機(jī)后部。輥道的運(yùn)輸狀況直接影響成品料的質(zhì)量,正確合理地設(shè)計(jì)輥道,對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。研究者們開展了相關(guān)研究。王飛[1]設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)型材自動(dòng)配送機(jī)構(gòu),從結(jié)構(gòu)及配送工藝展開分析,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)型材在碼垛包裝過程中的高效快捷配送。文獻(xiàn)[2-5]主要針對(duì)鏈?zhǔn)?、V型、螺旋式等不同形式輥道輸送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析,提供了全新的傳輸方式,具有一定的參考價(jià)值。李敬剛[6]對(duì)原輥道線平輥、立輥、動(dòng)力輥及其它部件進(jìn)行了重新優(yōu)化改造,既滿足了使用要求,又降低了加工、維修、使用成本。研究者們?cè)谳斔洼伒兰夹g(shù)方面同樣開展了研究。劉書芹[7]對(duì)圓管帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析,以自動(dòng)化控制技術(shù)、自動(dòng)糾偏技術(shù)、托輥組及輔助設(shè)備設(shè)計(jì)與布置技術(shù)、傳輸帶及傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置技術(shù)這幾方面為切入點(diǎn),旨在為圓管帶式輸送機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能提升提供參考。牛軍燕等[8]針對(duì)某選煤廠帶式輸送機(jī)的滾筒軸斷裂故障,確認(rèn)滾筒軸斷裂原因,為帶式輸送機(jī)滾筒軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了參考。徐洋洋[9]認(rèn)為對(duì)輸送輥?zhàn)詣?dòng)生產(chǎn)線裝備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究十分有必要,為后續(xù)控制系統(tǒng)研究提供理論借鑒。唐慎濤[10]從不同角度對(duì)冶金行業(yè)輥道輸送稱重裝置進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為輥道輸送結(jié)構(gòu)中稱重裝置研究提供了技術(shù)優(yōu)化方案。綜上所述,輥道設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸引起了研究者們的重視,是設(shè)備開發(fā)及改進(jìn)中的重要組成部分。筆者設(shè)計(jì)了一種鋁型材擠壓機(jī)輥道。

2 結(jié)構(gòu)形式

輥道分為導(dǎo)出輥道、出料輥道、鋸前輥道、鋸后輥道四種。筆者的公司主要設(shè)計(jì)優(yōu)化鋸前輥道,并已經(jīng)在工廠投入使用。鋸前輥道結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括毛氈滾筒、鏈條、上中下支架、前擋輥、鋁護(hù)板、鏈輪、油缸、減速機(jī)、立輥等結(jié)構(gòu)。

圖1 鋸前輥道結(jié)構(gòu)

2.1 毛氈滾筒

鋸前輥道中的毛氈滾筒如圖2所示,結(jié)構(gòu)形式與導(dǎo)出輥道中的一致,區(qū)別在于導(dǎo)出輥道每次僅運(yùn)輸一根型材,鋸前輥道則可以運(yùn)輸多根型材。通過鋸前輥道的鋁型材已經(jīng)經(jīng)過拉直機(jī)拉直和冷床平臺(tái),溫度要求比較低,一般選擇280 ℃即可,毛氈具有良好的耐磨性。

圖2 毛氈滾筒

2.2 鏈條

鏈條如圖3所示。鏈條傳動(dòng)具有高轉(zhuǎn)速、耐高溫和低噪聲等優(yōu)勢(shì)。由于鏈條傳動(dòng)的精度要求低,所以采用鏈條傳動(dòng)時(shí),鏈條強(qiáng)度只要選擇滿足最大拉力即可。

圖3 鏈條

2.3 上中下支架

上中下支架由角鋼焊接而成,如圖4所示。上中下支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,相對(duì)牢固,無需加工,節(jié)省成本。

圖4 上中下支架

2.4 前擋輥

前擋輥由氣缸控制,如圖5所示。當(dāng)型材由鋸前挑料平移至輥道上時(shí),電磁閥得電,輥道升起,氣缸彈出。前擋輥的結(jié)構(gòu)功能是防止圓形型材輥回挑料,避免影響生產(chǎn)節(jié)拍。

圖5 前擋輥

2.5 鋁護(hù)板

鋸前輥道鏈輪處安裝鋁護(hù)板,如圖6所示。安裝鋁護(hù)板的目的是防止鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)事件,當(dāng)人靠近時(shí)起到保護(hù)作用,同時(shí)起到提高整個(gè)設(shè)備美觀的作用。

圖6 鋁護(hù)板

2.6 鏈輪和減速機(jī)

鏈輪如圖7所示,減速機(jī)如圖8所示。鏈輪和減速機(jī)用于傳遞型材。由于沒有牽引機(jī)牽料,因此設(shè)計(jì)為動(dòng)力輥,根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)定減速機(jī)的轉(zhuǎn)速,根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)一步滿足生產(chǎn)要求。

圖7 鏈輪

圖8 減速機(jī)

2.7 油缸

油缸如圖9所示。油缸的一端焊接在下支架上,另一端焊接在中支架上,通過油缸的往復(fù)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)上支架的升降。剛開始上支架處于下降狀態(tài),等待來料,當(dāng)挑料把型材遷移到輥道上面時(shí),輥道升起,動(dòng)力電機(jī)作業(yè),把型材輸送到成品鋸下面,通過傳感器控制動(dòng)作和編碼器控制位置。整個(gè)過程由可編程序控制器控制,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn),提高了控制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖9 油缸

2.8 立輥

立輥?zhàn)饔门c前擋輥類似,如圖10所示。立輥能夠防止型材在輸送過程中撞到動(dòng)力裝置,進(jìn)而避免型材劃傷。立輥焊接在支架上,也可以采用電磁閥控制氣缸來實(shí)現(xiàn)。

圖10 立輥

3 鋸前輥道電機(jī)選擇

3.1 輥道靜力矩

輥道穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的靜力矩Mj為:

Mj=(Q+G1)μd/2+Qf

(1)

式中:Q為一個(gè)輥?zhàn)拥呢?fù)載力;G1為一個(gè)輥?zhàn)拥闹亓?μ為輥?zhàn)虞S承中的摩擦因數(shù);d為輥?zhàn)虞S頸直徑;f為型材在輥?zhàn)由系臐L動(dòng)摩擦因數(shù)。

根據(jù)參數(shù),計(jì)算得到輥道穩(wěn)定時(shí)的靜力矩Mj為13.7 N·m。

輥道的最大靜力矩Mmax為:

Mmax=(Q+G1)μd/2+Qμ1D/2

(2)

式中:μ1為輥?zhàn)哟蚧瑫r(shí)的滑動(dòng)摩擦因數(shù);D為輥?zhàn)拥闹睆健?/p>

根據(jù)參數(shù),計(jì)算出最大靜力矩Mmax為232.896 N·m。

綜上所述,可以計(jì)算得到電機(jī)額定力矩Me和最大力矩Memax:

3.2 雙鏈傳動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)傳動(dòng)鏈條牽引力

雙鏈傳動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)傳動(dòng)鏈條牽引力F為:

F=fWQ1Dr/d0

(3)

式中:Dr為傳動(dòng)輥?zhàn)拥闹睆?d0為傳動(dòng)輥?zhàn)拥逆溳喒?jié)圓直徑;Q1為傳動(dòng)因數(shù);W為一個(gè)傳動(dòng)輥?zhàn)拥挠?jì)算荷載。

根據(jù)參數(shù),計(jì)算得到雙鏈傳動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)傳動(dòng)鏈條牽引力F為1 928 N。

3.3 功率

傳動(dòng)輥?zhàn)虞S計(jì)算功率P0為:

P0=Fv(d0/Dr)/1 000

(4)

式中:v為輸送速度。

根據(jù)參數(shù),計(jì)算得到傳動(dòng)輥?zhàn)虞S計(jì)算功率P0為1.34 kW。

電機(jī)功率P為:

P=KP0/η1

(5)

式中:K為功率安全因數(shù),1.3;η1為驅(qū)動(dòng)裝置效率,0.7。

今天，香菜長(zhǎng)高了許多，已經(jīng)有五厘米長(zhǎng)了，并且穿著一身綠油油的衣服，葉子像個(gè)小手掌，在跟我招手。它們向著陽(yáng)光，好像在吸收“日月精華”。它們真有趣！

根據(jù)參數(shù),計(jì)算得到電機(jī)功率P為2.49 kW。

因此電機(jī)功率取3 kW,轉(zhuǎn)速n為78 r/min。

綜上所述,鋸前輥道所選電機(jī)功率應(yīng)為3 kW,減速機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為76 r/min,扭矩為375 N·m。

4 強(qiáng)度校核

施加分布載荷時(shí)最大撓度如圖11所示。鋸前輥道上架橫梁槽鋼承載力最大,所以針對(duì)鋸前輥道上支架橫梁的槽鋼進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)上支架橫梁槽鋼施加分布載荷情況,參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),施加分布載荷時(shí)最大撓度f(wàn)max為:

圖11 施加分布載荷時(shí)最大撓度

(6)

式中:q為分布載荷;E為彈性模量;I為截面軸慣性矩。

槽鋼結(jié)構(gòu)尺寸如圖12所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,h為高度,b為腿寬度,d為腰厚度,t為平均腿厚度,r為內(nèi)圓弧半徑,r1為腿端圓弧半徑,W為截面系數(shù),i為慣性半徑,Z0為Y-Y與Y1-Y1軸線間距離。該產(chǎn)品所選槽鋼型號(hào)為12.6。通過對(duì)槽鋼進(jìn)行受力分析,選取X-X截面的慣性矩值為391 cm4。

圖12 槽鋼結(jié)構(gòu)尺寸

表1 槽鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)

最終計(jì)算結(jié)果,上支架橫梁槽鋼承載分布載荷時(shí)最大撓度f(wàn)max為0.337 mm。

根據(jù)上支架橫梁槽鋼施加集中載荷情況,施加集中載荷時(shí)最大撓度如13所示。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),施加集中載荷時(shí)最大撓度f(wàn)max為:

(7)

式中:P為集中載荷。

最終計(jì)算結(jié)果,上支架橫梁槽鋼承載集中載荷時(shí)最大撓度f(wàn)max為0.534 mm。

圖13 施加集中載荷時(shí)最大撓度

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的附錄A,許用撓度計(jì)算結(jié)果為1.875 mm。

綜上所述,上支架橫梁槽鋼在施加分布載荷與集中載荷時(shí)的最大撓度均小于許用撓度,因此認(rèn)為上支架橫梁槽鋼的選取和設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求,具有一定的可行性。

5 實(shí)際應(yīng)用

鋸前輥道是放在成品鋸之前、拉直機(jī)之后的設(shè)備,將挑料輸送過來的型材,通過電機(jī)帶動(dòng)鏈輪,使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng),把型材輸送到成品鋸內(nèi)完成鋸切。設(shè)計(jì)開發(fā)的鋁型材擠壓機(jī)鋸前輥道設(shè)備已經(jīng)在工廠投入生產(chǎn)及應(yīng)用,通過實(shí)際應(yīng)用,再次驗(yàn)證了產(chǎn)品的可行性,應(yīng)用場(chǎng)景如圖14所示。

圖14 設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景

6 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代工廠生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)中,擠壓機(jī)輥道設(shè)計(jì)開發(fā)引起了廣泛的重視。筆者設(shè)計(jì)的鋁型材擠壓機(jī)鋸前輥道設(shè)備,可以根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行定制,具有一定的靈活性。設(shè)備的耐磨性、強(qiáng)度、美觀性較高。采用耐磨性材料,降低了設(shè)備損耗,減少成本,并且促進(jìn)了各個(gè)擠壓工序的相互聯(lián)結(jié),從而實(shí)現(xiàn)操作機(jī)械化。這一設(shè)備在一定程度上改善了勞動(dòng)條件,提高了生產(chǎn)效率,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利的條件。