姚良才

（上海言筑機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 201802）

隨著工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的不斷發(fā)展和升級(jí)，與其配套的智能輸送線也在不斷提高傳動(dòng)效率和輸送質(zhì)量。網(wǎng)帶輸送線作為輸送線中重要的組成成員，在食品、醫(yī)藥、包裝及化工等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于周而復(fù)始的運(yùn)轉(zhuǎn)，網(wǎng)帶輸送在承受平穩(wěn)交變載荷的作用下，其驅(qū)動(dòng)裝置的使用壽命具有十分重要的研究意義?；诠I(yè)科技背景，本文主要對(duì)網(wǎng)帶輸送線驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究，以提高輸送線的整體輸送效率和使用壽命。

通常來(lái)講，網(wǎng)帶輸送的傳送物料不受限，涵蓋食品、醫(yī)藥及化工等領(lǐng)域，具有龐大的輸送能力。輸送線布局具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，安裝拆卸十分靈活。它本身工作阻力小，制造簡(jiǎn)單，較皮帶和其他頂板鏈輸送具有更好的輸送可靠性和安全性。此外，它耗電少，通常約為皮帶或鏈板機(jī)耗電量的25%甚至更低。工作過(guò)程中，由于承載的物料與輸送網(wǎng)帶模塊同步傳送，因此具有非常小的接觸磨損，可有效防止網(wǎng)帶的破碎。目前，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低以及擁有其他輸送共有的特性，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外許多工廠類(lèi)企業(yè)[1]。

本文的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際上是網(wǎng)帶輸送機(jī)的心臟，隸屬輸送的核心動(dòng)力傳輸部件。驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝是否合理往往影響著網(wǎng)帶輸送的傳輸能力，也會(huì)影響輸送線的穩(wěn)定性和安全性。下面分別介紹2 種不同的網(wǎng)帶輸送設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)安裝結(jié)構(gòu)原理、安裝效率及傳動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 和Motion 運(yùn)動(dòng)仿真，最終完成所要提出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 網(wǎng)帶輸送安裝結(jié)構(gòu)組成分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際上是維持網(wǎng)帶輸送機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)力輸入源，而驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)為整個(gè)輸送系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，由電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)（部分配制動(dòng)器）及驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)組成。

網(wǎng)帶輸送機(jī)所用的電機(jī)，有三相異步電機(jī)、交直流伺服電機(jī)等。在有速度同步和精度要求的場(chǎng)合，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。在其他特殊場(chǎng)合使用時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)需要產(chǎn)生很大的扭矩，應(yīng)配置對(duì)應(yīng)的力矩電機(jī)。

聯(lián)軸器分為梅花形彈性聯(lián)軸器、偏心聯(lián)軸器、調(diào)心聯(lián)軸器、鏈輪聯(lián)軸器或十字滑塊聯(lián)軸器，具體可以根據(jù)實(shí)際工況和結(jié)構(gòu)來(lái)選擇。

網(wǎng)帶輸送機(jī)所配的減速機(jī)，通常有齒輪型和蝸輪蝸桿型等系列。齒輪型的傳動(dòng)效率高，但是它要求電機(jī)軸與輸送機(jī)軸平行，驅(qū)動(dòng)裝置占地寬度大，較適用于戶(hù)外大型惡劣工況。工廠內(nèi)部使用時(shí)需要空間盡量小，安裝維護(hù)方便，通常把電機(jī)布置在網(wǎng)帶輸送下面，以便后續(xù)的維護(hù)和更換。因此，本文使用蝸輪蝸桿型結(jié)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)依靠它與網(wǎng)帶模塊的摩擦力帶動(dòng)網(wǎng)帶輸送轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)撓性牽引構(gòu)件的摩擦傳動(dòng)理論，輸送帶與輪盤(pán)之間的最大摩擦力和卡持力同摩擦因數(shù)和包角成正比。因此，改善這兩項(xiàng)因素可提升牽引力。

基于對(duì)應(yīng)的工況和物料輸送要求，網(wǎng)帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可分單輪盤(pán)單驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雙輪盤(pán)單驅(qū)動(dòng)電機(jī)和雙輪盤(pán)雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。

2 安裝方式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2為一種用于輸送網(wǎng)帶的電機(jī)安裝機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)的左軸承側(cè)板和右軸承側(cè)板。左軸承側(cè)板的一側(cè)和右軸承側(cè)板的一側(cè)分別與鋁型材機(jī)身側(cè)板兩側(cè)連接。左軸承側(cè)板另一側(cè)和右軸承側(cè)板另一側(cè)的兩端通過(guò)網(wǎng)帶傳動(dòng)輪盤(pán)連接。左軸承側(cè)板的中間位置和右軸承側(cè)板的中間位置之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有網(wǎng)帶鏈輪，一端與網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接。為方便安裝，用于輸送網(wǎng)帶的電機(jī)安裝機(jī)構(gòu)，網(wǎng)帶傳動(dòng)輪盤(pán)的兩側(cè)設(shè)有用于限位的夾緊塊。

在網(wǎng)帶輸送的軸承支撐安裝上，左軸承側(cè)板的中間位置和右軸承側(cè)板的中間位置均固定有軸承。兩個(gè)軸承都采用頂絲固定。

在網(wǎng)帶輸送的驅(qū)動(dòng)裝置安裝上，鋁型材機(jī)身側(cè)板上有安裝槽。安裝槽內(nèi)設(shè)有位置可以移動(dòng)的螺母。左軸承側(cè)板和右軸承側(cè)板設(shè)于鋁型材機(jī)身側(cè)板上任意位置，并通過(guò)螺母固定連接。

和以往傳統(tǒng)的網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，便于調(diào)節(jié)，安裝制作省時(shí)省力，安裝位置可以自由調(diào)節(jié)。使用過(guò)程中，尤其是網(wǎng)帶與上下游其他廠家的設(shè)備銜接時(shí)，要避免電機(jī)位置不當(dāng)造成不必要的干涉，同時(shí)解決了傳統(tǒng)網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且安裝位置固定不動(dòng)無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

通常網(wǎng)帶輸送傳動(dòng)設(shè)計(jì)主要結(jié)合工廠工況和運(yùn)輸物料確定，這里不妨先假設(shè)輸送使用環(huán)境為醫(yī)藥企業(yè)，輸送物料無(wú)已包裝的藥盒，那么網(wǎng)帶輸送的輸送速度和功率等參數(shù)的計(jì)算步驟如下。

第一，類(lèi)型選擇。按照生產(chǎn)要求和需求，電動(dòng)機(jī)選擇Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)，防護(hù)等級(jí)選擇IP55。

第二，電動(dòng)機(jī)的容量和轉(zhuǎn)速等計(jì)算。查網(wǎng)帶輸送資料和相關(guān)表格：網(wǎng)帶輸送的材料選用白色POM 模塊鏈板，傳動(dòng)輪盤(pán)的材料選用增強(qiáng)尼龍，兩者之間的摩擦系數(shù)μ=0.15；鏈板傳動(dòng)、軸承、減速機(jī)傳動(dòng)、傳動(dòng)輪盤(pán)的傳動(dòng)效率分別為η1=0.98、η2=0.97、η3=0.96、η4=0.96[2]。

網(wǎng)帶和傳動(dòng)輪盤(pán)之間的摩擦力f為：

式中：摩擦系數(shù)μ=0.15；m為質(zhì)量，取40 kg；g為重力加速度，取10 m·s-2。將上述數(shù)值帶入式（1），有f=60 N。進(jìn)一步，可得到F牽引=f=60 N。

電機(jī)的總傳動(dòng)效率ηa為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（2），有ηa=0.752。

網(wǎng)帶的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度n為：

式中：v網(wǎng)帶為網(wǎng)帶鏈板的線速度，取值為25 m·s-1；D為傳動(dòng)輪直徑，取值為200 mm。將上述數(shù)據(jù)帶入式（3），有n=39.81 r·min-1。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度V線為：

式中：r為傳動(dòng)輪半徑，取值為100 mm。將上述數(shù)據(jù)帶入式（4），有V線=416.67 m·s-1。

電機(jī)的工作功率Pd和電機(jī)工作所需功率（指輸入工作軸的功率）Pw分別為：

式中：F為輸送帶主軸牽引力，N。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（5）和式（6），有Pd=0.033 kW和Pw=0.025 kW。

查表得蝸輪蝸桿減速機(jī)向軸式的傳動(dòng)比i為5 ～30，于是根據(jù)nd=ni，有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為199.05 ～1 592.40 r·min-1。

查相關(guān)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，可以不難選擇三相380 V 異步電機(jī)，選擇功率60 W 以上，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為1 400 r·min-1即可[3]。

4 SolidWorks 軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)

SolidWorks 為當(dāng)代工業(yè)設(shè)計(jì)軟件中三維輔助設(shè)計(jì)軟件的經(jīng)典軟件，參數(shù)化建模功能十分強(qiáng)大。在裝配體裝配、工程圖輸出以及動(dòng)畫(huà)仿真模擬等方面，它具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。操作者稍微通過(guò)學(xué)習(xí)即可完成動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和其他學(xué)科有限元分析，為目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)和從業(yè)者廣泛應(yīng)用的軟件。

Motion 是SolidWorks 內(nèi)部的自帶虛擬模型仿真插件。設(shè)計(jì)師先完成模型建立，然后完成模型干涉檢查。當(dāng)無(wú)干涉后，軟件可基于模型的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)兩個(gè)方面，通過(guò)內(nèi)部計(jì)算完成動(dòng)態(tài)仿真并進(jìn)行演示，如速度/加速度、作用力/力矩等都可以在軟件中呈現(xiàn)，并通過(guò)圖解結(jié)果給予反饋。

本文通過(guò)使用SolidWorks 對(duì)如圖3 所示的新型網(wǎng)帶輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。它采用自上而下的建模方式，具有更加直觀的概念體系。不僅便于設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)何處干涉或不合理，而且為車(chē)間安裝和客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)售后人員提供了極大的技術(shù)支持[4]。

為了輔助安裝，通常在SolildWorks 中先對(duì)已經(jīng)完成的裝配體完成給定線路的爆炸，形成各子零件之間的相互連接關(guān)系[5]，并更加清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。此外，通過(guò)視頻編譯還可以完成動(dòng)畫(huà)仿真輸出，如圖4 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)完成目前常見(jiàn)網(wǎng)帶輸送線的多種電機(jī)安裝方式分析，完成便于電機(jī)安裝的新型網(wǎng)帶輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立以機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)的計(jì)算設(shè)計(jì)，完成了網(wǎng)帶輸送線的電機(jī)功率、減速比及線速度的設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)建立模型，利用SolidWorks爆炸示意完成本次設(shè)計(jì)網(wǎng)帶輸送的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)分解和組裝任務(wù)，可為實(shí)際生產(chǎn)提供助益。