網(wǎng)片自動(dòng)矯平機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

肖艷春，李琳琳，韓靜粉，馬學(xué)為

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，天津 300130）

0 引言

網(wǎng)片矯平機(jī)是一種改善網(wǎng)片平直度的設(shè)備，而鋼絲網(wǎng)是建筑防裂、墻體保溫必備的建材。隨著工業(yè)的發(fā)展，鋼絲網(wǎng)應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，有過(guò)濾網(wǎng)，護(hù)欄網(wǎng)，不銹鋼篩網(wǎng)，印花網(wǎng)，裝飾網(wǎng)以及用于材料內(nèi)的加強(qiáng)網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于化工、石油、印刷及建材等行業(yè)。隨著金屬絲網(wǎng)工業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)片質(zhì)量需要適應(yīng)目前高平直度網(wǎng)片（主要針對(duì)的是建材工業(yè)的需求）的短缺和使用量增加所帶來(lái)的矛盾。由于高平直度網(wǎng)片的短缺，鈑金加工企業(yè)要想獲得良好的平直度就需要根據(jù)最新的矯平壓力和矯平理念對(duì)原料進(jìn)行矯平，以進(jìn)一步改善材料的質(zhì)量。然而目前我國(guó)的大部分廠家只專注于提高網(wǎng)片生產(chǎn)量，而對(duì)于專門矯平網(wǎng)片的機(jī)械[1]，在國(guó)內(nèi)幾乎是空白。論文針對(duì)這種狀況，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種全自動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了送料、矯平、出料的自動(dòng)化生產(chǎn)，有效地提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

1 總體布局設(shè)計(jì)

網(wǎng)片矯平機(jī)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[2]，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料，自動(dòng)矯平，自動(dòng)出料等功能，生產(chǎn)速度可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在整個(gè)工藝過(guò)程中，要求系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定，并且生產(chǎn)率高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，在借鑒現(xiàn)有技術(shù)與相關(guān)領(lǐng)域的成熟設(shè)備的基礎(chǔ)上機(jī)械部分運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行分析和改進(jìn)，提高生產(chǎn)線運(yùn)行的穩(wěn)定性和精度。

本次研究網(wǎng)片的厚度為0.8-1.4mm，形狀如圖1所示。

圖1 網(wǎng)片

通過(guò)對(duì)矯平工藝進(jìn)行研究，最終確定矯平機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要由四大模塊組成：輸送機(jī)構(gòu)、增壓定位機(jī)構(gòu)、矯平機(jī)構(gòu)及尾部機(jī)構(gòu)。

圖2 矯平機(jī)結(jié)構(gòu)

各功能模塊的工作流程如下：

首先網(wǎng)片被放置到輸送機(jī)構(gòu)1中，其次增壓定位機(jī)構(gòu)2對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行定位并輔助輸送機(jī)構(gòu)1運(yùn)送網(wǎng)片到矯平機(jī)構(gòu)3，矯平機(jī)構(gòu)3將網(wǎng)片導(dǎo)入內(nèi)部矯平輥系，以矯平網(wǎng)片，完成后，由尾部機(jī)構(gòu)4接收網(wǎng)片。

網(wǎng)片矯平機(jī)的各個(gè)模塊都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得各功能模塊之間可以通過(guò)傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)按排定的工藝流程有序的工作，協(xié)同完成預(yù)定的功能，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)三維圖，如圖3所示。

圖3 輸送機(jī)構(gòu)

工作時(shí)，安裝在機(jī)架1上的變頻電機(jī)2和減速器3啟動(dòng)后，帶動(dòng)鏈輪系4將動(dòng)力傳遞至輸送輥系5上，由輸送輥5帶動(dòng)網(wǎng)片前行至矯平機(jī)構(gòu)。

在送料過(guò)程中為防止網(wǎng)片掉入機(jī)架中或機(jī)架外，在輸送輥5間加防漏板6，在機(jī)架一側(cè)裝擋料片7，另一側(cè)由增壓定位機(jī)構(gòu)擋料。

輸送機(jī)構(gòu)要求送料速度是可調(diào)的，根據(jù)生產(chǎn)線的需求來(lái)調(diào)整速度，因此采用變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)連續(xù)動(dòng)作，保證送料的速度要求。

2.2 增壓定位機(jī)構(gòu)

增壓定位機(jī)構(gòu)是輸送機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)，分為定位機(jī)構(gòu)和增壓機(jī)構(gòu)。其中定位機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)要輸送的網(wǎng)片進(jìn)行定位，擺正其位置；增壓機(jī)構(gòu)是為了增大網(wǎng)片與輸送輥之間的摩擦力，以利于網(wǎng)片的輸送，其結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖4 增壓定位機(jī)構(gòu)

工作時(shí)，當(dāng)網(wǎng)片落到輸送輥上后，定位氣缸1伸出，帶動(dòng)推板2前進(jìn)至虛線位置，在推板2與擋料板8的共同作用下將網(wǎng)片調(diào)正，然后氣缸1縮回，等待調(diào)節(jié)下一個(gè)網(wǎng)片，完成一次循環(huán)；然后增壓氣缸4帶動(dòng)增壓輥5下降到虛線位置，通過(guò)增壓輥5增大對(duì)網(wǎng)片7的壓力，使網(wǎng)片變得平直，以便于保證網(wǎng)片7與輸送輥6之間有足夠的摩擦力，在增壓輥和輸送輥的共同作用下，促使網(wǎng)片7前進(jìn)，當(dāng)網(wǎng)片7傳送出增壓輥5范圍外時(shí)，增壓氣缸4縮回，完成一次循環(huán)。

2.3 矯平機(jī)構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)片的材料、形狀及矯平精度等要求，選取的矯平機(jī)類型為輥式矯平機(jī)。

輥式矯平機(jī)是目前應(yīng)用范圍最廣的矯平機(jī)，由上、下兩排相互交錯(cuò)排列的矯平輥、機(jī)架和傳動(dòng)裝置等部件組成，網(wǎng)片通過(guò)交錯(cuò)排列的矯平輥，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)彎曲最終被矯平[3]。

矯平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)三維圖，如圖5所示。

圖5 矯平機(jī)構(gòu)

工作時(shí)，為方便網(wǎng)片的進(jìn)入，增加壓下裝置1。其工作過(guò)程為：當(dāng)網(wǎng)片傳至輸送機(jī)構(gòu)末端時(shí)，入料上輥2在壓下裝置1的帶動(dòng)下向上移動(dòng)，以方便網(wǎng)片進(jìn)入矯平機(jī)構(gòu)內(nèi)；當(dāng)網(wǎng)片頭部越過(guò)入料下輥3時(shí)，入料上輥2在壓下裝置1的控制下，向下移動(dòng)與網(wǎng)片接觸，入料上輥2與入料下輥3一起通過(guò)摩擦力將網(wǎng)片送至工作輥系內(nèi)。網(wǎng)片通過(guò)交錯(cuò)排列的工作輥，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)彎曲最終被矯平。

輥式矯平機(jī)重要參數(shù)為輥徑D和輥距t。這些參數(shù)的正確選擇對(duì)軋件的矯正質(zhì)量、設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和功率消耗等都有重要的影響。

輥距t是矯平機(jī)最基本的參數(shù)，確定輥距t時(shí)，應(yīng)該既考慮滿足最小厚度軋件的矯平質(zhì)量的要求，又要考慮滿足矯平最大斷面軋件時(shí)矯平輥的強(qiáng)度要求。為此，先確定最大允許輥距tmax。和最小允許輥距tmin。最后在最大值和最小值之間選取合適的值作為輥距t。

1) 最小允許輥距tmin

根據(jù)工作輥的接觸強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)確定。

由接觸應(yīng)力公式

式中maxσ－工作輥表面的最大接觸應(yīng)力；P一工作輥上的最大壓力，即最小輥距時(shí)第三輥上受到的壓力：

E一輥?zhàn)訌椥阅Ａ?；R—輥?zhàn)拥陌霃?；b—工作輥與軋件的接觸寬度；[σ]—許用接觸應(yīng)力。

對(duì)于本次開(kāi)發(fā)的網(wǎng)片矯平機(jī)，，取D=0.92t，即R=0.46t，則：

工作輥材料采用9Cr2MoV，其彈性模量為E=212400 MPa ；考慮所矯網(wǎng)片材質(zhì)，質(zhì)量等取σs=1.5x320=480MPa。所以：

2)最大允許輥距tmax

最大允許輥距tmax由軋件最小厚度的矯平質(zhì)量來(lái)決定。

通常，只對(duì)板厚小于4mm的矯平機(jī)才校核tmax條件，當(dāng)hmin大于4mm時(shí)，tmax值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按強(qiáng)度計(jì)算的tmax值。

其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12.66，而矯平t值應(yīng)盡量取小值，在考慮材料強(qiáng)度，故取t=55 mm。

3) 輥徑D的確定

輥徑D由輥距t決定。表1為常用輥徑D與輥距t的關(guān)系[4]。

表1 輥徑D與輥距t的關(guān)系

D=0.92t=0.92×55= 50.6 mm

因此，取D=50 mm。

2.4 尾部機(jī)構(gòu)

尾部機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)三維圖，如圖6所示。功能是將矯平機(jī)構(gòu)已經(jīng)矯平的鋼絲網(wǎng)片，傳送到指定位置下，以便下一步工序的進(jìn)行。

工作時(shí)，利用同步帶傳動(dòng)和毛刷傳動(dòng)控制網(wǎng)片在兩個(gè)水平面方向的位置。

圖6 連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 入料下輥的有限元分析

從入料下輥受到的載荷來(lái)分析，入料下輥在開(kāi)始工作時(shí)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下有一定的角速度，帶動(dòng)工作輥系轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后入料下輥上方的壓下機(jī)構(gòu)的氣缸開(kāi)始動(dòng)作，帶動(dòng)入料上輥向上移動(dòng)，等網(wǎng)片進(jìn)入矯平機(jī)構(gòu)工作輥范圍內(nèi)時(shí)氣缸帶動(dòng)入料上輥下壓，與網(wǎng)片接觸，增大網(wǎng)片與入料輥之間的摩擦力，此時(shí)會(huì)對(duì)入料下輥造成一定的沖擊。在變頻電機(jī)和壓下機(jī)構(gòu)的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的載荷，甚至破壞入料下輥機(jī)械結(jié)構(gòu)，影響機(jī)構(gòu)整體動(dòng)作。因此對(duì)入料下輥的受力進(jìn)行仿真分析，校核其強(qiáng)度可以消除隱患，而且將有利于提高矯平機(jī)構(gòu)的安全性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所分析入料下輥結(jié)構(gòu)材料的各項(xiàng)參數(shù)為：彈性模量EX=2.06×105MPa，泊松比PRXY=0.3，重力加速度9.8m/s2，密度為7.8×103kg/m3。

將模型導(dǎo)入ansys后，根據(jù)材料的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行定義并進(jìn)行布爾操作。從而使模型各個(gè)部分之間實(shí)現(xiàn)力的傳遞。并且將入料下輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示。

圖7 入料下輥的網(wǎng)格劃分

對(duì)入料下輥施加約束和載荷，具體為電機(jī)傳遞的轉(zhuǎn)矩336N·m、下壓機(jī)構(gòu)的沖擊力210N及軸承的支撐約束。將以上數(shù)據(jù)分別添加在模型中，如圖8所示。

圖8 施加約束的有限元模型

圖9 和圖10分別給出了入料下輥主模型在靜態(tài)分析下的位移和應(yīng)力變化情況。

圖9 靜態(tài)下模型的位移變化

圖10 靜態(tài)下模型的應(yīng)力變化

分析完畢后，以云圖方式顯示運(yùn)行結(jié)果，得出了靜態(tài)應(yīng)力云圖和變形云圖。從分析結(jié)果可以看出，入料下輥?zhàn)畲蟮膽?yīng)力值約為134.5 Mpa，發(fā)生在軋輥鍵連接的軸肩位置，小于材料（9Cr2MoV）屈服強(qiáng)度490 Mpa，因此入料下輥強(qiáng)度滿足使用要求；最大變形為0.027mm，出現(xiàn)在輥面近輸入轉(zhuǎn)距處，變形很小，因此其剛度滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)片自動(dòng)矯平機(jī)最高每分鐘可達(dá)到12片。在投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，成品率高。由于很多功能都采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，制造和維護(hù)成本低，達(dá)到了客戶要求。本課題的研究對(duì)我國(guó)鋼絲網(wǎng)片行業(yè)的發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，在社會(huì)效益方面和經(jīng)濟(jì)效益方面也都具有十分重要意義。

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