龍門式繩鋸機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋金玲，陳曉龍

（1.泉州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000；2.泉州市洛江區(qū)雙陽(yáng)金剛石工具有限公司，福建 泉州 362012）

0 引言

1854 年，比利時(shí)人將改進(jìn)的螺旋鋼絲繩用于大理石開(kāi)采，這是柔性切割工具應(yīng)用于石材開(kāi)采的起源。1953年，從技術(shù)上證明了應(yīng)用金剛石串珠繩鋸切開(kāi)采大理石的可行性。1968 年，將金剛石串珠套在鋼絲繩上，制成了一條結(jié)合鋼絲繩的柔性和具有金剛石的切削性的串珠繩。最早成品串珠繩及串珠繩鋸機(jī)于1969 年和1970 年在意大利VERONA 的S.Ambrogio［1］石材博覽會(huì)上展出。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和研究，1978 年在意大利APUAN［1］石材礦山進(jìn)行的金剛石串珠繩切割實(shí)驗(yàn)取得成功，這標(biāo)志著石材開(kāi)采加工技術(shù)的革命，是串珠繩進(jìn)入石材礦山的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1990 年，第一臺(tái)數(shù)控串珠繩鋸?fù)度氲疆愋问牡募庸ぃ@標(biāo)志著串珠繩鋸進(jìn)入高科技的數(shù)控時(shí)代。1990 年代中期，多繩鋸研制成功并應(yīng)用于石材加工。多繩鋸機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用向傳統(tǒng)框架鋸切割方式提出了挑戰(zhàn)，使大型或超大型板材的高效、低成本、低污染切割成為現(xiàn)實(shí)［2-4］。經(jīng)過(guò)多年的研究與技術(shù)的改進(jìn)，金剛石繩鋸機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：準(zhǔn)備時(shí)間短、切割靈活、噪聲低、粉層小、低污染和低耗能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)拆遷、礦山開(kāi)采、石材加工等工程領(lǐng)域中,并逐步取代傳統(tǒng)砂鋸加工方法［5-8］。繩鋸在我國(guó)發(fā)展迅猛，但我國(guó)金剛石繩鋸技術(shù)與國(guó)外仍存在顯著差距。除串珠繩制造技術(shù)相對(duì)落后外，繩鋸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一基礎(chǔ)和核心問(wèn)題。石材薄板料的切割技術(shù)是未來(lái)繩鋸的發(fā)展方向，對(duì)繩鋸機(jī)提出的功能與結(jié)構(gòu)要求是切割高柔性化、適應(yīng)串珠小徑化、機(jī)器設(shè)備小型化、功能多樣化、低能耗綠色加工?，F(xiàn)有典型進(jìn)給的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)［9-12］：1）帶傳動(dòng)；2）輪系；3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)；4）絲杠機(jī)構(gòu)；5）液力傳動(dòng)。

本文基于進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以功能和強(qiáng)度要求為約束條件，以輕量化為目標(biāo)，運(yùn)用非線性規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。改進(jìn)給系統(tǒng)具體采用液壓馬達(dá)，通過(guò)蝸桿蝸輪減速器減速后，驅(qū)動(dòng)絲杠螺母，絲杠安裝在機(jī)架上轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母即實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。螺母固定在滑動(dòng)支承座上，滑動(dòng)支承座與機(jī)架導(dǎo)軌采用平導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)整個(gè)繩循環(huán)系統(tǒng)的升降，達(dá)到進(jìn)給和快退的功能。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞主要通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析集中體現(xiàn)在對(duì)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的分析中。

1.1 平均工作速度

式中：n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ps為絲杠導(dǎo)程；i為傳動(dòng)比（降速比）。

平均工作速度:進(jìn)給速度前進(jìn)時(shí)比較緩慢，而退出時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)速，則以退出時(shí)轉(zhuǎn)速作為平均工作速度計(jì)算，亦即Vb＝Vm。

1.2 載荷計(jì)算

1）平均載荷計(jì)算。進(jìn)給載荷較小，而退出時(shí)載荷較大且平穩(wěn)，所以用退出時(shí)的載荷作為平均載荷計(jì)算。即Fm=50 000 N。

平均轉(zhuǎn)速:退出時(shí)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)速，所以選用退出時(shí)轉(zhuǎn)速作為平均轉(zhuǎn)速計(jì)算，即nm=11.98 r/min。

ε為壽命指數(shù)，球軸承ε＝3。C為額定動(dòng)載荷，N。

L＝1.3×106r≥106r

剛度計(jì)算以壓桿穩(wěn)定性為依據(jù)，絲杠不發(fā)生明顯側(cè)向撓曲變形。

6）使用壽命計(jì)算。絲杠只受軸向力，且比較大，固定形式為一端固定，一端游動(dòng)；選用推力滾子軸承。

由d=105mm，選80000 型推力滾子軸承。滾動(dòng)軸承51221 GB/T4663-1994，其中額定動(dòng)載荷C=840 kN≥Fm。

式中：L為額定壽命，106r；P為當(dāng)量動(dòng)載荷，N。

7）效率。ρ=4.396°；ρ′＝0.286°，

2 基于SUMT 的進(jìn)給系統(tǒng)非線性規(guī)劃

以系統(tǒng)輕量化為目標(biāo)，以強(qiáng)度和剛度要求為約束，以構(gòu)件尺寸為變量進(jìn)行規(guī)劃，具體如下：。

式中：wk為進(jìn)給系統(tǒng)構(gòu)件質(zhì)量；［σk］為構(gòu)件許用強(qiáng)度；θk為構(gòu)件撓度（位移或轉(zhuǎn)角）；Fk為構(gòu)件在指定方向上受力分量；［Kk］為許用剛度；Xk為構(gòu)件尺寸參數(shù)；包含長(zhǎng)寬高或半徑與長(zhǎng)度等。

式中，φ為材料密度。

3 優(yōu)化結(jié)果與進(jìn)給參數(shù)的確定

應(yīng)用SUMT 方法獲得的絲杠直徑110 mm，螺紋2 900 mm。經(jīng)與總體框架匹配，最終取如圖1 的結(jié)構(gòu)與尺寸。

包含進(jìn)給系統(tǒng)的繩鋸機(jī)框架圖見(jiàn)圖2。

圖1 絲杠螺母機(jī)構(gòu)主要零件優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 包含進(jìn)給系統(tǒng)的繩鋸機(jī)框架圖

主電機(jī)使用380V 三相交流電，通過(guò)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)功率200 kW，輸出額定轉(zhuǎn)速n1=1 490 r/min，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=2，故主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2=n1/i=745 r/min。

繩的線速度v＝πdn2/60=39 m/s，故繩鋸的額定線速度v=39 m/s。

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)EPM80，額定功率P=12 kW，輸出功率10.2 kW，輸出轉(zhuǎn)速n′1=10～750 r/min。蝸桿蝸輪減速器減速比i′=63，則其輸出轉(zhuǎn)速（即絲杠轉(zhuǎn)速）n2′＝n1′/i′=（0.158 73～11.904 76）r/min。

滾珠絲杠導(dǎo)程P=16 mm，進(jìn)給速度Vs=n′2P=（2.54～190）mm/s，故進(jìn)給最低速度Vmin=2.54 m/min，退出時(shí)最大速度Vmax=190 mm/min。

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