廢屑分離器機(jī)械部分的研究

張平

一、廢屑分類機(jī)的研究現(xiàn)狀

隨著我國的科技水平持續(xù)提升，生產(chǎn)力水平也不斷提高，作為國家發(fā)展的基礎(chǔ)機(jī)械行業(yè)功不可沒，但是隨之也會帶來許多隱患，如人力成本、環(huán)保方面等。本課題主要針對車間車床在加工過程中產(chǎn)生的細(xì)小的不易清掃的廢屑。例如，一些金屬廢屑是可以回收利用的，但是因為不易打掃而忽略。如果這些廢屑大量堆積且無人管理，會對車間環(huán)境造成一定影響。加之廢屑極大可能出現(xiàn)切屑邊緣部分鋒利的情況，危及工作人員的人身安全。市面上對廢屑分類的研究設(shè)計開發(fā)幾乎處于空白狀態(tài)，由此對廢屑分離器的研究勢在必行。

二、廢屑分離器設(shè)計

（一）廢屑分離器背景

由于技術(shù)、原料等方面的原因，很多工廠的廢棄物中往往夾雜著大量的金屬，其中?；煊需F釘、螺栓、鐵棒等鐵器。這些廢棄物不但破壞環(huán)境，而且造成對材料的濫用，在運輸時還可能發(fā)生穿透和撕裂平帶、損壞機(jī)器等問題。因此，廢屑分離器的研制十分關(guān)鍵。以往一些氧化法和返回吹氧法回籠切削廢屑時常常發(fā)生嚴(yán)重問題，切削廢屑比較蓬松，合金元素?zé)龘p量較大，回收率不足89%，后期雖可以補(bǔ)加大量的微碳鉻鐵，但是抬高了冶煉費用。隨著目前鋼材質(zhì)量要求的提升，更需要大量減少金屬里磷硫物體的含量，不少工廠進(jìn)一步規(guī)定P＜16%。因此，改變合金元素使用率并且極大程度上減少金屬里磷含量成為工廠迫切需要解決的問題。

（二）廢屑分離器的結(jié)構(gòu)及組成

本次設(shè)計的廢屑分離器結(jié)構(gòu)組成主要為鐵屑分離部分、鋁塑分離部分。

1.鐵屑分離部分

利用金屬和非金屬的特性。磁力剛好是最能檢測金屬和非金屬的一種有效的手段。本設(shè)計采用強(qiáng)磁，利用強(qiáng)磁來完善金屬分離部分。利用強(qiáng)磁的磁性自行設(shè)計金屬分離部分。金屬分離器是由機(jī)架、圓柱強(qiáng)磁鐵、同步帶、電機(jī)和緩沖漏斗等部件組成（圖2-1），利用強(qiáng)磁磁鐵塊的磁力，把鐵屑吸住，來達(dá)到鐵鋁塑料屑的分離、回收鐵屑的目的。三種廢屑經(jīng)吸塵器收集后落到同步帶上，同步帶帶動廢屑運動，從動輪上裝有強(qiáng)磁，利用強(qiáng)磁的磁力使鐵屑不會和鋁屑塑料屑一同掉落，從而達(dá)到分離目的。

圖2-1 鐵屑分離示意圖

圖2-2 鋁塑分離部分示意圖

2.鋁塑分離部分

如圖2-2所示，小滾筒的原型為滾筒刷，上面帶有長毛，小滾筒高速旋轉(zhuǎn)與大滾筒（亞克力管）慢速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生靜電，鋁塑經(jīng)滑梯下落到大滾筒上方，并與大滾筒接觸，由于大滾筒上帶有靜電，塑料被吸附在大滾筒上，然后由毛刷刷落，而鋁則是與大滾筒接觸后正常下落，從而達(dá)到分離效果。

三、3D建模

（一）零件造型基礎(chǔ)

插入在任務(wù)環(huán)境中繪制草圖是指在鼠標(biāo)指定的平面上插入草圖并進(jìn)入草圖繪制環(huán)境。草圖功能是在UG中進(jìn)行建模的至關(guān)重要的一個功能，擅長適用于繪制截面比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建模。

從大多數(shù)情況來看，用戶的三維建模都是從在任務(wù)環(huán)境中繪制草圖開始，即先從草圖繪制環(huán)境創(chuàng)建出特征的大致輪廓，而后利用草圖的幾何約束及尺寸定位功能，準(zhǔn)確繪制草圖的形狀及尺寸。

繪制草圖結(jié)束后就可使用拉伸、回轉(zhuǎn)和掃掠等功能，創(chuàng)建與任務(wù)環(huán)境中繪制的二維特征相關(guān)聯(lián)的實體特征。用戶能在對任務(wù)環(huán)境中繪制草圖的幾何約束及尺寸約束進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，從而加快速度更新在三維環(huán)境中繪制的模型。

（二）零件模型展示

零件模型如圖3-1、3-2、3-3所示。

圖3-1 亞克力滾筒

圖3-2 上蓋

圖3-3 非標(biāo)同步帶輪

（三）UG裝配概述

通常，我們裝配的方法大致為如下三種：

1.自頂向下裝配是指在上下文中進(jìn)行裝配，即在裝配部件的頂級向下產(chǎn)生子裝配和零件的裝配方法。先在裝配結(jié)構(gòu)樹的頂部生成一個裝配，然后下移一層，生成子裝配和組件。

2.自底向上裝配是指先創(chuàng)建部件幾何模型，再組合成子裝配，最后生成裝配部件的裝配方法。

3.混合裝配是指將自頂向下裝配和自底向上裝配結(jié)合在一起的裝配方法。

（四）UG裝配效果圖

裝配結(jié)果如圖4-1、4-2、4-3所示。

圖4-1 框架裝配圖

圖4-2 分離部分裝配圖

圖4-3 廢屑分離器裝配圖

四、機(jī)械部分選擇與計算

（一）電動機(jī)的選用

電動機(jī)靜功率

運行時所受最大載荷

其中，G：整體自重載荷 Q：最大載物重量

F：滾動摩擦系數(shù)，取1

光軸與軸承的摩擦系數(shù)取0.015

d：軸的直徑 D：軸承的外徑 u：附加摩擦系數(shù)取1.3 Z：傳動效率取 0.88

帶入（1）式得：

P=33W

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》查得選用YS系列 功率35W，n為100轉(zhuǎn) 電流為0.5安培。

（二）同步帶的選擇

設(shè)計功率Pd由機(jī)械設(shè)計手冊查得KA=1.20 ，JS-42GA775電機(jī)功率P=35W

1.Pd=KAP=1.20X0.035=0.042KW

2.選定帶型和節(jié)距 根據(jù)Pd=0.042kw和n1=100r/min，由機(jī)械設(shè)計手冊確定為

L型，節(jié)距 Pb=9.5mm

3.主動同步帶輪齒數(shù)Z1根據(jù)帶型L和帶輪轉(zhuǎn)速n1，由機(jī)械設(shè)計手冊查得帶輪的最小齒數(shù)Z1min=12，此處取Z1=12

4.主動同步帶輪節(jié)圓直徑d1

由機(jī)械設(shè)計手冊查得其外徑da1=35.62mm

5.從動帶輪齒數(shù)Z1i=1

z1=iz1=1X12=12

從動帶輪節(jié)圓直徑的d2=d1da2=da1

6.帶速v

7.初定軸間距a01

取a01=181mm

8.帶長及其齒數(shù)

由機(jī)械設(shè)計手冊查得應(yīng)選用代號為187的L型同步帶，其節(jié)線長Lp=476.25mm，節(jié)線長上的齒數(shù)z=0.5

9.實際軸間距a 此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整

10.帶輪嚙合齒數(shù)Z2

11.基本額定功率P0

由機(jī)械設(shè)計手冊查得Ta=0245N. m=0.096g/m

12.所需帶寬bs

由機(jī)械設(shè)計手冊查得L型帶b0=25.4mm Zm=6；KZ=1

由機(jī)械設(shè)計手冊查得，應(yīng)選帶寬代號為100的L型帶，其bs=25.4mm。

13.帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸

傳動選用的同步帶為187L100；

帶輪；a02=12，d1=36.3mm，da1=35.62mm

14.小滾筒帶速V1

15.初定軸間距a02

取a02=105mm

16.帶長及其齒數(shù)

由機(jī)械設(shè)計手冊查得應(yīng)選用代號為130的L型同步帶，其節(jié)線長Lp=330.20mm，節(jié)線長上的齒數(shù)z=0.33

17.實際軸間距a 此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整

18.帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸

傳動選用的同步帶為130L150；

帶輪；z1=12，d1=36.3mm，da1=35.62mm

選用的同步帶輪數(shù)據(jù)為：同步帶輪，22齒，型號：22XL037 齒距5.55MM 齒型：梯形，齒外徑35.2MM，總厚度22MM ，齒寬3.2MM，鋁合金材質(zhì)，擋邊鐵鍍鋅 BF型，內(nèi)孔8mm，頂絲M5

同步帶：連接大滾筒476.25mm，連接小滾筒330.20mm大滾筒與電機(jī)軸間距182.134mm 小滾筒與電機(jī)軸間距108.109mm

（三）軸的校核

τT：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa；T：τ軸所受的扭矩，N·mm；WT：軸的抗扭截面系數(shù)，mm2;n：軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P：軸的傳遞的功率，kW；d：計算截面處軸的直徑，mm；

[τT]：許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，見《機(jī)械設(shè)計》第九版表15-3

由式（1）可得軸的直徑

得d=0.973mm

取軸直徑為8mm，滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)所需強(qiáng)度要求。

（四）軸承壽命的計算

Lh：額定壽命； C：基本額定動載荷； P：當(dāng)量動載荷；

∫h：壽命因數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計手冊》第六版第2卷表8-2-23預(yù)期壽命為8800h，所以取∫=2.60；

∫n速度因數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計手冊》第六版第2卷表8-2-24，∫n取 0.822；

∫m：力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時∫m=1.5，力矩載荷較大時∫m=2；

∫d:沖擊載荷因數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計手冊》第六版第2卷表8-2-25，在機(jī)械運作過程中沒有沖擊載荷，∫d取1；

∫T：溫度因數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計手冊》第六版第2卷表 8-2-26，∫T取 1；

Fr徑向載荷； Fa：軸向載荷；

X：徑向動載荷系數(shù)； Y：軸向動載荷系數(shù)。

在機(jī)械運作過程當(dāng)中只承受徑向力，沒有軸向力，所以Fa為0。徑向力的由來由同步帶的松邊和緊邊提供。

F1：緊邊張力 F2：松邊張力

α ：包角 ∫ ：摩擦系數(shù)

得Fe=13.68NF1=17.46NF2=3.78N

所以，得滾動軸承的徑向力為F1+F2=21.24N

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》第九版表13-5得徑向動載荷系數(shù)X為0.56。

根據(jù)P=XFr得P=11.9N

綜上所述C=75.4N得Lh=3303.9h

五、實驗與結(jié)果

隨著控制系統(tǒng)的完善和機(jī)械結(jié)構(gòu)的組裝，廢屑分離器也算是初步完成了，接下來就是運行廢屑分離器、檢驗分離效果，對此，我們也做了大量的實驗。下面展示的是最終呈現(xiàn)出來的實物圖，如圖5-1、5-2所示。

圖5-1 正面

圖5-1 反面

廢屑分離器的分屑工作展示圖如圖5-3、5-4所示。

經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)分離效果并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。鐵屑分離效果良好，鋁塑分離則有一些瑕疵，于是反復(fù)對其進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)原因在于鋁塑分離部分采用的原理為靜電分離，而廢屑分離機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)為金屬材質(zhì)，靜電被破壞掉一部分，以至于吸附力不夠。但是針對這一點的解決方法也是有的，就是在支撐機(jī)架上把鐵板更換為亞克力板或者絕緣材質(zhì)。

圖5-3 示意圖1

圖5-4 示意圖2

六、總結(jié)與展望

上面所述是本人對廢屑分離器所做的初步分析及研制，因為廢屑分離器在收集分離廢屑使用時間較短，當(dāng)今在廢屑分離的實驗及研制經(jīng)驗欠佳，所以能供研究的資料不多，本文從廢屑分離器的結(jié)構(gòu)切入，對分離原理做了初步的研究和實驗。但就對廢屑分離器的研制來說，做出來的實物并不能夠穩(wěn)定和長久的使用，因為在這臺廢屑分離器上還存在著許多的缺陷，以下敘述則是本設(shè)計的研究成果和未來的研究方向：

（一）研究總結(jié)

1.本次設(shè)計的廢屑分離器在車間廢屑的收集分類上的應(yīng)用，可以說是多種廢屑統(tǒng)一收集分離技術(shù)的一次新的突破，這不僅有利于車間廢屑的分類，而且還減少了車間廢屑對環(huán)境的破壞。

2.廢屑分離器是一種把金屬非金屬物質(zhì)分離技術(shù)以及鋁塑分離技術(shù)融為一體的廢屑分離裝置，本文正是從廢屑分離器的結(jié)構(gòu)開展來詳細(xì)分解器工作的過程，逐步分析其各個部分的分離原理等。

（二）未來研究方向

廢屑分離器屬于一種市面上空白的新興產(chǎn)物，在完成這次設(shè)計的過程中，對于廢屑分離器的組裝、分離實驗的多變性以及本設(shè)計的經(jīng)費額度的控制，特別是在實際研制方面的研究還不夠深入。今后對以下幾方面進(jìn)行深入探究，將對廢屑分離器更深層次的研究有十分重要的理論意義和實用價值。

1.應(yīng)該考慮更多的分離方案。應(yīng)該跳出固有的思路，才能有新的想法，要運用計算機(jī)三維仿真方式等對分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件的運動做多的實驗和改良。

2.應(yīng)開發(fā)針對性強(qiáng)的產(chǎn)品。目前很少有應(yīng)用于車間廢棄金屬收集的產(chǎn)品，現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗和理論研究相對來說比較少，本試驗對廢屑分離器的實驗結(jié)果并不能表明其分離效率高還是過濾效率高，應(yīng)對影響其效率的其它因素做進(jìn)一步的研究和探討。

3.根據(jù)這次試驗效果表明，廢屑分離器具有一定的廢屑分離效果，能使廢屑回收利用效率提高，達(dá)到了環(huán)保的效果。因此，今后應(yīng)考慮在廢屑分離技術(shù)愈加成熟的情況下開始全面推廣應(yīng)用。