胎圈包布磁鐵纏繞關(guān)鍵技術(shù)突破

石峰，鄭杰

(貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008)

近年來，輪胎企業(yè)進(jìn)入智能化時(shí)代，許多輪胎廠對(duì)輪胎的品質(zhì)質(zhì)量，生產(chǎn)效率、降低成本提出了新的要求。我公司在原有的胎圈包布纏繞機(jī)上創(chuàng)新性采用磁鐵纏繞包布方案，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)無人化操作，成功滿足設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)。

1 胎圈包布纏繞機(jī)包布纏繞裝置

通常情況下，輪胎的胎圈主要包括裸胎圈和纏繞在裸胎圈上的膠料條帶，膠料條帶是通過胎圈包布纏繞至裸胎圈上。而原有的胎圈包布纏繞一般都使用的是齒輪傳動(dòng)，噪音較大。為了解決這個(gè)問題，作者從電機(jī)的工作原理中得到靈感，通過利用磁鐵運(yùn)行效率高、噪音小的特點(diǎn)，準(zhǔn)備把用磁鐵齒輪取代原來的齒輪并應(yīng)用在胎圈包布纏繞中。

新結(jié)構(gòu)纏繞環(huán)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過四個(gè)小磁鐵輪磁鐵磁力驅(qū)動(dòng)纏繞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將儲(chǔ)料輪上的膠料纏繞到胎圈上。由于采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使胎圈包布纏繞精度更高，纏布尺寸均勻美觀，還有纏繞盤回原點(diǎn)準(zhǔn)確。舊結(jié)構(gòu)中存在齒輪傳動(dòng)噪聲大導(dǎo)致工人操作環(huán)境惡劣，齒輪制造工藝復(fù)雜、需要定期進(jìn)行潤滑、振動(dòng)沖擊大等問題。新結(jié)構(gòu)中采用磁鐵齒輪傳動(dòng)替代齒輪傳動(dòng)，解決了生產(chǎn)過程中噪音大，零件磨損等問題。磁鐵齒輪在運(yùn)行過程中相對(duì)齒輪傳動(dòng)效率更高，因?yàn)闆]有相互磨損，運(yùn)行更平穩(wěn)，可靠性更高，使用壽命更長。磁鐵齒輪使用中過載時(shí)不會(huì)損壞電機(jī)和減速機(jī)，起到過載保護(hù)作用。

圖1 胎圈包布纏繞機(jī)包布纏繞裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1為胎圈包布纏繞機(jī)包布纏繞裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要包括以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)：磁鐵儲(chǔ)料裝置、纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)組合、壓圈進(jìn)退機(jī)構(gòu)等。下面具體來介紹一下，前面提到的磁鐵儲(chǔ)料裝置主要包括可以同步轉(zhuǎn)動(dòng)的儲(chǔ)料輪、磁鐵盤以及第一同步輪，磁鐵盤可以設(shè)置在遠(yuǎn)離纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的最外側(cè)，儲(chǔ)料輪可用于接收定長后的膠料條帶，并將儲(chǔ)料輪、磁鐵盤、第一同步輪三者同軸設(shè)置。當(dāng)然，儲(chǔ)料輪、磁鐵盤以及第一同步輪也可以非同軸或者以其他結(jié)構(gòu)組合，只要三者能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)即可，具體形式可以根據(jù)需要靈活改動(dòng)。另外，磁鐵儲(chǔ)料裝置可以傾斜地設(shè)置在纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的端壁上，也就是說，磁鐵儲(chǔ)料裝置的軸線與纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的端壁所處的平面呈現(xiàn)一銳角，該角度的大小可以是在20～70 ℃之間。在纏繞時(shí)，可以同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)和裸胎圈，這樣就能實(shí)現(xiàn)將膠料條帶螺旋式的纏繞在裸胎圈上。

此外，在前面提到的磁鐵盤具體也可以包括一個(gè)收納盤，這個(gè)收納盤帶有一個(gè)底面和側(cè)壁，底面與側(cè)壁可以構(gòu)成一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，另外在所述側(cè)壁上開一個(gè)第一固定孔；再將若干磁鐵塊放置在上面的收納盤內(nèi)；一個(gè)磁鐵蓋，蓋在所述收納盤內(nèi)的磁鐵上方，并且在磁鐵蓋側(cè)面開一個(gè)第二固定孔；然后再利用螺絲貫穿所述第一固定孔、第二固定孔將上面提到的收納盤、磁鐵、還有磁鐵蓋鎖緊固定成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。但需強(qiáng)調(diào)的是，上面說的收納盤和磁鐵蓋必須是非鐵磁材料制成，比如可以是不銹鋼的收納盤、不銹鋼的磁鐵蓋、或者是鋁制的收納盤、鋁制的磁鐵蓋，或者是上面提到的非磁材料的隨意組合。另外還要說明一下，上面所說的磁鐵可以是偶數(shù)個(gè)扇形磁鐵塊構(gòu)成的中部鏤空的環(huán)形磁鐵結(jié)構(gòu)，此外偶數(shù)個(gè)扇形磁鐵塊的側(cè)面為N極與S極要相互交替的設(shè)置；同時(shí)在所述收納盤底面上設(shè)置了與所述環(huán)形磁鐵中空部分相對(duì)應(yīng)的一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，同時(shí)將凸起的形狀與環(huán)形磁鐵的中空部分的形狀相匹配。

另外，上面提到的纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)必須要開一個(gè)一缺口，在立板上也設(shè)同樣的缺口，并讓纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的缺口和立板上的缺口基本重合，這樣可以方便將裸胎圈放置在待纏繞區(qū)域內(nèi)。而纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)還可以包括環(huán)狀的第一內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、設(shè)置在第一內(nèi)襯結(jié)構(gòu)外側(cè)的環(huán)狀第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)以及設(shè)置在夾設(shè)在第一內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)之間的多個(gè)滾動(dòng)輪，第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)可以相對(duì)第一內(nèi)襯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，再將一個(gè)密封板設(shè)置在第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)端部，以形成纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的端壁。另外，還在上面的纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置了多個(gè)傳動(dòng)輥，而且在每個(gè)傳動(dòng)輥的圓周壁上設(shè)置了多個(gè)第一磁鐵塊，相鄰的第一磁鐵塊的極性要不相同。同樣地，在纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)襯的圓周壁上也設(shè)置有多個(gè)第二磁鐵塊，相鄰的第二磁鐵塊的極性也要不相同，每個(gè)傳動(dòng)輥上的多個(gè)第一磁鐵塊和第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上的多個(gè)第二磁鐵塊要靠近設(shè)置，這樣伺服電機(jī)組合輸出的動(dòng)力可以通過傳動(dòng)帶來帶動(dòng)多個(gè)傳動(dòng)輥的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過布置在傳動(dòng)輥外表面的第一磁鐵塊與布置在第二內(nèi)襯結(jié)構(gòu)外表面的第二磁鐵塊的相互作用。具體而言是通過利用磁鐵的同性磁力相斥的原理來帶動(dòng)纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)在磁力的作用下同步旋轉(zhuǎn)。這種利用磁鐵的磁性來驅(qū)動(dòng)的方式相較于使用傳統(tǒng)的齒輪剛性嚙合方式，會(huì)大幅降低嚙合的噪音，并延長器件的使用壽命。

所述壓圈進(jìn)退機(jī)構(gòu)，主要用于壓緊或釋放裸胎圈，為常規(guī)技術(shù)，在此不贅述。

1.1 磁鐵儲(chǔ)料裝置

磁鐵儲(chǔ)料裝置通過伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪旋轉(zhuǎn)，左磁鐵盤與右磁鐵盤中磁鐵通過磁鐵磁力同步旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而在儲(chǔ)料輪上儲(chǔ)料。如圖2所示。伺服電機(jī)定位精度高，可以準(zhǔn)確在儲(chǔ)料輪上儲(chǔ)滿一個(gè)胎圈需要料卷的長度。新設(shè)計(jì)的磁鐵儲(chǔ)料裝置解決了以前設(shè)備人工上料卷的問題，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，還有以前料卷在不夠一個(gè)胎圈纏繞長度時(shí)扔掉浪費(fèi)的問題，減少料卷的浪費(fèi)，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

圖2 磁鐵儲(chǔ)料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

另外，為了進(jìn)一步提高纏繞時(shí)的穩(wěn)定性和纏繞后的纏繞質(zhì)量，我們還可以在磁鐵儲(chǔ)料裝置上設(shè)置一個(gè)用于定位膠料條帶料頭的定位針，與此同時(shí)，還可以預(yù)先設(shè)定磁鐵儲(chǔ)料裝置是處于初始位置，這樣在膠料條帶料頭被輸送至磁鐵儲(chǔ)料裝置上轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞半圈時(shí)，定位針插入至帶條的料頭，就可以防止膠料條帶在磁鐵儲(chǔ)料裝置上打滑，或者折疊等，可以有效提高膠料條帶纏繞的穩(wěn)定性和纏繞后的質(zhì)量。需說明一下，磁鐵儲(chǔ)料裝置初始位置的確定，我們是通過在磁鐵儲(chǔ)料裝置的側(cè)壁上粘貼一個(gè)反光件，同時(shí)在磁鐵儲(chǔ)料裝置的上方安裝一個(gè)光電傳感器，并且把光電傳感器與伺服電機(jī)的控制器電性連接。磁鐵儲(chǔ)料裝置初始位置的確定動(dòng)作步驟為：光電傳感器朝向磁鐵儲(chǔ)料裝置的圓周面發(fā)射光線，當(dāng)光電傳感器發(fā)出的光線照射到反光部件上并反射至光電傳感器的接收端后，光電傳感器的電信號(hào)就被觸發(fā)，光電傳感器會(huì)朝向伺服電機(jī)的控制器發(fā)送控制信號(hào)，以控制其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了磁鐵儲(chǔ)料裝置的定位。

1.2 包布纏繞張力控制機(jī)構(gòu)

在胎圈包布纏繞過程中，儲(chǔ)料輪上膠料纏繞在胎圈上。儲(chǔ)料輪通過同步帶輪與磁阻尼器連接在一起，保證膠條在纏繞中張力恒定，胎圈纏繞更緊致。如圖3所示。

圖3 包布纏繞張力控制機(jī)構(gòu)

本文中所說的磁阻尼器是通過同步帶、同步帶輪實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)料輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。下面我們具體介紹一下，上面提到的同步帶輪包括與磁鐵儲(chǔ)料裝置同軸設(shè)置的第一同步輪以及與磁阻尼器的輸出軸同軸設(shè)置的第二同步輪，同時(shí)第一同步輪與第二同步輪通過同步帶進(jìn)行連接。此外，我們還可以將第二同步輪的直徑設(shè)定為小于第一同步輪的直徑，這樣設(shè)計(jì)的目的在于可以保證輸出較大的張力，進(jìn)而避免采用張力調(diào)節(jié)范圍大的磁阻尼器而導(dǎo)致的體積、重量較大的問題。另外，上面所說的磁阻尼器可以是張力可調(diào)的永磁磁滯器，其磁力最大可調(diào)范圍在20 N以內(nèi)。通過設(shè)置磁阻尼器可以保證由磁鐵儲(chǔ)料裝置的膠料條帶纏繞至裸胎圈時(shí)，具有恒定的張力輸出，避免了因膠料條帶張力不穩(wěn)定帶來的氣泡等問題，進(jìn)而提高纏繞質(zhì)量；并且，由于膠料條帶纏繞張力可調(diào)，本設(shè)計(jì)可以更大范圍的適應(yīng)不同寬度或厚度的膠料條帶，通用性較高，最終達(dá)到保證膠條在纏繞中的張力恒定，胎圈纏繞更緊致的纏繞效果。

通過上面的闡述，我可以非常容易的得出一個(gè)結(jié)論：本文所講述的胎圈包布磁鐵纏繞技術(shù)是通過巧妙的融合了特定結(jié)構(gòu)的磁鐵塊，同時(shí)改造了現(xiàn)有的纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)，以及充分利用張力控制機(jī)構(gòu)，共同構(gòu)建了一個(gè)全新的胎圈包布磁鐵纏繞技術(shù)方式。通過利用特定結(jié)構(gòu)磁鐵塊以及相鄰磁鐵間同性相斥、異性相吸的原理，實(shí)現(xiàn)了磁鐵齒輪完美的替代現(xiàn)有的齒輪并對(duì)鋼絲圈進(jìn)行纏繞，以達(dá)到噪音小、結(jié)構(gòu)輕巧、壽命長，鋼絲圈包布纏繞生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的目的；同時(shí)，通過利用在纏繞環(huán)結(jié)構(gòu)的端壁上設(shè)置有輥組件，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)置實(shí)現(xiàn)張力器與輥組件的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)膠料條帶纏繞至裸胎圈時(shí)，膠料條帶已經(jīng)具有基本恒定的張力，進(jìn)而避免了因膠料條帶張力不穩(wěn)定導(dǎo)致的纏繞時(shí)有氣泡產(chǎn)生的問題等，提高了纏繞質(zhì)量；并且，由于膠料條帶纏繞張力可調(diào)，以更大范圍的適應(yīng)不同寬度或厚度的膠料條帶，通用性較高。

利用本文介紹的胎圈包布磁鐵纏繞技術(shù)十分便于進(jìn)行半自動(dòng)化或全自動(dòng)化的改造，適合多種生產(chǎn)條件，且全程無材料浪費(fèi)，纏繞穩(wěn)定性高，生產(chǎn)效率高，十分有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 結(jié)語

本次創(chuàng)新性采用磁鐵齒輪傳動(dòng)方式包布纏繞屬世界首例。合理布局磁鐵輪的位置，使纏繞運(yùn)行平穩(wěn)，可靠，對(duì)降低設(shè)備噪音起到重要作用。包布纏繞裝置提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)保證胎圈包布纏繞精度更高。