引線(xiàn)成形機(jī)的研究設(shè)計(jì)

王偉奇 嚴(yán)文超 方 瑛

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌443000）

煙花爆竹用引線(xiàn)屬于易燃易爆物品，生產(chǎn)過(guò)程中存在較多的高危因素和安全隱患。引線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程需要經(jīng)過(guò)六種不同的車(chē)間，具體流程為：先將火藥原材料經(jīng)粉碎車(chē)間粉碎成合格的目數(shù)，再將粉碎好的材料運(yùn)送到混合車(chē)間進(jìn)行混合攪拌，又再將混合均勻的火藥黏稠液體運(yùn)送到引線(xiàn)成形車(chē)間，通過(guò)簡(jiǎn)易成形機(jī)直接成形制造出濕引線(xiàn)，還需經(jīng)繞引車(chē)間繞成筐或筒狀，運(yùn)送到曬場(chǎng)進(jìn)行自然晾曬、最后通過(guò)回引車(chē)間繞城成品卷。引線(xiàn)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次的拆卷，造成產(chǎn)生過(guò)程中浪費(fèi)較大、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、操作人員偏多、工作場(chǎng)地污染較大等不足，從而影響引線(xiàn)生產(chǎn)效益和生產(chǎn)的安全性。扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)依據(jù)引線(xiàn)成形原理，對(duì)原引線(xiàn)機(jī)主要裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原多車(chē)間功能集成一體，能夠直接實(shí)現(xiàn)原料到成品的生產(chǎn)過(guò)程，減少生產(chǎn)場(chǎng)地和污染狀態(tài)，減少生產(chǎn)操作人員，提高生產(chǎn)過(guò)程的安全性，提高工廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，解決生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，這對(duì)引線(xiàn)生產(chǎn)具有理論意義和重大的應(yīng)用價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照企業(yè)實(shí)際需求，提出引線(xiàn)成形機(jī)的兩種成形模式，一是扭捻成形模式；二是用膠水涂粘，先鋪一層皮紙，涂火藥和膠水，再鋪第二層皮紙[1-2]。在引線(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要進(jìn)行烘干和收卷，扭捻成形引線(xiàn)抗拉能力強(qiáng)于膠水涂粘模式引線(xiàn)，且扭捻成形的物料成本更低，故采用扭捻式成形方式[3-4]。

按照扭捻式成形方式，設(shè)計(jì)整體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。各部分零件的特征與功能，主要傳動(dòng)部分：由動(dòng)力源電機(jī)發(fā)出動(dòng)力，經(jīng)V 帶傳動(dòng)帶動(dòng)I 級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)錐形帶傳動(dòng)帶動(dòng)II 級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最后仍是經(jīng)V 帶傳動(dòng)帶動(dòng)III 級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其他傳動(dòng)部分：一方面：由II 級(jí)傳動(dòng)軸上帶有蝸桿傳動(dòng)，將傳動(dòng)方向改變，再經(jīng)一對(duì)錐齒輪又將傳動(dòng)方向改回，帶動(dòng)了滾珠絲杠做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得絲母上的連桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一方面，由II 級(jí)傳動(dòng)軸上裝有圓帶輪，經(jīng)過(guò)導(dǎo)輪可帶動(dòng)藥斗上方的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，起到攪拌作用。

圖1 引線(xiàn)成形機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由上述傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理可知，引線(xiàn)的成形主要是靠III 級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)線(xiàn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，而線(xiàn)筒上方有個(gè)小導(dǎo)輪，使得引線(xiàn)始終處于線(xiàn)筒上方，通過(guò)燕尾形扭捻折疊裝置進(jìn)行引線(xiàn)成形，從而形成了扭捻式火藥引線(xiàn)成形機(jī)，并且小導(dǎo)輪在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得長(zhǎng)線(xiàn)筒收線(xiàn)均勻。

2 烘干裝置的設(shè)計(jì)

為了解決引線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的多次搬運(yùn)及收卷和濕引線(xiàn)在收卷過(guò)程中氯酸鉀溶液的飛濺問(wèn)題，需要對(duì)引線(xiàn)烘干然后收卷，完成紙帶到引線(xiàn)的一次成型。

烘干裝置采用長(zhǎng)方形的箱體。引線(xiàn)屬柔性元件，則引線(xiàn)在烘箱內(nèi)的走勢(shì)一般都是通過(guò)滾輪引導(dǎo)[5]，該處的滾輪上應(yīng)設(shè)有過(guò)線(xiàn)槽，可以在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中固定引線(xiàn)，使其不偏離設(shè)定的運(yùn)行軌跡；該裝置具有多個(gè)滾輪，若生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)斷線(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)造成接線(xiàn)困擾，故應(yīng)盡量減少滾輪數(shù)量。結(jié)合扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)自動(dòng)恒溫烘干裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滾輪數(shù)較少、接線(xiàn)方便的特點(diǎn)。

考慮到兩排滾輪之間的距離不應(yīng)太遠(yuǎn)，否則會(huì)使得烘箱的尺寸過(guò)大，烘箱尺寸過(guò)大則不易提高溫度，需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能提高烘箱內(nèi)的整體溫度，根據(jù)需求500mm 以?xún)?nèi)的尺寸比較適合。根據(jù)烘箱的用途應(yīng)當(dāng)是小型恒溫加熱，故選LG-265V-250T1 產(chǎn)品，該產(chǎn)品具體參數(shù)為：長(zhǎng)12mm，寬8mm,厚7mm，表面溫度250℃，使用電壓100～240 V。再根據(jù)烘箱烘干濕態(tài)引線(xiàn)所需的熱量，經(jīng)熱傳遞就可以確定具體需要買(mǎi)幾塊這樣規(guī)格的PTC 加熱板，PTC 加熱板有自動(dòng)的溫控系統(tǒng)，該板可以編程控制，故不用擔(dān)心烘箱內(nèi)溫度控制。

圖2 自動(dòng)恒溫烘干裝置

要提高空氣溫度，對(duì)于氣體的傳熱方式主要是對(duì)流，故要?dú)怏w流動(dòng)起來(lái)[6]，所以，要在烘箱內(nèi)加一個(gè)風(fēng)扇，一方面增加空氣流速，可以通過(guò)對(duì)流的熱傳遞方式快速提高烘箱內(nèi)的溫度；另一方面在烘箱烘干引線(xiàn)過(guò)程中，增加空氣流速，也可以提高水份的蒸發(fā)速率。

根據(jù)扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)線(xiàn)筒的線(xiàn)速度為0.8m/s，則依照該速度需計(jì)算出0.8m 長(zhǎng)濕線(xiàn)的含水量，就可根據(jù)水的蒸發(fā)速率在理論上較準(zhǔn)確地計(jì)算出水份的蒸發(fā)時(shí)間。因本方案采取利用熱風(fēng)烘干濕引線(xiàn)，則水的蒸發(fā)過(guò)程可依據(jù)非自然界環(huán)境條件下的水表面蒸發(fā)速率公式來(lái)預(yù)測(cè)0.8m 濕引線(xiàn)所含水份的蒸發(fā)時(shí)間，如下公式所示：

根據(jù)蒸發(fā)水的熱量為126J，考慮損失后引線(xiàn)在烘箱內(nèi)的時(shí)間為4s，故可知引線(xiàn)烘干每秒所需熱量約為35 J，因單個(gè)PTC 加熱板每秒可實(shí)現(xiàn)熱量為0.75J，由此可得出共需42 塊12mm×8mm規(guī)格的PTC 加熱板。

3 引線(xiàn)成形機(jī)的虛擬裝配及仿真

在扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)的主要零部件已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)該機(jī)器的零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，得了各部分零件的三維立體圖，如圖3 所示。為了驗(yàn)證改進(jìn)后的扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)工作的可靠性，需首先運(yùn)用軟件將各個(gè)零部件進(jìn)行虛擬裝配，對(duì)裝配好的引線(xiàn)機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，一方面可以看出整個(gè)新型扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)作情況；另一方面可以根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，查看輸出的參數(shù)與期望值是否一樣,如圖3。

根據(jù)扭捻式火藥引線(xiàn)成形機(jī)的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)于做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)軸、帶輪和線(xiàn)筒等，要定義為旋轉(zhuǎn)副；對(duì)于絲杠做滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，則定義其為滑動(dòng)副傳動(dòng)副有齒輪副、齒輪齒條副、線(xiàn)纜副等傳動(dòng)副；對(duì)于本機(jī)器中的帶傳動(dòng)可根據(jù)其傳動(dòng)比，用齒輪副模擬，對(duì)于錐齒輪、蝸輪蝸桿也同樣用齒輪副；如圖4 所示，為定義后的傳動(dòng)副總圖。

圖3 三維立體圖

圖4 傳動(dòng)副總圖

圖5 運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)圖

仿真結(jié)果分析，設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)間為6s，運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)1000 步完成。通過(guò)設(shè)定輸出運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的連桿，能夠查看輸出效果。通過(guò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器中的“XY-Graphing”,在選擇對(duì)象中選擇線(xiàn)筒；在請(qǐng)求欄中選擇“速度”，在組件欄中選擇“角度幅值”。通過(guò)仿真得到運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)圖如圖5 所示。仿真得到該線(xiàn)筒的角度幅值是1.82×103degrees/sec，經(jīng)換算成轉(zhuǎn)速約為300r/min。輸出的線(xiàn)筒轉(zhuǎn)速與期望值非常接近，所以，設(shè)計(jì)出的新型扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)是可行的。

結(jié)束語(yǔ)

分析了引線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程中存在的各種問(wèn)題；進(jìn)行扭捻式引線(xiàn)成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了烘干裝置實(shí)現(xiàn)了一次性生產(chǎn)成品引線(xiàn)的功能，該裝置的設(shè)計(jì)包含烘干方式、引線(xiàn)走勢(shì)、烘干時(shí)間的計(jì)算、烘箱內(nèi)零件的材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了三維造型。最后，將引線(xiàn)成形機(jī)的主要零部件通過(guò)三維軟件虛擬裝配技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，再做運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析評(píng)估，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)出的扭捻式引線(xiàn)成形機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是可行的。