鏈條輸送機(jī)維修夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李治勇， 張?jiān)粕?尹立武， 趙 波， 楊秀峰

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大理卷煙廠， 云南 大理 671000）

引言

鏈傳動(dòng)是應(yīng)用較廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)，其機(jī)械傳動(dòng)效率大于93%[1]。鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性件（鏈條）的嚙合傳動(dòng)[2]，廣泛應(yīng)用于煙草生產(chǎn)企業(yè)的包裝設(shè)備上，左右兩組對(duì)稱設(shè)置的鏈傳動(dòng)配合使用，常應(yīng)用于煙包的輸送和煙條的提升。滾子鏈鏈條扣上安裝有等距離的推進(jìn)器，用以輸送煙包或煙條。設(shè)備生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)鏈條扣和推進(jìn)器進(jìn)行維修更換。由于滾子鏈輸送沒有使用張緊輪，通常維修時(shí)需拆卸鏈輪、電機(jī)等，需要重新調(diào)整同步，因此增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。安裝調(diào)試滾子鏈時(shí)，難度最大的就是鏈條扣的更換和安裝了，尤其是鏈條銷軸的安裝，因?yàn)殒湕l銷軸與鏈條扣圓孔之間的同心度裝配精度要求較高，且鏈條張力比皮帶之類的要大得多，人工克服該張力較困難，所以研制一種鏈條維修夾具來輔助維修是很有必要的。李存華等[3]對(duì)雙鏈條輸送機(jī)鏈條扣的維修夾具問題進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，取得了一定的效果，但對(duì)于鏈條輸送機(jī)上推進(jìn)器維修夾具的研究尚未見報(bào)道。

1 夾具裝置設(shè)計(jì)

1.1 推進(jìn)器定位分析

鏈條輸送機(jī)上安裝有等距離的推進(jìn)器，數(shù)量較多。推進(jìn)器結(jié)構(gòu)見圖1，其材料為樹脂塑料，安裝在鏈條扣上。推進(jìn)器通過加長(zhǎng)的銷軸、增加的前后兩側(cè)外鏈板和彈性鎖片來進(jìn)行定位連接，加長(zhǎng)的銷軸依次通過內(nèi)側(cè)的外鏈板、內(nèi)鏈板、套筒、滾子、內(nèi)鏈板和外鏈板，內(nèi)側(cè)兩邊的外鏈板可防止推進(jìn)器底座的磨損。

圖1 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)思想及要求

為了提供一種新型鏈條維修夾具及使用方法，在不改變同步的情況下，實(shí)現(xiàn)在滾子鏈上對(duì)鏈條扣和鏈上推進(jìn)器的快速維修，提高維修效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。夾具設(shè)計(jì)具體要求如下：

1）夾具應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，在使用過程中保證不發(fā)生失效破壞，并且變形量在一定范圍內(nèi)。

2）設(shè)計(jì)過程中綜合考慮滾子鏈和推進(jìn)器的操作范圍，控制夾具裝配后的總體尺寸，以保證合理的裝夾空間，避免干涉。

3）合理利用材料，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)夾具輕量化，并且拆裝方便[4]。

1.3 設(shè)計(jì)方案

本文解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種新型鏈條維修夾具，由兩個(gè)爪桿、兩個(gè)桿端關(guān)節(jié)軸承和一根螺桿構(gòu)成，兩個(gè)爪桿通過螺栓的活動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺桿與爪桿之間通過桿端關(guān)節(jié)軸承連接，利用桿端關(guān)節(jié)軸承將螺桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為爪桿的微幅旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。維修夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見下頁(yè)圖2。

圖2 維修夾具結(jié)構(gòu)示意圖

新型鏈條維修夾具包括兩個(gè)爪桿、桿端關(guān)節(jié)軸承和螺桿，其中一爪桿由帶圓爪的桿和連接擋塊組成，另一爪桿由帶圓爪的桿和連接擋塊組成，二者通過焊接的方式加工而成, 形成一個(gè)不可分割的整體。兩個(gè)爪桿中部使用非全螺紋螺栓和螺母實(shí)現(xiàn)活動(dòng)鏈接。螺桿與爪桿之間通過桿端關(guān)節(jié)軸承連接，螺桿與爪桿之間通過桿端關(guān)節(jié)軸承連接，卡簧用于爪桿和桿端關(guān)節(jié)軸承之間的軸向固定，卡簧用于軸向固定爪桿和桿端關(guān)節(jié)軸承，螺桿上設(shè)有鎖緊螺母。

桿端關(guān)節(jié)軸承的球面滑動(dòng)軸承內(nèi)圈與爪桿端部連接，并用卡簧進(jìn)行軸向固定。桿端關(guān)節(jié)軸承的柱螺栓諾孔與雙頭螺桿螺紋連接，同時(shí)利用螺母來進(jìn)行鎖緊。桿端關(guān)節(jié)軸承通過其球面內(nèi)圈的作用可在一定角度范圍內(nèi)做傾斜運(yùn)動(dòng)。

所述的爪桿結(jié)構(gòu)如圖3 所示，連接擋塊端部設(shè)計(jì)有圓角和通孔，從而能夠通過中部螺栓螺母的鏈接實(shí)現(xiàn)微幅的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。爪桿帶圓爪的桿右端爪部為圓弧形，其尺寸大小根據(jù)滾子鏈滾子套筒來確定并通過熱處理確保其使用強(qiáng)度。桿左端設(shè)計(jì)有與桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈配合的圓軸，同時(shí)桿左端設(shè)計(jì)有與卡簧相對(duì)應(yīng)的卡環(huán)。

圖3 爪桿部件的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 所示為所述的螺桿結(jié)構(gòu)示意圖，調(diào)節(jié)螺桿兩端螺紋旋向相反，螺桿兩端分別與對(duì)應(yīng)的桿端關(guān)節(jié)軸承螺接，調(diào)節(jié)螺桿中部開有供扳手插入的開口，其長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺桿使兩桿端關(guān)節(jié)軸承距離調(diào)大，通過桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)球面軸承的作用，帶動(dòng)兩爪桿部分以中部螺栓為中心作微幅旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩圓爪距離變小從而達(dá)到圓爪對(duì)鏈條的夾緊。

圖4 螺桿的設(shè)計(jì)示意圖

2 維修夾具的有限元分析

若不計(jì)各種附加動(dòng)載荷，傳動(dòng)鏈條的緊邊張力F1，由有效圓周力F、離心力引起的張力Fc及松邊垂度引起的張力Ff所組成。傳動(dòng)鏈松邊的張力F2則由Fc及垂度引起的張力kf兩部分組成[5]。以上各力計(jì)算公式如下：

式中：P 為鏈傳動(dòng)傳遞功率kW；v 為緊邊鏈速m/s；q為每米鏈長(zhǎng)的質(zhì)量kg/m；g 為重力加速度m/s2；l 為鏈輪中心距；Kf為垂度系數(shù)，滾子輸送鏈水平工作時(shí)Kf=6～7，垂直工作時(shí)Kf=1。

維修夾具為克服傳動(dòng)鏈的受力而將其夾緊，帶入各參數(shù)，鏈條緊邊所受的張力約為50 N，則夾具所受到的壓力值略比此大。夾具中爪桿的材料為調(diào)質(zhì)45 號(hào)鋼，螺桿材料為45 號(hào)鋼，球頭桿端關(guān)節(jié)軸承為不銹鋼。滾子鏈材料35CrMo，均為各向同性，參數(shù)如表1 所示。

表1 材料性能參數(shù)

采用的有限元分析軟件為ANSYS Workbench 17.0，其分析過程包括四個(gè)主要的步驟：初步確定、前處理、加載并求解和后處理[6]。將建立好的夾具三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，定義夾具的材料屬性，如彈性模量、材料密度、泊松比等。然后在Meshing 平臺(tái)采用Automaic（自動(dòng)網(wǎng)格劃分）的方式對(duì)模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 夾具網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，設(shè)置相應(yīng)的約束條件。兩端桿端關(guān)節(jié)軸承其球面內(nèi)圈與爪桿固定連接，球面內(nèi)圈存在著旋轉(zhuǎn)副，見下頁(yè)圖6；兩個(gè)爪桿中部螺栓連接部分同軸，也存在著旋轉(zhuǎn)副。

圖6 添加球面內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)副約束

給夾具爪桿圓弧設(shè)置正確的面載荷，計(jì)算得到夾具的有限元分析結(jié)果，圖7 和圖8 所示為夾具裝置的應(yīng)力圖和總變形圖。

圖7 夾具有限元分析結(jié)果應(yīng)力圖

圖8 夾具有限元分析結(jié)果變形圖

圖7 可見夾具應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)的位置和具體數(shù)值，應(yīng)力值遠(yuǎn)低于400 MPa，小于材料的屈服極限，在安全范圍以內(nèi)。圖8 中的夾具變形量是放大后畫出的，最大形變位移發(fā)生在爪桿的圓弧邊緣位置，位移大小為0.012 7 mm，小于一般維修夾具的變形量，因此該夾具具有足夠的強(qiáng)度，是安全可靠的，滿足其工作要求。

3 維修夾具的應(yīng)用

3.1 夾具的使用方法

使用該夾具時(shí)，用扳手旋轉(zhuǎn)螺桿，適當(dāng)調(diào)小桿端關(guān)節(jié)軸承之間的距離，使兩爪桿的下端圓爪部分張開至足以能夠放入需維修鏈條扣或推進(jìn)器的相鄰滾子鏈的兩滾子內(nèi)為止，見圖9。

圖9 夾具的一工作狀態(tài)

然后，用扳手旋轉(zhuǎn)螺桿不斷加大桿端關(guān)節(jié)軸承之間的距離，使兩爪桿的下端圓爪部分以螺栓為中心向內(nèi)不斷收縮，直到需更換的鏈條扣出現(xiàn)松弛狀態(tài)。此時(shí)鎖緊螺母，現(xiàn)在即可更換鏈條扣、鏈板、鏈軸或推進(jìn)器。

維修完畢后，松開螺母，旋轉(zhuǎn)螺桿減小兩桿端關(guān)節(jié)軸承之間距離，使兩爪桿圓爪部分慢慢松開，直到取出夾具為止。這時(shí)整個(gè)滾子鏈在自重、下半部分的趟勢(shì)和配重的拉力下已繃得緊緊的，在確保鏈條被截?cái)鄷r(shí)不與鏈輪分開的前提下，整個(gè)更換工作結(jié)束。

3.2 應(yīng)用效果

夾具性能評(píng)價(jià)是對(duì)設(shè)計(jì)完成的夾具的有關(guān)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，用以保證夾具設(shè)計(jì)的質(zhì)量。性能評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括定位精度、加工表面精度、夾緊和加工穩(wěn)定性、抵抗夾具元件變形的剛度、表面可及性等[7]，通過實(shí)際應(yīng)用來對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

材料：“紅塔山（硬經(jīng)典100）”牌卷煙[由紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大理卷煙廠提供]。

設(shè)備：foke350S 包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：根據(jù)DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)foke350S 型包裝機(jī)使用夾具裝置前后鏈條輸送機(jī)更換鏈條扣或推進(jìn)器的維修時(shí)間。

由表2 可見，使用夾具后因鏈條輸送機(jī)故障的停機(jī)維修時(shí)長(zhǎng)由40 min 減少為11 min，停機(jī)維修時(shí)長(zhǎng)降低72.5%。使用維修夾具后，減輕了維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了包裝機(jī)生產(chǎn)效率。

表2 使用夾具前后因鏈條輸送機(jī)故障的停機(jī)時(shí)間 min

4 結(jié)語(yǔ)

該夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，包含制造的零部件少，具有成本低、易于推廣的特點(diǎn)。在煙草企業(yè)的包裝設(shè)備上對(duì)滾子鏈鏈條扣和輸送鏈上推進(jìn)器的更換、維修，具有高效快捷的特點(diǎn)，可試用于其他工業(yè)企業(yè)類似規(guī)格滾子鏈的維修、安裝和調(diào)試工作，根據(jù)鏈條不同的節(jié)距和需要的長(zhǎng)度，通過加長(zhǎng)或縮短兩爪桿和螺桿的尺寸來滿足不同滾子鏈的使用要求，具有降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高維修效率的特點(diǎn)。