鋼卷穿心纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性分析

毛玉祥，潘登輝，康運(yùn)江，王紅軍，左 斌，田儒劍

(1.中國機(jī)械科學(xué)研究總院 機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044)(2.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

為避免冷軋生產(chǎn)的鋼卷在儲存過程中出現(xiàn)受潮、生銹，或在起吊、運(yùn)輸過程中發(fā)生磕碰等由于外力造成損傷的情況，操作工人通常需要對鋼卷內(nèi)外表面包裝多種材料[1]。鋼卷纏繞膜包裝作為纏繞膜包裝中最重要的工序之一，主要起到防銹、防塵和防潮的重要作用[2]。但是目前該工序的包裝仍以手工作業(yè)為主，這種操作方法不僅步驟繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且包裝外觀不美觀、密封性較差，無法滿足包裝的速度要求和質(zhì)量要求[3-5]。目前國內(nèi)關(guān)于纏繞機(jī)的研制仍是空白，只有少數(shù)大型鋼廠進(jìn)口自動化纏繞包裝設(shè)備，但是其造價(jià)昂貴、設(shè)備維修復(fù)雜，對大多數(shù)企業(yè)很不友好[6-8]。所以加快引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，自主創(chuàng)新、研發(fā)大型自動化纏繞設(shè)備已是勢在必行。

1 穿心纏繞機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的鋼卷穿心纏繞包裝機(jī)，力求滿足以下要求：1)基于穿心纏繞工藝[8]，通過機(jī)構(gòu)動作可以實(shí)現(xiàn)纏繞膜、防銹紙及紙護(hù)角的同時(shí)包裝；2)根據(jù)車間結(jié)構(gòu)布局及待包裝工件規(guī)格，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸，避免設(shè)備在包裝過程中與鋼卷及車間結(jié)構(gòu)等發(fā)生碰撞，整個(gè)裝備占用的工作空間和跨度應(yīng)盡可能減少，以增加待包裝鋼卷等工件的流動空間；3)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性滿足生產(chǎn)規(guī)定。

1.2 纏繞機(jī)總體結(jié)構(gòu)

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)的纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)及樣機(jī)如圖1所示。纏繞機(jī)由包裝系統(tǒng)和定位系統(tǒng)組成：包裝系統(tǒng)包括纏繞小車和護(hù)角機(jī)，負(fù)責(zé)纏繞膜、防銹紙和紙護(hù)角的包裝；定位系統(tǒng)包括可以實(shí)現(xiàn)空間X、Y、Z方向直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)將包裝系統(tǒng)運(yùn)載至包裝位置。

1.固定機(jī)架2.纏繞小車3.滾包機(jī)4.纏繞機(jī)定位系統(tǒng)5.護(hù)角機(jī)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 包裝系統(tǒng)

2.1.1 纏繞小車

纏繞小車是整個(gè)設(shè)備的核心，主要由動力小車、放卷小車組成，如圖2所示。包裝開始前準(zhǔn)備好纏繞膜和防銹紙兩種材料，包裝開始后纏繞小車沿著封閉的包裝軌道穿過需要包裝的鋼卷的卷眼，勻速往復(fù)圓周運(yùn)動，配合滾包機(jī)上鋼卷的轉(zhuǎn)動將材料按照設(shè)定的重疊率均勻地包裹在鋼卷表面。同時(shí)包裝所需材料的規(guī)格都是按照需要包裝的鋼卷的規(guī)格量身定做的，所以在高效完成鋼卷包裝的同時(shí)也不會造成材料的浪費(fèi)。

1.動力小車2.同步帶輪3.行走輪系4.纏繞膜放卷小車5.彈簧緩沖機(jī)構(gòu)6.防銹紙放卷小車

2.1.2 動力小車

為保證纏繞小車可以沿著垂直放置的軌道連續(xù)運(yùn)行，行走輪系的成對膠輪上下安裝，卡在軌道邊緣的內(nèi)、外側(cè)，對纏繞小車沿軌道內(nèi)外側(cè)進(jìn)行限位，同時(shí)行走輪系外側(cè)安裝有側(cè)輪，可以對纏繞小車沿軌道的左右兩側(cè)進(jìn)行限位。為保證纏繞小車在運(yùn)行過程中，尤其是在爬坡和下降的過程中不打滑、提供足夠的牽引力，同時(shí)較為精確地控制運(yùn)行速度和位置，動力小車的動力源選擇通過齒輪、齒條的傳動方式。動力小車上安裝有主動齒輪，齒條安裝于軌道中央，伺服電機(jī)提供動力通過同步帶輪帶動主軸使行走齒輪轉(zhuǎn)動。

2.1.3 放卷小車

放卷小車負(fù)責(zé)纏繞膜放卷速度控制和張力控制。為保證在包裝過程對放卷速度的精確控制，選用傳動比準(zhǔn)確、傳動精度高的帶傳動，伺服電機(jī)通過同步帶輪對放卷軸速度進(jìn)行控制。除此之外，由于在包裝過程中纏繞小車穿過鋼卷內(nèi)孔前后纏繞膜張力會發(fā)生突變，所以設(shè)計(jì)了一種彈簧緩沖機(jī)構(gòu)，通過彈簧的伸縮為快速的纏繞膜張力變化提供緩沖。

2.1.4 包裝軌道

包裝軌道結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個(gè)軌道由兩個(gè)C形軌道對中拼接組成。軌道兩側(cè)突出寬度與小車兩側(cè)側(cè)輪的距離相同，厚度與上下滾輪間距相同，這樣就能讓小車沿軌道運(yùn)行。同時(shí)為保證兩側(cè)C形軌道精準(zhǔn)對中拼接在一起，上下邊緣安裝有對中塊，通過機(jī)械耦合的方式結(jié)合。

1.軌道支撐結(jié)構(gòu) 2.C形軌道 3.對中塊

2.1.5 包裝工作原理

開始包裝時(shí)，纏繞小車沿著封閉軌道移動，從鋼卷卷眼穿過，放卷軸不停放卷，內(nèi)層包裹防銹紙，外層包裹纏繞膜，同時(shí)鋼卷沿軸線不停轉(zhuǎn)動，使包裝材料均勻包裹在鋼卷表面，如圖4所示。

圖4 纏繞包裝過程示意

2.1.6 護(hù)角機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

護(hù)角機(jī)各部分結(jié)構(gòu)如圖5所示。整體結(jié)構(gòu)如圖5(a)，待包裝的護(hù)角材料放置于護(hù)角圓盤上。當(dāng)包裝開始時(shí)，動輥氣缸伸出使從動輥和驅(qū)動輥夾緊護(hù)角材料，同時(shí)電機(jī)減速機(jī)帶動主動輥轉(zhuǎn)動通過摩擦力輸送護(hù)角帶，入口處安裝有曲面的直角折彎板，將護(hù)角圓盤放卷的護(hù)角折成直角，放卷結(jié)構(gòu)如圖5(b)。輸送部分為雙層夾板，對護(hù)角的輸送進(jìn)行上下限位，同時(shí)在出口處安裝有小型圓盤對護(hù)角輸送左右方向進(jìn)行限位，這樣就可以將護(hù)角按照預(yù)設(shè)的方向和形狀包裝在鋼卷上。包裝紙護(hù)角時(shí)同時(shí)包裝纏繞膜，并利用纏繞膜的張緊力將紙護(hù)角固定住。當(dāng)包裝結(jié)束后，由護(hù)角切刀將護(hù)角切斷。

1.端面貼緊模塊 2.出口夾板 3.氣缸 4.切刀5.從動輥 6主動輥 7.放卷盤

2.2 定位系統(tǒng)

纏繞機(jī)的定位系統(tǒng)如圖6所示，主要包括平移機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、C形軌道移動機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空間X、Y、Z方向的直線運(yùn)動。電機(jī)通過變速器變速提供動力源，通過錐齒輪傳動換向，利用絲杠傳動實(shí)現(xiàn)橫梁的升降；通過齒輪齒條傳動方式實(shí)現(xiàn)橫梁的精確平移；軌道的對中也是通過絲杠傳動實(shí)現(xiàn)的。

1.平移機(jī)構(gòu) 2.升降機(jī)構(gòu) 3.C形軌道移動機(jī)構(gòu)

3 關(guān)鍵零部件靜力學(xué)分析

通過有限元法進(jìn)一步對穿心纏繞機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)及振動分析，有助于進(jìn)一步對相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能是否能滿足實(shí)際工作的安全性要求[9]。由于穿心纏繞機(jī)總裝模型存在較多零部件，部件又有許多細(xì)節(jié)特征，為節(jié)省仿真資源，同時(shí)保證求解的效率和準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，即將零部件中的小孔、倒角等對剛度強(qiáng)度影響微小的細(xì)節(jié)進(jìn)行省略。

3.1 材料設(shè)定

穿心纏繞機(jī)的固定機(jī)架和橫梁選用綜合性能較好的Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，纏繞小車的側(cè)板和支撐板選用質(zhì)量較輕的鋁合金材料，主動軸選用45鋼，主動齒輪和齒條選用40Cr，材料為各向同性分布，假設(shè)熱參數(shù)在一定范圍內(nèi)不隨溫度變化，具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.2 有限元分析

對移動橫梁和機(jī)架分別在包裝狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)和運(yùn)行過程最可能發(fā)生危險(xiǎn)的位置進(jìn)行分析，如圖7所示。對6個(gè)底角添加固定約束，各部分的重量以標(biāo)準(zhǔn)地球重力加速度形式施加于模型上，同時(shí)在纏繞機(jī)橫梁和護(hù)角機(jī)橫梁上錐齒輪換向機(jī)構(gòu)安裝處施加力21 000 N和8 350 N，模擬纏繞機(jī)和護(hù)角機(jī)的重量。分析結(jié)果如表2所示。計(jì)算求得安全系數(shù)均大于1.5，證明該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可進(jìn)行一定優(yōu)化。

表2 有限元分析結(jié)果

圖7 橫梁和機(jī)架潛在危險(xiǎn)位置分析

在正常包裝狀態(tài)下，橫梁及軌道受力狀態(tài)如圖8所示。橫梁最大變形位置發(fā)生在中間，形變量為0.86 mm，滿足實(shí)際工作要求，同時(shí)主動齒輪和軌道的最高M(jìn)ises應(yīng)力小于最小許用應(yīng)力值，且安全系數(shù)大于1.5，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖8 正常狀態(tài)下關(guān)鍵部件受力狀態(tài)

3.3 模態(tài)分析

為了預(yù)測模態(tài)頻率及振型對穿心纏繞機(jī)振動的影響，首先在Solidworks中對其進(jìn)行三維建模，適當(dāng)簡化后將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行約束模態(tài)求解，對固定機(jī)架底角進(jìn)行完全約束，仿真得到穿心纏繞機(jī)的前6階模態(tài)固有頻率如表3所示，前6階模態(tài)振型如圖9所示。

表3 前6階模態(tài)

圖9 前6階模態(tài)振型

由模態(tài)分析結(jié)果可知，前3階產(chǎn)生不同的頻率，造成整個(gè)機(jī)構(gòu)分別向右、向上和繞中心位移；第4、5階會引起Z軸方向的變化且第5階變化量明顯增大；第6階會造成左右晃動。通過初步的模態(tài)分析，可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提供理論分析基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)鋼卷包裝的實(shí)際需求和穿心纏繞包裝工藝，對鋼卷穿心纏繞機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，并對其結(jié)構(gòu)及其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過對所設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析和模態(tài)分析，證明該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論分析基礎(chǔ)。

本文所設(shè)計(jì)的鋼卷穿心纏繞機(jī)的創(chuàng)新之處在于：1)纏繞膜的張力控制方式為電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制與帶有彈簧緩沖的機(jī)械結(jié)構(gòu)相配合的方式，張力控制更穩(wěn)定；2)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)包裝纏繞膜和護(hù)角兩種材料，效率更高，質(zhì)量更好；3)纏繞機(jī)和護(hù)角機(jī)的定位方式采用三自由度獨(dú)立控制，通過理論計(jì)算、傳感器感應(yīng)和機(jī)械鎖緊相配合的方式，使定位效果更好、調(diào)試更方便。

綜上所述，該機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，可以替代人工實(shí)現(xiàn)纏繞膜包裝的自動化，有效提高包裝效率和包裝質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。