金剛石組合繩鋸半自動壓膠條裝置的設計

劉海洋

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室，廣西 桂林 541004；3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質研究院有限公司 國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

金剛石繩鋸作為一種高精柔性切割工具，已歷經(jīng)了近50余年的發(fā)展[1]。隨著中國現(xiàn)代化進程的開展，石材已經(jīng)成為我國建材行業(yè)的重要材料之一[2]。作為石材加工的重要工具，金剛石組合繩鋸切割花崗巖大板具有鋸切石材利用率高、對環(huán)境友好、板材表面質量好、生產(chǎn)效率高及綜合成本低等特點[3]。隨著金剛石繩鋸機械及金剛石繩鋸切割技術的快速推廣使用，我國石材荒料開采已進入金剛石繩鋸時代[4]。隨著金剛石繩鋸制造工藝優(yōu)化[5]，金剛石繩鋸的性能不斷提高，金剛石繩鋸工具快速發(fā)展[6]。與其配套使用的組合繩鋸機需求量及使用頻率加大，從而造成組合繩鋸機各工作輪壓膠條的工作量也隨之增加。由于組合繩鋸機設備體積大，使用現(xiàn)有的人工敲擊安裝保護膠條的方式，更換效率低，勞動強度大，嚴重影響了使用現(xiàn)場對組合繩鋸機的使用和組合繩鋸機的生產(chǎn)效率。因此，本文通過設計一款成本低、操作簡單、工作效率高、體積小便于移動的針對組合繩鋸機工作輪保護膠條的安裝、更換的壓膠條裝置，以此來解決目前人工手動安裝保護膠條存在的問題。

1 金剛石組合繩鋸機膠條相關結構

1.1 滾輪結構

組合繩鋸機的滾輪在設計之初多采用一體包膠式結構，在實際使用中因外部包膠容易磨損，繩槽磨損后引起繩鋸抖動，切割出的石板薄厚不均，嚴重影響了石板的質量，且一體式包膠輪無法對單獨某條繩槽進行修復，往往因個別繩槽的磨損，需要更換整個滾輪，維修費用過高，且維修時間較長，嚴重影響生產(chǎn)進度與企業(yè)效益。為了解決上述問題，技術人員設計出了安裝膠條式滾輪。安裝膠條式滾輪從結構上分為一體式、分組式、分體式三種結構。其中一體式結構滾輪體采用整根圓管或整塊鋼板卷制成圓(直徑過大沒有標準圓管)，然后在車床上加工膠條卡槽，因在后期維護方面一體式結構滾輪維護成本偏高，所以又分別設計出了分組式結構和分體式結構。分組式結構與分體式結構是將整個滾輪體分為若干個單元，在后期維護時單獨對每個單元進行維修或更換，大大降低了維護成本。但因其結構原因，多單元獨立運動不利于作為主動輪，同時因裝配原因不如一體式加工各繩槽間距精準，因此多應用在從動輪上。而一體式結構各繩槽為一次車出，間距非常精準。且因整個滾輪為一個整體，方便作為主動輪，所以一體式結構更多地應用在主動輪與導輪上。

根據(jù)不同結構滾輪的使用情況，設計人員設計了兩種不同的膠條卡槽結構。一體式及分體式膠條卡槽結構一致，多采用圖1所示結構。此結構設計成V型口與平底槽結構，既方便膠條的安裝又可以防止膠條脫出。因分體式膠條與膠條之間不能相互依靠，所以膠條卡槽多采用圖2所示結構。相比于卡槽1，此結構增加了兩個擋邊，可以保證膠條不會發(fā)生左右移動。

圖1 卡槽1Fig.1 Card slot 1

圖2 卡槽2Fig.2 Card slot 2

1.2 膠條結構

為對應不同結構的膠條卡槽，膠條設計出兩種結構，如圖3、圖4所示。其中圖3結構多應用在分體從動輪。圖4多應用于主動輪、導輪、分組從動輪。

圖3 膠條1Fig.3 Rubber strip 1

圖4 膠條2Fig.4 Rubber strip 2

2 半自動壓膠條裝置的設計

2.1 設計研發(fā)思路

安裝膠條需要一定的壓力，考慮現(xiàn)場的實際情況及使用便捷性，選用氣缸作為執(zhí)行元件。壓緊膠條后，為實現(xiàn)一圈的膠條自動壓入，前段壓持部分設計兩個壓輪，由電機提供動力，帶動滾輪旋轉。為防止打滑，壓輪端面開齒增大摩擦力。為適用于不同直徑滾輪，需要設計角度調節(jié)桿，調節(jié)壓輪角度。根據(jù)上述研發(fā)思路，研究人員在大型三維設計軟件Solidworks中完成半自動壓膠條裝置的三維建模工作，對各個零件的尺寸進行確認，借助計算機尋找配合關系[7]。

2.2 整體結構

本文設計的半自動壓膠條裝置包括：1壓持裝置、2動力裝置、3角度調節(jié)桿3個部分，如圖5所示。壓持裝置包括固定支架、位置調節(jié)桿、伸縮支架、氣缸等部分。固定支架固定在位置調節(jié)桿上，通過氣缸帶動伸縮支架移動實現(xiàn)壓力輸出。動力裝置包括電機、鏈輪、支架、壓輪等部分。電機提供動力并通過鏈輪帶動壓輪轉動。角度調節(jié)桿通過旋轉調節(jié)螺母改變壓輪角度，使裝置可以適用于不同直徑的滾輪。

圖5 半自動壓膠條裝置Fig.5 Semi-automatic rubber pressing device

2.3 關鍵部件設計

2.3.1 氣缸選取

依據(jù)現(xiàn)場實驗得膠條完美壓入的壓力F0最小需要940 N，現(xiàn)場氣壓P為0.6 MPa。

(1)

(2)

根據(jù)氣缸的負載率(表1)：

表1 負載率Table 1 Load rate

(3)

因此選擇63 mm缸徑的氣缸，同時利用 Solidworks尋找配合關系，得出行程100 mm的氣缸可以滿足使用，綜上選取了行程100 mm、缸徑63 mm的亞德客SC63X100S型氣缸。

2.3.2 電機選取

已知組合繩鋸機工作輪的慣量J為4990 kg·m2，壓膠條線速度v要求為0.082 m/s，工作輪直徑2.3 m，工作輪從靜止到壓膠工作轉速的加速時間t為0.5 s，取安全系數(shù)k=2，效率η等于0.6。則：

(4)

(5)

(6)

工作輪所需扭矩：T=J·β=4990×0.14=698.6 N·m

(7)

選用轉速N電等于1400 r/min的電機，則：

(8)

(9)

電機理論功率：P=T電·N電/9550=0.34×1400÷9550=0.05 kW

(10)

(11)

因此選用功率0.18 kW的電機。壓輪直徑設計為0.12 m，利用相同大小鏈輪傳動，則減速機的傳動比等于1911.8÷2.3×0.12=99.7(取100)。

綜上所述，選用轉速1400 r/min、額定功率0.18 kW、減速機傳動比為100的NMRV050-100-0.18-4型減速電機。

2.3.3 壓輪設計

為了更容易將膠條壓入組合繩鋸機工作輪，設計兩個壓輪同時壓持膠條，兩個壓輪一前一后排放，前面壓輪對膠條進行預壓緊，后面壓輪將膠條壓到指定位置。為適用不同形狀的膠條，設計壓輪為臺階式結構(圖6)。為防止壓輪與膠條打滑，在壓輪四周開齒增大摩擦力(圖7)。

圖6 側圖Fig.6 Lateral view

圖7 齒形圖Fig.7 Tooth shape map

2.3.4 角度調節(jié)桿

角度調節(jié)桿的作用是調節(jié)兩個壓輪與工作輪的角度，使其適用于不同直徑的組合繩鋸機工作輪，使整個壓膠條過程更加容易。角度調節(jié)桿由中間的調節(jié)桿跟兩端的連接桿組成，調節(jié)桿兩端螺紋一邊為左旋、一邊為右旋，兩端連接桿螺紋與調節(jié)桿對應，達到轉動調節(jié)桿時兩端連接桿同時伸出或同時收縮的目的。調節(jié)桿外表面銑扁位，方便使用扳手進行調節(jié)，其結構見圖8。

圖8 角度調節(jié)桿Fig.8 Angle adjusting lever

3 實際應用測試分析

在實際應用中，首先將半自動壓膠條裝置固定在位置調節(jié)桿上，接通電源、氣源，調節(jié)半自動壓膠條裝置位置，使其與組合繩鋸機工作輪槽口對齊，轉動角度調節(jié)桿使兩個壓輪面與組合繩鋸機工作輪面大致處于相同距離，將膠條放置在槽口處，向前推動氣動開關使壓持支架伸出，將膠條壓入槽口，觀察膠條壓入位置，如位置未達到要求，通過調節(jié)氣缸壓力及角度調節(jié)桿使其達到要求，然后打開電機開關，使壓輪通過膠條帶動繩鋸機工作輪轉動完成一圈壓膠條工作(可根據(jù)不同硬度壓膠條的壓入情況，調節(jié)轉速)，最后關閉電機開關，向后扳動氣動開關，收回壓持支架，完成一個槽口的壓膠條任務，整個安裝過程方便快捷。與之相對的，以往采用大錘敲擊安裝方式，在膠條的安裝過程中，工人需要一只手固定膠條，另一只手持錘進行敲擊，工人勞動強度大，且存在一定的安全隱患。并且因不同安裝人員的習慣不同，膠條安裝后質量參差不齊，得不到保障。膠條采用敲擊方式安裝，在敲擊過程中，膠條對膠條卡槽有一定的沖擊力，隨著更換膠條次數(shù)的增多，卡槽遭到破壞，無法卡緊膠條，在滾輪旋轉過程中，膠條容易脫落，存在一定的安全隱患。采用半自動壓膠條裝置安裝膠條是使膠條被緩慢壓入卡槽，對卡槽沒有沖擊力，可以大大增加卡槽的使用壽命。

分別對前后兩種膠條安裝方式進行跟蹤及工時統(tǒng)計，見表2。

表2 工時對比Table 2 Comparison of working time

根據(jù)表2數(shù)據(jù)對比可知，半自動壓膠條裝置的使用可大大提高工人的工作效率，其中導輪安裝膠條工時為此前的1/2，主動輪安裝膠條工時為此前的1/4，分體從輪安裝膠條工時為此前的1/3，為企業(yè)節(jié)約了大量的人工成本，縮短了整個組合繩鋸機的生產(chǎn)周期。大錘敲擊方式安裝膠條，每安裝1 m膠條，現(xiàn)場工人需要敲擊10次以上，以ZJP72組合繩鋸機為例，單單安裝主動輪的膠條，工人就要敲擊7000多次，工人勞動強度極大，使用半自動壓膠條裝置后，工人只需要控制氣缸和電機開關就可以輕松完成膠條安裝，大大降低了工人的勞動強度。

4 結論

(1)本文設計的半自動壓膠裝置的結構較為簡單，投入成本低，體積小，操作簡單，安裝及更換膠條效率高，位置偏差度小，且同時能夠適用于不同結構的膠條以及不同直徑的組合繩鋸機工作輪。此裝置的使用，讓膠條的安裝效率提高了50%以上，簡單的按鈕撥動代替了成千上萬次的大錘敲擊，降低了工人的勞動強度。

(2)氣動壓持裝置部分的設計可以對組合繩鋸機工作輪的保護膠條進行固定、壓緊，使得保護膠條能夠安裝得更加精準，保證了組合繩鋸機工作輪與保護膠條的緊密結合，從而降低偏差度，更好地保護組合繩鋸機工作輪。而電機傳送裝置部分確保了安裝、更換膠條的效率，操作簡單、方便快捷。