一種大型網(wǎng)帶式玻璃退火爐傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 斌，佘鵬程，郭 立，萬喜新

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

玻璃制品在成型過程中，優(yōu)于經(jīng)受了劇烈的溫度變化，使內(nèi)外層產(chǎn)生溫度梯度，并且由于制品的形狀、厚度、受冷卻程度等的不同，引起制品中產(chǎn)生不規(guī)則的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力會(huì)降低制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，也影響玻璃的光學(xué)均勻性，若應(yīng)力超過制品的極限強(qiáng)度，便會(huì)自行破裂。所以玻璃制品中存在不均勻的熱應(yīng)力是一項(xiàng)重要的缺陷。退火作為一種熱處理工藝，可使玻璃中存在的熱應(yīng)力盡可能地消除或減小至允許值，除玻璃纖維和薄壁小型空心制品外，幾乎所有的玻璃制品都需要進(jìn)行退火。玻璃退火，就是把具有永久應(yīng)力的玻璃制品重新加熱到玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)可以移動(dòng)的溫度，利用質(zhì)點(diǎn)的位移使應(yīng)力分散（稱為應(yīng)力松弛）來消除或減弱永久應(yīng)力。

大型網(wǎng)帶式玻璃退火爐根據(jù)工藝和生產(chǎn)率的需要，長度由20 m到100多米，網(wǎng)帶寬度（即爐膛有效寬度）由1 m到4 m不等，工藝時(shí)間則由十幾小時(shí)到幾十小時(shí)不等。我們研制的大型網(wǎng)帶式玻璃退火傳送系統(tǒng)為滿足不同玻璃制品退火工藝要求，可以變頻調(diào)節(jié)控制網(wǎng)帶的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)還可以設(shè)置網(wǎng)帶快速運(yùn)動(dòng)滿足工藝運(yùn)行前空載進(jìn)行爐溫曲線測(cè)試，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間和降低能耗。

1 傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

網(wǎng)帶寬度：1.5 m；

爐體長度：40 m；

最高工藝溫度：750℃（溫度可調(diào)）；

網(wǎng)帶速度：工藝時(shí)1～5 m/h可調(diào)，空載爐溫曲線測(cè)試時(shí)20 m/h；

網(wǎng)帶單位面積負(fù)載：200 kg/m2。

1.2 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

本傳送系統(tǒng)主要由不銹鋼網(wǎng)帶、雙離合變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和主動(dòng)輥、壓緊輥、配重輥、入口輥、支撐輥、導(dǎo)向軸承機(jī)構(gòu)、出口輥、返回托輥等組成，如圖1所示，其功能是將放置在不銹鋼網(wǎng)帶上的玻璃制品從爐頭輸送至爐尾，在爐膛內(nèi)經(jīng)過升溫、保溫、緩冷、速冷各工藝段達(dá)到退火消除玻璃內(nèi)應(yīng)力的目的。

圖1 傳送系統(tǒng)圖

本傳送系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)原理是借助主動(dòng)輥四周的大包角產(chǎn)生的摩擦力來驅(qū)動(dòng)網(wǎng)帶運(yùn)行。主動(dòng)輥表面包膠，兩側(cè)裝壓緊輥，壓緊輥將網(wǎng)帶壓緊在主動(dòng)輥上，以提高主動(dòng)輥的牽引能力，通過調(diào)節(jié)壓緊彈簧的力度來調(diào)節(jié)主動(dòng)輥對(duì)網(wǎng)帶的牽引力，原則上是調(diào)整到在滿負(fù)荷時(shí)網(wǎng)帶在主動(dòng)輥上不會(huì)打滑即可。因?yàn)榫W(wǎng)帶在載重和受熱的情況下會(huì)變形伸長，所以在網(wǎng)帶的松邊設(shè)計(jì)配重輥，使網(wǎng)帶保持一定的張力，當(dāng)網(wǎng)帶伸長的尺寸使配重輥接近設(shè)備支架下梁時(shí)，需停機(jī)將網(wǎng)帶截去一段。爐體內(nèi)設(shè)計(jì)支撐輥，在爐體下方返回網(wǎng)帶下面設(shè)計(jì)有返回托輥，支撐輥和返回托輥均可隨著網(wǎng)帶的移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，這樣既可以達(dá)到支撐網(wǎng)帶的目的，同時(shí)還減少網(wǎng)帶與輥之間的摩擦力，降低傳送電機(jī)的負(fù)荷。系統(tǒng)還配備了導(dǎo)向軸承機(jī)構(gòu)，用于網(wǎng)帶自動(dòng)糾偏，安裝在爐體進(jìn)出口位置網(wǎng)帶兩側(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行前調(diào)整各輥的平行度和導(dǎo)向軸承位置，可以防止網(wǎng)帶跑偏，確保網(wǎng)帶在爐芯管內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

雙離合變速機(jī)構(gòu)包括變頻電機(jī)、減速器、雙離合器、減速比分別為1:2和2:1的兩套鏈輪鏈條副、以及輔助安裝的安裝板、聯(lián)軸器、帶座軸承等組成，如圖2所示。變頻電機(jī)提供整個(gè)傳送系統(tǒng)的動(dòng)力，通過控制雙離合器兩端的離合來選擇不同減速比的鏈輪鏈條副作為動(dòng)力的傳送通道，減速比為1:2和2:1分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)空載測(cè)溫速度20 m/h和工藝速度1～5 m/h，1～5 m/h的變速調(diào)節(jié)則是采用變頻器控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，滿足不同工件退火工藝時(shí)間不同的要求。工藝運(yùn)行時(shí)網(wǎng)帶速度根據(jù)工件需要退火工藝時(shí)間來設(shè)定，而設(shè)備在進(jìn)行工藝運(yùn)行前需要測(cè)定設(shè)備工藝溫度曲線是否符合工藝需求，若采用工藝實(shí)際時(shí)間則嚴(yán)重浪費(fèi)能耗和時(shí)間，所以本系統(tǒng)采用雙離合變速機(jī)構(gòu)，增加一套空載測(cè)溫速度，專門用于工藝溫度曲線測(cè)試，縮短測(cè)試周期，降低能耗。

為防止負(fù)載過大或者網(wǎng)帶卡死的現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電機(jī)超負(fù)荷損壞，在主動(dòng)輥輪安裝設(shè)計(jì)時(shí)我們還增加了過載保護(hù)銷，鏈輪夾在安裝輪與定位輪之間，通過四個(gè)過載保護(hù)銷固定在安裝輪上，過載保護(hù)銷采用彈性壓片壓住，確保保護(hù)銷不會(huì)從銷孔中掉出，安裝輪與主動(dòng)輥采用鍵連接，如圖3所示。當(dāng)主動(dòng)輥負(fù)載超過一定范圍，鏈輪對(duì)安裝輪的傳輸扭矩大于四個(gè)過載保護(hù)銷的最大可承受剪切力時(shí)，過載保護(hù)銷將會(huì)斷裂，鏈輪和安裝輪脫開，鏈輪空轉(zhuǎn)，這樣可保護(hù)電機(jī)不會(huì)因?yàn)樨?fù)載過大而損毀。

圖3 鏈輪安裝圖

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

網(wǎng)帶單位面積承載G=200 kg/m2，爐體總長L爐體=40 m，網(wǎng)帶寬度W=1.5 m；網(wǎng)帶總負(fù)載：F負(fù)載=L爐體×W×G×g=40×1.5×200×9.8≈1.2×105(N)，網(wǎng)帶質(zhì)量：F網(wǎng)帶=0.6×105(N)，傳送系統(tǒng)網(wǎng)帶在輥上位滾動(dòng)摩擦，取摩擦系數(shù)f=0.6，

則需要的有效拉力：

網(wǎng)帶運(yùn)行速度V變速范圍：1～5 m/h，即15～85 mm/min；

測(cè)溫用網(wǎng)帶速度 20 m/h=333 mm/min，取Vmax=350 mm/min=0.00584 m/s，

主動(dòng)輥直徑：D=700 mm，主動(dòng)輪外周長：L=700π=2199 mm，

需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率：P輸出=FVmax/1000=1.08×105×0.00584/1000=0.631(kW)，

取網(wǎng)帶傳動(dòng)效率η網(wǎng)帶=0.6，鏈傳動(dòng)效率η鏈=0.9，減速機(jī)傳動(dòng)效率η減速機(jī)=0.85，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率 η聯(lián)軸器=0.98，

總傳動(dòng)效率：η總=η網(wǎng)帶×（η鏈）2×（η減速機(jī)）2×（η聯(lián)軸器）3=0.6×0.92×0.852×0.983=0.33，

需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率：P輸入=P輸出/η總=0.631/0.33=1.911（kW）。

電機(jī)及減速比選?。?/p>

為保險(xiǎn)起見，選取電機(jī)額定功率：P=2.2 kW。

臥式馬達(dá)減速機(jī)CH 2200-50，功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，電機(jī)自帶減速比i4=50。設(shè)計(jì)選取三級(jí)鏈傳動(dòng)減速比：i3=2或0.5（用于快速測(cè)溫），二級(jí)減速機(jī)減速比：i2=100，一級(jí)鏈傳動(dòng)減速比：i1=3.462；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總減速比：i=50×2×100×3.462=34620，主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速：n=1500/34620=0.0433（r/min）。

轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證：

需要作用于網(wǎng)帶的轉(zhuǎn)矩：T=9550P輸出/n=9550×0.631/0.0433=139170（N·m），

需要作用于主動(dòng)輪軸的轉(zhuǎn)矩：T輸出=F·D/2=108000×0.7/2=37800（N·m），

需要減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：

需要帶減速變頻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：

T電機(jī)=T減/{i（η聯(lián)軸器）3·η鏈·η減速機(jī)}=20220/(100×2×0.983×0.9×0.85)=140（N·m）。

查電機(jī)、減速機(jī)選型樣本可知，所選電機(jī)和減速機(jī)滿足使用要求。

4 小 結(jié)

目前，裝配本設(shè)計(jì)傳送系統(tǒng)的大型網(wǎng)帶式玻璃退火爐已在生產(chǎn)線上使用，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本傳送系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)行效率高，操作方便，具有較高的可靠性，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)可調(diào)、空載快速測(cè)溫的技術(shù)指標(biāo)，滿足生產(chǎn)線大批量玻璃退火生產(chǎn)需要。

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[3] 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4] 宋偉剛.通用帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.