液壓打餅機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)分析

翟會(huì)麗

(恒天重工股份有限公司(中國(guó))，河南 鄭州 450053)

近年來，隨著色紡技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)染色的散纖維需求量不斷增加，散纖維染棉企業(yè)生產(chǎn)模式也逐步由傳統(tǒng)的作坊式向規(guī)?；痛笮突l(fā)展。我公司經(jīng)過近幾年的不斷努力，研發(fā)了新型的散纖維染色工藝流程:干開機(jī)→打餅機(jī)→染缸→頂餅機(jī)→甩干機(jī)→預(yù)開機(jī)→濕開機(jī)→開松機(jī)→烘干機(jī)→打包機(jī)。打餅機(jī)位于流程的初始階段，它使開松后的散纖維在棉籠中壓制成餅，得到符合染色工藝要求的尺寸固定、密度一致的成型纖維餅。由于傳統(tǒng)生產(chǎn)的打餅機(jī)采用“模擬人工踩踏，利用壓腳沖擊力”來制餅的原理，棉餅的最大密度始終在200kg/m3左右，這樣的棉餅在高溫高壓染缸內(nèi)容易被高壓水流沖散，從而導(dǎo)致散纖維溢出染缸，遠(yuǎn)不能適應(yīng)高溫高壓染色等高檔設(shè)備。為了解決上述問題，提高棉餅密度，充分發(fā)揮染缸工作能力，我公司決定開發(fā)新型液壓打餅機(jī)，使棉餅密度提高至320kg/m3。由于液壓打餅機(jī)是通過逐漸增加的靜壓力壓制棉餅，所以棉餅內(nèi)部各處壓力一致，分布更均勻，不易產(chǎn)生皮棉疵點(diǎn)，產(chǎn)量大，效率高。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

圖1

1.1 機(jī)架部件。機(jī)架為龍門式，由橫梁1、立柱2(含主液壓缸導(dǎo)軌4)和底座14組成，用于承受棉餅制作時(shí)液壓缸兩端高達(dá)7.5X105～1.2X106的支持力，同時(shí)為壓棉部件的上下運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)向支撐。

1.2 棉籠部件。棉籠部件由主籠8、輔籠6和輔籠升降裝置5組成，主要用于收攏喂棉斗喂入的散纖維，盛放成型棉餅。主籠與染缸棉籠通用，成型棉餅和主籠一同被吊入染缸。輔籠和主籠疊加形成大號(hào)棉籠，高達(dá)4m，確保喂棉時(shí)單個(gè)棉餅所需的散纖維不會(huì)溢出棉籠。輔籠升降裝置用于主籠和輔籠的分離。

1.3 壓棉部件。壓棉部件是該設(shè)備核心部件，由液壓站、主液壓缸3和壓頭18組成，用于提供制餅壓力。同時(shí)，輔籠升降液壓缸7為輔籠升降裝置5的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

1.4 小車部件。小車部件由小車13、小車移動(dòng)減速機(jī)11、小車旋轉(zhuǎn)減速機(jī)12、小車定位擋塊15和小車定位氣缸10組成。小車旋轉(zhuǎn)減速機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)棉籠旋轉(zhuǎn)，確保散纖維均勻喂入;小車移動(dòng)減速機(jī)及小車定位氣缸、擋塊用于棉籠在喂棉和壓棉工位的互轉(zhuǎn)定位。

2 工作原理

該設(shè)備開始工作時(shí)，輔籠位于壓棉工位，小車位于喂棉工位。人工將空的主籠吊上小車，由定位擋圈固定，然后在主籠底部放棉托盤，操作小車載著主籠到壓棉工位停穩(wěn)，操作輔籠下降。此時(shí)輔籠與主籠疊加成大號(hào)棉籠，然后大號(hào)棉籠被小車帶回喂棉工位，喂棉斗開始喂棉。喂棉時(shí)棉籠不停旋轉(zhuǎn)，同時(shí)灑水鴨嘴不停噴水，保證棉籠內(nèi)部各處纖維高度和含水量一致。當(dāng)喂入散纖維達(dá)到一定重量時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，人工操縱小車移動(dòng)到壓棉工位停穩(wěn)，定位氣缸伸入小車對(duì)應(yīng)卡槽，將其鎖死。然后主液壓缸推動(dòng)壓頭緩慢下壓，使蓬松的散纖維逐漸變得密實(shí)，直到達(dá)到設(shè)定的第一個(gè)棉餅高度為止。棉餅成型后，壓頭上升至最高限位，人工操作小車回到喂棉工位，完成第一個(gè)餅的制餅過程，重復(fù)喂棉－壓棉過程，直至完成第二個(gè)、第三個(gè)棉餅的壓制。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)棉餅壓制完成后，輔籠升降液壓缸推動(dòng)輔籠上升，與主籠脫離，然后小車載著主籠回到喂棉工位，人工將主籠吊離該機(jī)用于后續(xù)染色工作。

3 設(shè)計(jì)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，我們進(jìn)行了有效地、合理的計(jì)算分析，保證整機(jī)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 橫梁結(jié)構(gòu)的受力分析

機(jī)架形式采用龍門式，由于壓棉時(shí)，其頂端的橫梁中心要承受高達(dá)1.2X106N的反作用力，因此橫梁的強(qiáng)度和剛度顯得尤其重要。為提高橫梁的強(qiáng)度和剛度，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用兩根300×300×10×15mm的H型鋼和承重板以及兩端的連接板組成的整體框架結(jié)構(gòu)，并在框架內(nèi)部和H型鋼的側(cè)面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。在此基礎(chǔ)上我們又通過采用Pro/E三維建模軟件對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建模完成后導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件中進(jìn)行受力分析。分析結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 變形分布圖

圖3 應(yīng)力分布圖

從圖中可以看出，橫梁最大變形量為0.99627mm，小于設(shè)計(jì)所規(guī)定值1mm;最大綜合應(yīng)力為400.13MPa，小于材料的需用應(yīng)力值1550MPa。由此可以看出橫梁的結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。

3.2 液壓缸活塞壓桿穩(wěn)定性計(jì)算分析

壓頭的上下運(yùn)動(dòng)和棉餅密度的獲得主要依靠主液壓缸完成，為降低設(shè)備高度，設(shè)計(jì)時(shí)采用活塞桿一端作為固定端，固定于橫梁上，壓頭的上下運(yùn)動(dòng)依靠活塞缸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)主棉籠的高度尺寸和棉餅密度的要求，我們采用缸徑φ220mm，行程為4000mm的活塞缸，由于液壓缸支承長(zhǎng)度超過了10－15倍缸徑，因此需對(duì)活塞桿彎曲穩(wěn)定性進(jìn)行校核分析。

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知:

根據(jù)P1≤PK/nk

nk—安全系數(shù) nk≈3.5 ～6

P1—液壓缸的推力P1=1.2X106N

PK—活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力PK=11.36X106N

PK/PK≥nk11.36X106N/1.2X106N≥6

通過計(jì)算，可以看出我們選取的活塞桿直徑φ160mm是可行的。

3.3 橫梁與立柱之間連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算

橫梁與兩立柱間通過兩組螺栓聯(lián)接，螺栓組需承受橫梁在工作中承受棉餅作用的向上的反作用力Fmax=1.2X106N，單個(gè)螺栓組的約束力F1max=Fmax/2=1.2X106N/2=6X105N。由于壓棉是一個(gè)壓力緩慢增大的過程，所以F可以當(dāng)作靜載荷，我們?nèi)∑渥畲笾祦磉M(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。選定螺栓的數(shù)目及布置形式，對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算后，我們確定每側(cè)螺栓個(gè)數(shù)為14個(gè)，螺栓規(guī)格為M24、等級(jí)為12.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓。

3.4 組合碟簧計(jì)算

為使小車部件能夠?qū)崿F(xiàn)在喂棉和壓棉兩個(gè)工位間的來回移動(dòng)，且在壓棉工位使小車承壓板與底座承重墊圈在壓棉時(shí)能夠輕易接觸，我們?cè)谛≤嚬潭ǖ牡准芎统袎喊逯g設(shè)計(jì)了9組碟簧。這9組碟簧來承受載荷G(G包括小車本身重量、兩個(gè)棉籠重量以及相應(yīng)的濕棉餅的重量)。當(dāng)在壓棉工位液壓缸工作壓餅時(shí)，碟簧所受力為載荷G和液壓缸壓力，此時(shí)碟簧變形量較大，使所受力完全壓在打餅機(jī)底軌承重墊圈上表面(如圖4所示)。為保證小車來回移動(dòng)，我們確定碟簧在裝配時(shí)需預(yù)緊，承壓板下表面與底軌承重墊圈上表面間隙為15mm，當(dāng)承重后，碟簧組能夠提供的最大變形量f總減去承受上述載荷G時(shí)的變形量f'所得到的剩余變形量f″≥10mm，確保壓制成餅后，碟簧變形仍能夠保證承壓板下表面與底軌承重墊圈上表面有一定的間隙。在已知載荷和導(dǎo)桿最大直徑的條件下，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求承載時(shí)的最大變形量fz，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算可以求出單個(gè)碟的變形量f1，通過fz/f1=i求出所需碟簧片數(shù)為8。

圖4

4 結(jié)束語

這種新型的液壓打餅機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，將使我公司染色棉成套設(shè)備更加豐富完善，對(duì)于不同用戶不同品種纖維染色工藝的適應(yīng)性更強(qiáng)，市場(chǎng)前景廣闊。

[1]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第3版第2卷.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:1－7.

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第3版第4卷.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:1－7.