用于膠管生產(chǎn)線的鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

■ 北京機(jī)床研究所有限公司 （北京 100102） 趙松倫 李 軍 李云飛

鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性件的非共軛嚙合傳動(dòng)，它兼有齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)的一些特點(diǎn)，具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)力大、效率高、壽命長(zhǎng)、使用可靠、維修方便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。而鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)是瞬時(shí)傳動(dòng)比波動(dòng)，因鏈條由鏈節(jié)組成，工作時(shí)，鏈節(jié)在鏈輪上是多邊形而不是圓弧，故一般不用于要求精確傳動(dòng)比的傳動(dòng)鏈中。本文闡述了一種鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)鏈傳動(dòng)的特殊設(shè)計(jì)，使鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確定位，滿足了生產(chǎn)線的要求。

1. 設(shè)計(jì)要求

本文以膠管生產(chǎn)線為例，闡述鏈傳動(dòng)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用。膠管生產(chǎn)線主要由5個(gè)工位單元構(gòu)成，5個(gè)工位要求可以同時(shí)工作，工序中最長(zhǎng)的加工時(shí)間是12s。每個(gè)工位在傳送方向上的尺寸約為300mm。由于需要對(duì)工件進(jìn)行精確的加工，所以要求工件的重復(fù)定位精度高。該鏈傳動(dòng)用于膠管生產(chǎn)線中的主傳動(dòng)，根據(jù)生產(chǎn)線的要求對(duì)鏈傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加相應(yīng)的功能裝置，使鏈傳動(dòng)滿足生產(chǎn)線的加工要求。

2. 方案設(shè)計(jì)

（1）鏈條的多邊形效應(yīng) 鏈傳動(dòng)工作時(shí)，由于鏈條繞在鏈輪上形成正多邊形而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)不均勻性，稱為多邊形效應(yīng)。多邊形效應(yīng)的存在，使鏈條的線速度和從動(dòng)輪的角速度呈現(xiàn)周期性變化（見圖1），從而造成鏈條與鏈輪產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和噪聲，加劇了鏈條的磨損，也影響了鏈傳動(dòng)的定位精度。

當(dāng)齒數(shù)為Z1的主動(dòng)鏈輪以等角速度ω1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由圖1分析可得：鏈條沿中心線方向的速度vx1＝r1ω1cosα，鏈條沿垂直方向的速度vy1＝r1ω1sinα。其中r1為主動(dòng)鏈輪分度圓半徑，α為嚙入過程中鏈節(jié)鉸鏈在主動(dòng)輪上的相位角。因此，即使ω1為常數(shù)，鏈條在運(yùn)動(dòng)中沿垂直中心線方向和沿中心線方向上的速度也是快慢變化的，從而產(chǎn)生振動(dòng)和附加載荷。

（2）嚙合沖擊分析 滾子鏈與鏈輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的嚙合沖擊載荷對(duì)鏈傳動(dòng)的工作性能產(chǎn)生顯著的影響，過大的沖擊載荷會(huì)導(dǎo)致滾子的破裂、鏈條的振動(dòng)和噪聲及輪齒的損壞。如圖2所示。

圖1 鏈條速度的變化

圖2 鏈條與鏈輪的嚙合沖擊轉(zhuǎn)化

沖擊公式為

式中，p是鏈輪節(jié)距（mm）；Z1是主動(dòng)鏈輪齒數(shù)；γ是鏈輪齒形角（°）；φ是∠KAM。

公式表明：嚙入沖擊速度vK除與鏈輪角速度ω、鏈輪節(jié)距p有關(guān)外，還與主動(dòng)鏈輪齒數(shù)Z1及鏈輪齒形角γ有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)上，須充分考慮到多邊形效應(yīng)和嚙合沖擊。

（3）方案設(shè)計(jì) 根據(jù)膠管生產(chǎn)線的工位尺寸及各工位工作時(shí)不產(chǎn)生干涉的條件，設(shè)計(jì)了鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，布局如圖3所示。

全線設(shè)計(jì)兩套平行的傳動(dòng)鏈，分別由鏈輪、鏈條及鏈板等組成，兩套傳動(dòng)鏈尺寸完全一致，安裝在主傳動(dòng)軸和從傳動(dòng)軸之間。鏈板由兩條傳動(dòng)鏈牽引，每隔兩塊鏈板裝有一臺(tái)隨行夾具。隨行夾具固定在鏈板上，鏈板下裝有滾動(dòng)軸承，由鏈條牽引，在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。鏈輪及導(dǎo)軌固定在支撐本體上。

增強(qiáng)鏈傳動(dòng)平穩(wěn)性的措施有很多，這里采取的方式是：采用小節(jié)距鏈輪，設(shè)定傳動(dòng)比為1，緊邊長(zhǎng)度為鏈節(jié)距整數(shù)倍，使主、從動(dòng)鏈輪之間的瞬時(shí)傳動(dòng)比不變。

鏈傳動(dòng)主要結(jié)構(gòu)：鏈條節(jié)距19.05mm，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪中心距2 057.4mm，鏈條全長(zhǎng)4 800.06mm。每塊鏈板由兩條鏈條牽引，鏈板長(zhǎng)114.3mm，相當(dāng)于6個(gè)鏈條節(jié)距，全線共裝有42塊鏈板。每隔兩塊鏈板安裝一臺(tái)隨行夾具，共有14塊鏈板上裝有夾具。夾具的間隔為342.9mm，即工位間距為342.9mm，滿足使用要求。主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪直徑相等，傳動(dòng)比為1∶1。主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)方向是使鏈條上邊拉緊的方向。鏈輪節(jié)圓直徑為218.57mm，鏈輪每轉(zhuǎn)過半個(gè)圓周，鏈板便前進(jìn)一個(gè)工位。

該鏈傳動(dòng)與其相應(yīng)的功能裝置組成一套完整的運(yùn)動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，完成生產(chǎn)線的主傳動(dòng)功能，裝置包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和張緊機(jī)構(gòu)等。主傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)屬間歇式運(yùn)動(dòng)，間歇停頓點(diǎn)對(duì)應(yīng)著各個(gè)工位，間歇時(shí)間為12s。在隨行夾具上裝有膠管。膠管隨著夾具在各工位上也停留12s，實(shí)現(xiàn)各工位對(duì)膠管的加工。

鏈傳動(dòng)主要技術(shù)參數(shù)：鏈條節(jié)距1 9.0 5 m m，工位距離3 4 2.9 m m，鏈輪節(jié)圓直徑218.57mm，鏈條總節(jié)數(shù)252節(jié)，鏈輪中心距2 057.4mm，鏈輪齒數(shù)36，鏈條總長(zhǎng)4 800.06mm。

1）主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是全線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣缸將動(dòng)作傳遞到鏈輪上，帶動(dòng)鏈條做間歇式的周期運(yùn)動(dòng)，主要由主氣缸、齒輪齒條副等組成。

工作原理：主氣缸通過活塞帶動(dòng)齒條做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)齒輪做半圓周的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。齒輪上裝有一個(gè)可伸縮的撥銷，可撥動(dòng)定位輪轉(zhuǎn)動(dòng)，定位輪與主鏈輪同軸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)撥銷撥動(dòng)定位輪轉(zhuǎn)過半個(gè)圓周后（即一個(gè)工位后），定位氣缸所帶的插拔銷便插入到定位輪中，使定位輪精確定位，此時(shí)生產(chǎn)線處于加工狀態(tài)；主傳動(dòng)回退，齒輪轉(zhuǎn)回到初始位置，在齒輪回轉(zhuǎn)的過程中，定位輪處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2）定位機(jī)構(gòu)。定位機(jī)構(gòu)使全線處于工作狀態(tài)，主要由定位氣缸、插拔銷彈簧結(jié)構(gòu)及定位輪等組成。定位輪固定在主鏈輪的軸端，盤上有12個(gè)錐銷孔，當(dāng)銷軸插入到錐銷孔內(nèi)，工作臺(tái)可精確定位。

工作原理：生產(chǎn)線處于初始位置時(shí)，定位氣缸的活塞處于縮回狀態(tài)，插拔銷的彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧將插拔銷壓緊在定位輪中，此狀態(tài)也是生產(chǎn)線各工位工作的狀態(tài)。生產(chǎn)線起動(dòng)后，定位氣缸活塞伸出，將插拔銷從定位輪中拔出，主氣缸帶動(dòng)齒條齒輪運(yùn)動(dòng)，定位輪隨著齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)；定位輪與主鏈輪同軸，主鏈輪也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，生產(chǎn)線便前進(jìn)一個(gè)工位。鏈輪靜止不動(dòng)，其他各工位工作。定位氣缸的活塞伸出后便迅速回退，由彈簧將插拔銷壓緊在定位輪上，定位輪處于定位狀態(tài)，此時(shí)各工位進(jìn)入加工狀態(tài)，主氣缸活塞回退到初始位置待命。

圖3 鏈傳動(dòng)布局

3）張緊機(jī)構(gòu)。張緊機(jī)構(gòu)是在從動(dòng)鏈輪上加一個(gè)與主鏈輪運(yùn)動(dòng)方向相反的力的裝置，以拉緊鏈條，從而提高鏈條的運(yùn)動(dòng)精度。其主要由彈簧、張緊帶和調(diào)整螺釘組成，調(diào)整螺釘可調(diào)整彈簧對(duì)張緊帶的拉力，從而調(diào)整對(duì)從動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)反力作用，調(diào)節(jié)調(diào)整螺釘，可控制對(duì)鏈條的拉緊程度。

3. 電氣控制

（1）主氣缸的電氣控制 當(dāng)生產(chǎn)線處于原點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，主氣缸壓合SQ19；當(dāng)生產(chǎn)線起動(dòng)后，主氣缸活塞運(yùn)動(dòng)，壓合SQ20；定位輪由齒輪撥動(dòng)，轉(zhuǎn)過半個(gè)圓周，鏈板前進(jìn)一個(gè)工位。當(dāng)生產(chǎn)線處于加工狀態(tài)時(shí)，主氣缸活塞運(yùn)動(dòng)壓合SQ19，齒輪撥銷縮回，定位輪處于定位狀態(tài)。

注意事項(xiàng)：本生產(chǎn)線電柜上的回原點(diǎn)命令不包括主氣缸回原點(diǎn)。有時(shí)按急停按鈕會(huì)使主氣缸處于一個(gè)初始狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的位置，當(dāng)主氣缸沒回原點(diǎn)時(shí)，即主氣缸沒有壓合SQ19，主氣缸處于不動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，應(yīng)手動(dòng)調(diào)整鏈板，使主氣缸壓合SQ19，全線才能進(jìn)入工作狀態(tài)。

（2）定位氣缸的電氣控制 生產(chǎn)線處于初始位置時(shí)，定位氣缸壓合SQ17, 插拔銷插入定位輪錐孔內(nèi)，定位輪處于定位狀態(tài)。生產(chǎn)線起動(dòng)后，定位氣缸活塞移動(dòng)壓合SQ18, 插拔銷從定位輪錐孔內(nèi)拔出，定位輪處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。生產(chǎn)線處于加工狀態(tài)時(shí)，定位氣缸壓合SQ17, 插拔銷插入定位輪錐孔內(nèi)，定位輪處于定位狀態(tài)，生產(chǎn)線處于加工狀態(tài)。

注意事項(xiàng)：本生產(chǎn)線電柜上的回原點(diǎn)命令不包括定位氣缸回原點(diǎn)。有時(shí)按急停按鈕會(huì)使定位輪處于一個(gè)初始狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的位置，當(dāng)定位氣缸沒回原點(diǎn)時(shí)，即定位氣缸沒有壓合SQ17，定位氣缸所帶的插拔銷沒有插到定位輪上時(shí)，全生產(chǎn)線處于不動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)手動(dòng)定位氣缸的控制閥，使定位氣缸的活塞回到初始位置，即活塞壓合SQ17,插拔銷插入到定位輪中，全線才能進(jìn)入工作狀態(tài)。

4. 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)智能化進(jìn)程的加快，用于生產(chǎn)線的精密傳動(dòng)鏈和各種輸送鏈的需求量將會(huì)大幅增長(zhǎng)，如何使普通的鏈傳動(dòng)適應(yīng)新型生產(chǎn)線的精密要求，一直是行業(yè)中研究的課題。本文介紹的這種用于生產(chǎn)線的鏈傳動(dòng)方式，由于增加了相應(yīng)的定位機(jī)構(gòu)，解決了鏈傳動(dòng)瞬間傳動(dòng)比變化的問題，使鏈傳動(dòng)滿足了生產(chǎn)線高定位精度的要求，在相關(guān)項(xiàng)目中具有一定的參考與借鑒意義。