魏蘇皖,劉 婧,馬宇飛,邵殿飛

(巢湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

中國機(jī)械制造行業(yè)已經(jīng)使用數(shù)億噸的橡膠，隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的高速發(fā)展,橡膠切割加工效率和質(zhì)量也必須不斷提高，我國橡膠產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展時期，橡膠加工業(yè)略顯落后，主要表現(xiàn)為加工效率低、加工精確度不足，加工成本高等。例如，在對橡膠棒料的切割加工時多采用激光切割設(shè)備、等離子切割設(shè)備等，這類機(jī)械切割設(shè)備大多需要從外國引進(jìn)[1]。目前專業(yè)切割橡膠管切割機(jī)的需求越來越迫切，橡膠機(jī)械制造行業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該積極促進(jìn)橡膠切割加工科研開發(fā)技術(shù)，盡快滿足橡膠切割加工行業(yè)發(fā)展需求。

針對傳統(tǒng)切割設(shè)備切割橡膠毛料，加工成本普遍較高，切割效率低問題，筆者在前人研究基礎(chǔ)上提出一種橡膠管快速切割機(jī)設(shè)計(jì)方案，通過介紹此橡膠管環(huán)切機(jī)的工作原理，電機(jī)選擇,切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軸有限元分析，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性方案，解決現(xiàn)有問題，為降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率提供一種新的方法。

1 橡膠管環(huán)切機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，橡膠管環(huán)切機(jī)構(gòu)包括箱體，箱體內(nèi)設(shè)有輸入軸，輸入軸伸出箱體與電機(jī)的輸出軸固定，并與箱體通過軸承連接，遠(yuǎn)離電機(jī)的一端與主動錐齒輪固定；箱體內(nèi)豎直設(shè)有轉(zhuǎn)軸和固定軸，轉(zhuǎn)軸的兩端分別與箱體通過軸承連接，且分別與從動錐齒輪和主動直齒輪的中心固定；從動錐齒輪與主動錐齒輪嚙合連接；固定軸下端與箱體內(nèi)壁固定，固定軸外套設(shè)有從動直齒輪，從動直齒輪與固定軸通過軸承連接，與主動直齒輪嚙合連接；從動直齒輪上端對稱固定有旋轉(zhuǎn)架，旋轉(zhuǎn)架上端固定有鐵制刀具的刀架、電磁鐵；固定軸上端固定有電磁吸盤，電磁吸盤上端設(shè)有圓柱鐵芯；從動直齒輪的輪轂外緣套設(shè)固定有電刷銅環(huán)和絕緣木環(huán)，箱體內(nèi)底部固定有電刷的電刷支架。

圖1 橡膠管環(huán)切機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1.箱體 2.放置孔 3.輸入軸 4.主動錐齒輪 5.轉(zhuǎn)軸 6.固定軸 7.從動錐齒輪 8.主動直齒輪 9.從動直齒輪 15.圓柱鐵芯 16.定位孔 17.電刷銅環(huán) 18.絕緣木環(huán) 19.電刷支架 21.橡膠管

此次設(shè)計(jì)要求重點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的裝置需連接圓柱大齒輪和刀具并完成同步旋轉(zhuǎn)，如圖2所示的旋轉(zhuǎn)架，大圓柱齒輪與刀架的連接采用4個平頭螺釘進(jìn)行連接。同時刀具的安裝采用螺栓進(jìn)行約束，由于本設(shè)計(jì)刀具的下刀和還刀動作分別由電磁鐵提供吸附力和排斥力來實(shí)現(xiàn)，故螺栓僅用于軸向和徑向約束。

圖2 橡膠管環(huán)切機(jī)中旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)圖1.旋轉(zhuǎn)架 2.刀架 3.刀具 4.電磁吸盤 5.錐形定位柱 6.電磁鐵

2 橡膠管環(huán)切機(jī)的工作原理

環(huán)形切割機(jī)的工作流程為：以電動機(jī)作為設(shè)備原動機(jī)，通過聯(lián)軸器連接圓錐齒輪副改變動力輸出方向，經(jīng)過一級減速裝置后帶動裝配在固定軸上的齒輪，從而刀架旋轉(zhuǎn)帶動刀具對橡膠管進(jìn)行環(huán)形切割。刀具下刀和還刀動作主要由刀架上端的電磁鐵改變電極所控制。通過以上兩組動作相互配合來完成對橡膠管環(huán)繞切割的目的。

3 電動機(jī)的選擇

3.1 電動機(jī)計(jì)算

查閱文獻(xiàn)[2]并根據(jù)實(shí)際工作要求選定Y系列電機(jī)，電機(jī)參數(shù)見表1。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[3]，選取本設(shè)計(jì)的切割系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n=90 r/min。

工作機(jī)所需功率為：

式中：Pw為切割系統(tǒng)所需功率，kW；T為切割系統(tǒng)阻力矩，N·m；n為切割系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，r/min。

電動機(jī)所需功率為：

式中：Pd為動力源所需功率，kW；η為傳動組總效率。

傳動裝置總效率為：

η=η1η25η3η4

由文獻(xiàn)[2]中取得傳動效率，聯(lián)軸器η1=0.99、滾動軸承η2=0.99、圓錐齒輪η3=0.97、圓柱齒輪η4=0.98。

η=0.99×0.995×0.97×0.98=0.89

根據(jù)常見機(jī)械切割設(shè)備，取刀具以及主軸上零件的總質(zhì)量為1250 g,取切割刀片的工作區(qū)域?yàn)?.5 m。

由文獻(xiàn)[2]中選擇電動機(jī)額定功率：

Pεd=7.5 (kW)

由切割設(shè)備轉(zhuǎn)速為90 r/min。

式中：i1′為圓齒輪合理傳動比范圍2～3；i2′為圓柱齒輪合理傳動比范圍3～5。

nd=540～1 350 (r/min)

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[2]，選定電機(jī)型號為Y160M-6，額定功率Pεd=7.5 kW，同步轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min。技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 齒輪設(shè)計(jì)結(jié)論

齒數(shù)z1=23，z2=93，模數(shù)m=3 mm，齒寬B1=75 mm，B2=70 mm，中心距a=174 mm。

4 切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電磁吸附裝置設(shè)計(jì)

電磁吸附裝置用于吸附固定與橡膠管配合后的圓柱鐵芯，其組成為鐵芯、底殼和線圈，根據(jù)實(shí)際工作要求確定底殼和鐵芯的尺寸，按照工藝要求纏繞相應(yīng)匝數(shù)的線圈，之后完成密封工作。

根據(jù)本設(shè)計(jì)的工作要求選擇由文獻(xiàn)[4]選擇XH-P65型吸盤電磁鐵作為主要吸附裝置，其參數(shù)為D=65 mm，d=26 mm，H=30 mm，L=300 mm，P=13 W，F(xiàn)=800 N，自重600 g。

在安全的使用范圍內(nèi)，通過控制系統(tǒng)使電磁鐵完成充磁和退磁的工作，在圓柱鐵芯中心開槽，產(chǎn)生其與電磁吸盤配合后的徑向約束，提高切割膠管的精確度。電磁吸附裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電磁吸盤

4.2 供電裝置設(shè)計(jì)

切割系統(tǒng)的工作方式為環(huán)繞切割，采用傳統(tǒng)供電方式會產(chǎn)生電線環(huán)繞的問題，因此采用電刷系統(tǒng)供電來解決供電問題。電刷系統(tǒng)主要組成為絕緣木、銅環(huán)、鐵環(huán)和電刷。安裝位置為大圓柱齒輪凸緣外圍。絕緣架由絕緣木制成，由兩個銅環(huán)內(nèi)嵌絕緣木內(nèi)部，并引出導(dǎo)線。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電刷供電銅環(huán)

為保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定，需設(shè)計(jì)電刷支架支撐電刷，保證電刷與供電銅環(huán)穩(wěn)定連接，設(shè)計(jì)將電刷支架用螺釘固定在箱體底部，為保證電刷支架穩(wěn)定，底部設(shè)計(jì)為圓形，通過四個螺釘進(jìn)行固定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電刷支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3 旋轉(zhuǎn)刀架部分

根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際工作要求，需設(shè)計(jì)一種裝置來連接圓柱大齒輪和刀具并完成同步旋轉(zhuǎn)，故設(shè)計(jì)了如圖6所示的旋轉(zhuǎn)刀架，大圓柱齒輪與刀架的連接采用4個平頭螺釘進(jìn)行連接。同時刀具的安裝采用螺栓進(jìn)行約束，由于本設(shè)計(jì)刀具的下刀和還刀動作分別由電磁鐵提供吸附力和排斥力來實(shí)現(xiàn)，故螺栓僅用于軸向和徑向約束。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6、7所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)刀架主視圖

圖7 旋轉(zhuǎn)刀架俯視圖

5 軸有限元分析

使用Solidworks軟件的Simulation模塊對傳動系統(tǒng)中的中間轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析和疲勞分析。中間軸的三維模型如圖8所示。

圖8 中間軸三維模型 圖9 中間軸有限元模型

在Simulation模塊中創(chuàng)建一個新算例并選擇類型為靜應(yīng)力分析。

選擇材料屬性為E=2.05×1011Pa，ε=0.29，ρ=7 850 kg/m3，σ=530 MPa的45#鋼為定義軸材料。添加正確的夾具約束以模擬轉(zhuǎn)軸的受力情況，點(diǎn)擊夾具顧問選擇固定幾何體夾具并添加至小圓柱齒輪安裝位置及長鍵槽處，完成約束以完成邊界條件的設(shè)置。由表2得知中間軸輸入扭矩TⅡ=166.49 N·m，將扭矩添加置大圓錐齒輪安裝位置及短鍵槽處。選擇網(wǎng)格控制調(diào)整局部網(wǎng)格細(xì)化添加至短鍵受力面，定義整體網(wǎng)格密度為良好，雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)，采用高品質(zhì)網(wǎng)格單元，生成網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為2.931 1 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為165 879，單元總數(shù)為115 901。生產(chǎn)有限元模型如圖9所示。

表2 各軸動力參數(shù)

6 試驗(yàn)效果

橡膠管環(huán)切機(jī)采用旋轉(zhuǎn)雙刀架，刀架用于安裝固定刀具，并約束刀具的工作范圍，工作時電磁鐵吸附刀架使刀具壓緊待切割橡膠管，完成下刀動作，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行環(huán)繞式切割的方法，從而相較于傳統(tǒng)切割機(jī)提高了效率及切割過程穩(wěn)定性。電磁吸附裝置用于吸附固定與橡膠管配合后的圓柱鐵芯，實(shí)際工作過程中，用頂尖螺柱對鐵芯進(jìn)行徑向約束，同時將電磁吸盤與固定心軸組合固定，在這一過程中，驗(yàn)證了電磁吸盤固定切割件，無需專用夾具的問題。由于在切割系統(tǒng)的工作方式為環(huán)繞切割，如果采用傳統(tǒng)供電方式會產(chǎn)生電線環(huán)繞的問題，而此設(shè)計(jì)將導(dǎo)線內(nèi)嵌與電刷系統(tǒng)的絕緣架內(nèi)并固定于箱體底部，從而避免了電線纏繞的問題。

7 結(jié) 語

我國橡膠機(jī)械產(chǎn)品加工生產(chǎn)量與銷售額均呈現(xiàn)逐步增長趨勢，在國際市場競爭激烈加劇的背景下，提升橡膠機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量、等級、檔次是重中之重。因此提高設(shè)備技術(shù)水平及精度是促進(jìn)橡膠生產(chǎn)更新?lián)Q代的必經(jīng)之路[5]。

通過此次對橡膠管環(huán)切機(jī)的試驗(yàn)，達(dá)到了操作過程簡化的目標(biāo)，提高了切割機(jī)的加工效率。新型橡膠管環(huán)切機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，不僅生產(chǎn)成本低，采用雙刀進(jìn)行環(huán)繞式切割，還大大提高了切割過程穩(wěn)定性，同時電磁吸盤固定吸附切割件，無需專用夾具，電刷系統(tǒng)為電磁鐵供電，避免電線纏繞問題，為以后橡膠切割領(lǐng)域提供技術(shù)參考。