水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用研究

柯耀星

（杭州東華鏈條集團有限公司，浙江 杭州 311102）

水泥生料輸送鏈條是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中搬運物料的重要機械裝置，是工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)自動化的主要裝置和設(shè)備之一，具有使用過程安全高效、生產(chǎn)鏈條柔性可變、傳動效率高等優(yōu)勢，在食品生產(chǎn)、醫(yī)藥制作、化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)、電子運輸、器械生產(chǎn)和煙草生產(chǎn)等行業(yè)均有著較廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展和各行業(yè)投資規(guī)模的不斷增加，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、汽車生產(chǎn)制造和整車裝配等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了鏈條產(chǎn)業(yè)市場的迅速增長和經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大。以汽車涂裝生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)為例，水泥生料輸送鏈條裝置是行業(yè)內(nèi)的大型專用設(shè)備，盡管其流水生產(chǎn)線工藝技術(shù)較為復(fù)雜，但水泥生料輸送鏈條能夠直接影響汽車生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)過程和成品的最終涂裝質(zhì)量。較傳送帶而言，水泥生料輸送鏈條的彈性滑動功能更強，在運行移動過程中的打滑頻率大幅度降低，單位時間內(nèi)的傳遞效率得到有效提高。但與此同時，在水泥生料輸送鏈條的應(yīng)用過程中，也存在系統(tǒng)設(shè)計存在缺陷或者與工業(yè)生產(chǎn)線不匹配等問題，導(dǎo)致出現(xiàn)輸送軌道積漆維護(hù)、修復(fù)難度增加等問題。對此，文中對一種水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行研究，以期進(jìn)一步提高水泥生料輸送鏈條的工作效率。

1 水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)原理與特點

1.1 水泥生料輸送鏈條原理

水泥生料輸送鏈條主要由雙排滾子鏈條鏈輪部分、托板部分、工件部分、導(dǎo)引部分、星形撥輪模塊和張緊裝置等部分組成，其架構(gòu)示意如圖1所示。在水泥生料輸送鏈條的應(yīng)用過程中，任意托板兩端分別設(shè)計有兩個銷軸，用于水泥生料輸送鏈條銷軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，也用于連接水泥生料輸送鏈條與托板兩個模塊，可縮短相鄰銷軸之間的距離，使兩者之間的距離轉(zhuǎn)變?yōu)殒湕l的節(jié)距距離。星形撥輪模塊主要用于上下環(huán)節(jié)工件的交叉和鏈接，傳輸工件位于托板內(nèi)，在托板的雙側(cè)設(shè)計溝槽，以便槽溝和托板結(jié)構(gòu)交接處撥輪爪的正常通過和運轉(zhuǎn)，可以根據(jù)工件的形狀確定水泥生料輸送鏈條托板的形狀，保證水泥生料輸送鏈條正常發(fā)揮傳遞功能。

圖1 鏈條原理示意圖

1.2 水泥生料輸送鏈條特點

分析水泥生料輸送鏈的運轉(zhuǎn)特點可知，水泥生料輸送鏈條在運行過程中，主要呈現(xiàn)出以下3個特質(zhì)：首先，水泥生料輸送鏈條正常發(fā)揮輸送通道功能，有賴于多個托板相鄰聯(lián)結(jié)而成的架構(gòu)設(shè)置，借助架構(gòu)設(shè)置外側(cè)的導(dǎo)引條模塊，確保水泥生料輸送鏈條在較大運轉(zhuǎn)速度下可以安全輸送，以此實現(xiàn)水泥生料輸送鏈條的基本運輸功能。同時，水泥生料輸送鏈條星形撥輪模塊中，通常設(shè)置圓弧段，且進(jìn)一步將圓弧段和交接通道處設(shè)置的導(dǎo)引條相連接，實現(xiàn)兩個不同結(jié)構(gòu)中功能的互補，在水泥生料輸送鏈條兩排滾子鏈條兩側(cè)，對稱設(shè)置與托板兩邊相吻合的模塊，確保水泥生料輸送鏈條能夠根據(jù)工作過程中的運輸需要調(diào)節(jié)托板質(zhì)量中心點，確保其符合基本要求。其次，在水泥生料輸送鏈條的運轉(zhuǎn)過程中，水泥生料輸送鏈條不僅僅應(yīng)利用其多邊形效應(yīng)，確保水泥生料輸送鏈條托板結(jié)構(gòu)與鏈條部分能通過銷軸模塊相連，杜絕托板運動與鏈條之間的不良影響，保證水泥生料輸送鏈條托板部分的質(zhì)量中心與鏈板的質(zhì)量中心處于基本重合的狀態(tài)，避免質(zhì)量中心錯開導(dǎo)致的慣性力矩的存在，也杜絕慣性力矩越大，傳輸鏈條托板工件運動平穩(wěn)性越弱的不良工作情形。最后，在水泥生料輸送鏈條的運轉(zhuǎn)過程中，由于水泥生料輸送鏈條鏈輪圓弧段運行時較為特殊，當(dāng)水泥生料輸送鏈條兩側(cè)托板質(zhì)量中心與鏈條轉(zhuǎn)動半徑參數(shù)值不相吻合時，水泥生料輸送鏈條的速度、加速度等主要參數(shù)將與直線段有所不同，兩側(cè)托板質(zhì)量中心距離水泥生料輸送鏈條鏈板質(zhì)量中心的距離參數(shù)值越大，水泥生料輸送鏈條在直線段與圓弧段交界處的速度、加速度等諸多參數(shù)的變化特征越發(fā)明顯，也就越不利于工件的交接和穩(wěn)定。

2 傳動系統(tǒng)動力分析

在水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的過程中，對其受力特征進(jìn)行綜合分析可知，當(dāng)水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，不同零部件之間的受力情況各有不同，水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)在電機動力的驅(qū)使下，將會產(chǎn)生一定的驅(qū)動力矩，而水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)上方連接的料斗，在裝載一定質(zhì)量物料的過程中，將會受到來自被裝載物料對料斗運行和轉(zhuǎn)動的阻力、料斗內(nèi)部裝有的具體物料的重力參數(shù)以及水泥生料輸送鏈傳動系統(tǒng)中各不同的零部件自身的重力等多個力的影響。假如在水泥生料輸送鏈系統(tǒng)正常運行過程中，驅(qū)動軸和從動軸的轉(zhuǎn)速參數(shù)值、水泥生料輸送鏈條的提升速度參數(shù)值等均在設(shè)定某一參數(shù)值后保持恒定不變狀態(tài)，進(jìn)而將水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)連接的每個料斗分別視作單獨離散的質(zhì)量塊，將離散的質(zhì)量塊用彈簧和阻尼器連接起來，就能夠進(jìn)一步得到水泥生料輸送鏈傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，然后依托該模型進(jìn)行力學(xué)過程分析。

3 傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

在水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計人員對傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)是利用最少的制造材料和最低的制造成本，避免材料的無謂消耗，生產(chǎn)出成本低廉且具備較強競爭優(yōu)勢的水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)，獲得最大化的經(jīng)濟效益。在此情況下，水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化主要是借助各式各樣措施的應(yīng)用，實現(xiàn)水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)各項參數(shù)的優(yōu)化，在滿足既定設(shè)計方案目標(biāo)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)流程的優(yōu)化。本文所提出的水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，主要是在確定基礎(chǔ)產(chǎn)品目標(biāo)功能的基礎(chǔ)上，分析水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)產(chǎn)品零部件的各項受力關(guān)系和受力特征，結(jié)合物理模型表達(dá)水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的各項受力模型，以實際水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)設(shè)計功能優(yōu)化為基礎(chǔ)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的約束關(guān)系，在約束關(guān)系的前提下實現(xiàn)函數(shù)最優(yōu)解的求解，得到最佳優(yōu)化方案。本文對水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，主要包括水泥生料輸送鏈條參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和對頭軸的優(yōu)化設(shè)計兩大部分內(nèi)容。就水泥生料輸送鏈條參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計而言，水泥生料輸送鏈條參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計主要包括對直邊鏈板參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計、對外鏈節(jié)附板的優(yōu)化設(shè)計等諸多內(nèi)容。

以水泥生料輸送鏈條參數(shù)設(shè)計中，對直邊鏈板參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計為例分析，其主要以影響水泥生料輸送鏈條板塊結(jié)構(gòu)為分析對象，結(jié)合板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸這一基本參數(shù)，在設(shè)計水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板寬度時，僅僅允許該尺寸在現(xiàn)有的設(shè)計要求上增加0.2mm，在設(shè)計水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板鏈板節(jié)距孔直徑時，允許該尺寸在現(xiàn)有的設(shè)計基礎(chǔ)上增加0.01mm；在設(shè)計水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板扁形節(jié)距孔的寬度，允許該尺寸在現(xiàn)有的設(shè)計基礎(chǔ)上增加0.1mm；在設(shè)計水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板相對節(jié)距孔中心距離時，允許該尺寸在現(xiàn)有的設(shè)計基礎(chǔ)上增加1mm；在設(shè)計水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板鏈板端部圓弧的半徑時，允許該尺寸在現(xiàn)有的設(shè)計基礎(chǔ)上增加1mm。

在水泥生料輸送鏈條參數(shù)設(shè)計中，對直邊鏈板參數(shù)約束條件設(shè)計時，主要利用鏈板端部圓弧半徑、鏈板的寬度、鏈板端部幾何尺寸、扁形的節(jié)距孔圓形的圓弧圓心角等為基礎(chǔ)約束條件。其中，水泥生料輸送鏈條參數(shù)鏈板端部圓弧的半徑應(yīng)大于或等于鏈板寬度的一半，鏈板的寬度應(yīng)大于節(jié)距孔的寬度，鏈板端部幾何尺寸、扁形的節(jié)距孔圓形的圓弧圓心角、面板設(shè)計的上下限約束條件等均應(yīng)該在基礎(chǔ)條件下得到滿足。此外，針對水泥生料輸送鏈條參數(shù)的優(yōu)化，在考慮鏈板上危險點的位置時，應(yīng)該結(jié)合危險截面的具體尺寸參數(shù)計算危險面的應(yīng)力強度，將危險截面的應(yīng)力強度除以安全因數(shù)，得到既定條件下的許用應(yīng)力參數(shù)值，再結(jié)合鏈板的疲勞強度安全系數(shù)，確保鏈板的疲勞強度安全系數(shù)不低于許用安全系數(shù)，從而保證鏈板能夠在受力合理的條件下正常工作。

然后，結(jié)合水泥生料輸送鏈條參數(shù)的設(shè)計中的對直邊鏈板參數(shù)的約束條件、基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等各項因素，利用復(fù)合形算法流程對整個應(yīng)用過程進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)和約束條件的求解計算，在對優(yōu)化設(shè)計函數(shù)進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)鏈條結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，重點針對鏈條現(xiàn)有的尺寸、板材結(jié)構(gòu)的鏈條內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和鏈板在實際應(yīng)用過程中滿足的疲勞強度安全系數(shù)等。在對水泥生料輸送鏈條參數(shù)設(shè)計中，對直邊鏈板參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，其各項目標(biāo)參數(shù)對比示意如表1所示。

表1 優(yōu)化前后各項參數(shù)對比表

由表1可知，水泥生料輸送鏈條對直邊鏈板參數(shù)優(yōu)化，能夠在滿足各項標(biāo)準(zhǔn)的前提下，不降低鏈條強度，也可提高鏈板質(zhì)量，確保水泥生料輸送鏈條各項功能正常運行。

4 實際應(yīng)用

對優(yōu)化后的各項參數(shù)信息進(jìn)行分析，以試驗驗證方式實現(xiàn)水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)各項參數(shù)的優(yōu)化，在此過程中，首先驗證水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)料斗的拋料效果，以卸載物料與裝載時的物料質(zhì)量之差作為水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)試驗判斷的標(biāo)準(zhǔn)，采用手工裝料方式作為物料裝載的基本方法，避免裝載時物料質(zhì)量的較大誤差。同時，針對試驗研究過程，只以某一個料斗作為填充物料的基礎(chǔ)點，在卸料口用密閉的袋子對卸載的物料進(jìn)行收集，嚴(yán)格按照基本操作規(guī)范重復(fù)進(jìn)行了5次試驗，物料裝載和拆卸的類型為水泥生料，5次試驗的結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果表

由表2可知，水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)各項參數(shù)優(yōu)化設(shè)計完成后，水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)物料的裝載和卸載之間的各項參數(shù)變化較慢，其物料質(zhì)量之差基本在0.4～0.6kg，也就是說，在利用水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計后，物料的裝載過程并未受到影響，整個運輸過程的實際損失值較小，且在物料的拋灑過程中并未出現(xiàn)較大量的外泄等問題，也就證明了水泥生料輸送鏈條傳送系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化改良的合理性與科學(xué)性。

5 結(jié)語

在工業(yè)經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，對水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)該傳動系統(tǒng)整體運行效能的快速提升，更能夠借助該系統(tǒng)的優(yōu)化和各項參數(shù)的調(diào)整，確保水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)整體運行效率的提高。對此，文中以一種水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用為研究對象，在探究水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)原理與特點的基礎(chǔ)上，分析了水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的動力結(jié)構(gòu)，探討了水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容，最后以實例試驗為研究對象，論證了水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的合理性、科學(xué)性、可操作性和可實踐性，以期促進(jìn)水泥生料輸送鏈條傳動系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。