双轨道全自动液压打捆机拧丝系统的研究.pdf

第 6期 2 0 1 3年 6月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 4 3 双轨道全 自动液压打捆机拧丝 系统的研 究 李成群， 陈龙， 董小雷 河北联合大学 机械工程学院， 河北 唐山0 6 3 0 0 9 摘要 拧丝机 构是液压打捆机的核心部件 ， 它以液压油为动力， P L C控制实现拧丝头的动作。 原地旋转的拧丝机 构在使 用过程中， 经常出现拧断盘奈的现象。为克服此缺陷， 设计出了边旋转边前进的拧丝机构， 这样打出的瓣结要比原地旋转 打出的瓣结牢固可靠， 强度高， 不易散捆。需计算出完成两个动作的理论数据， 一个是通过拧丝缸旋转的圈数和前进的距 离求出螺旋传动的各个参数。另一个是通过盘条的强度以及拧丝缸芯轴动作时产生的摩擦力， 来求出所需的扭矩 ， 进而 计算出所马达选型的基本参数， 确定马达的型号。 关键词 全自动液压打捆机； 拧丝机构； 马达； 油缸 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A ’文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 6 0 0 4 3 0 3 Re s e a r c h o n Twi s t i n g Sy s t e m o f t h e Do u b l e - Tr a c k Au t o ma t i c Hy d r a u l i c Ba l e r ． L I C h e n g q u n，C HEN L o n g ，DONG Xi a o - l e i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， H e b e i U n i t e d U n i v e r s i t y ， H e b e i T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T w is t i n g m a c h i n e i s t h e c e n t e r o f t h e h y d r a u l i c b i n d i n g m ach i n e ， p o w e r e d b y h y d r a u l i c o i l ， a n d c o n t r o l l e d and f a e d t h e act i o n o ft w i s t h e a d b y P L C ． ／ n t h e c o r s e ， t w is t i n g m a c h i n e C an t w i s t o f ft h e s t e e l w i r e r o d s e a s i l y ． I n o r d e r t o o v e r c o m e t h i s s h o r t c o mi n g ， i t d e s i g n s t h e t w i s t m ach i n e s p i n n i n g 171 5 mo v i n g f o r w a r d ． T h e k n o t i s mo r e s o l i d a n d r e l i a b l e ， a n d n o t e a s y t o l o o s e ． The t h e o r y d a t a o ft w o act i o n s is n e e d e d o n e i s e a c hp a r a m e t e r o f p o w e r s c r e w c alc u l at e d b y t h e n u mb e r o f t w i s t i n g c y l i n d e r s p i n n i n g a n d t h e d is t a n c e mo v i n g f o r w ard ； a n o t h e r i s t o r q u e b y t h e s t r e n g t h ofs t e e l w i r e ． r o d s a n d f r i c t i o n f o r c e d a b b e r oft w i s t c y l i n d e r w o r k i n g ． ,S O 珊 t o c a l c u l at e t h e b a s i c p ar a me t e r ofm o t o r t o m a k e s u r e t h e m o d e l oft h e m o t o r ． Ke y W o r d s Au t o ma t i c Hy d r a ul i c Bi n d i n g M a c h i n e ；T wi s t i n g M a c h i n e ； M o t o r ；Cy l i n d e r 1引言 全自动液压打捆机是集机一 电一 液于一体的高科技产品， 它 是利用盘条为捆扎材料， 将钢材捆扎成形的包装设备 ， 以便于钢 材的运输、 存储和销售。 拧丝机构是液压打捆机的关键部件 ， 它设 计的是否合理将直接影响到钢材打捆的质量I1 l。它解决了进口拧 丝头存在的问题 ， 克服了打捆瓣结易断裂， 散捆等缺陷。 它能够完 成边拧紧边前进的动作 ， 减小了拧丝瓣结的内应力， 从而保证打 搁速度和捆扎的牢固性。 ． 2拧丝系统的机械结构设计 国内目前许多棒材生产线采用进 口瑞典某公司出品的液压 打搁机， 扭转头的寿命周期大约为 1 5 2 0 x l 0 q “ 的棒材产品打制 捆结， 国内也有部分生产厂家对其进行了国产化， 但无论是进口 的扭转头还是国产化的扭转头， 生产实际中在进行送丝时， 常有 送丝受阻现象。 K N C A 一 7 1 8 0 0 D液压打搁机的拧丝机构存在以下问题[2 1 1 拧丝时， 拧丝装置与钢捆之间的距离是固定不变的， 由 于拧丝过程中捆结要收缩，使捆结和拧丝装置受到很大的拉力 ， 容易造成盘条和打捆机部件的损坏。另外， 当拉力达到一定的限 度时， 盘条就会断裂， 故拧丝的角度不能太大 一般为7 2 0 。 ， 由于 拧丝拥结的角度小， 使捆结的牢固度差， 易造成散捆。 2 对捆线的要求也比较严格， 捆线使用前要稍稍喷洒一些 柴油， 帮助送线润滑。 3 生产过程中由于捆线切头不齐， 造成捆线在喂入扭转头 时受阻的现象经常发生。每次盘条卡线时， 都要将盘条全部抽出 来， 重新对盘条切头处理后 ， 再进行喂线， 给实际生产带来不便 ， 故障率较高。 1 ．拧丝头 2 ．柱销 3 ． 拉簧 4 ． 液压销 I 5 ．液压销I I 6 ． 螺旋配合 7 ．拧丝缸芯轴 8 ．通油孔 9 ． 供油腔 I 1 O ．供油腔I I 1 1 ． 拧丝缸缸体 l 2 ． 滑键 1 3 冲 间套筒 1 4 ． 轴承 1 5 ． 花键 l 6 ．扭转液压马达 图 I双轨道液压打捆机拧丝机构的结构简图 F i g ． 1 Th e Me c h a n i s m o f T wi s t i n g Ma c h i n e o f Do u b l e - Tr a c k Au t o ma t i c Hy d r a u l i c Bu n d l i n g Ma c h i n e 为了解决以上出现的问题， 设计出了能够边旋转， 边前进的 来稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 1 5 作者简介 李成群， 1 9 6 3 一 ， 男， 河北唐山人， 博士后 ， 副教授， 主要研究方向 机器人技术、 工业控制和测试技术研究 4 4 李成群等 双轨道全自动液压打捆机拧丝系统的研究 第6 期 拧丝机构。克服了现在应用打捆机打出捆结易散捆的情况， 减小 了盘条捆结的内应力， 使捆结更加牢固。考虑到盘条质量对送线 和夹紧的影响， 以及应用与双轨道液压打捆机的特殊场合， 设计 出了新型拧丝头机构， 其结构， 如图 1 所示。 下面介绍双轨道液压打捆机拧丝机构的工作过程。 当棒材由辊道传到打捆的预定位置后，打捆机收到 P L C发 出的打捆指令。 首先， 驱动马达正转， 驱动盘条沿预定的打捆轨道 环绕棒材两周， 当盘条到达预定的位置时， 驱动马达反转， 使盘条 抽紧棒材口 ] 。这时， 通油孔 8 开始供油， 供油腔 I 和供油腔 Ⅱ内充 满高压油， 高压油就会推动液压销 I 和液压销 Ⅱ前进， 这时， 液压 销 I 和液压销 Ⅱ 就顶紧拧丝头， 拧丝头就会把盘条夹紧。 之后 ， 液 压马达开始供油， 马达的扭矩通过中间套筒 1 3和滑键 1 2共同作 用传到拧丝缸芯轴 7 上， 拧丝头就会旋转。 同时， 拧丝缸的芯轴上 6 处为螺旋配合 ， 这样， 在螺旋配合的作用下， 拧丝缸芯轴就会按 导程的大小前进。其中， 拧丝缸前进的行程为 1 2 6 mm， 拧丝头旋 转2 }圈 后形成一 个捆 结。 导 程大小 可由 前 进的 行 程与旋转的 角 4 度计算出来。 盘条经过拧丝头 I 穿出， 围绕着导丝轨道旋转两圈后， 穿过 拧丝头 Ⅱ。 此时， 两个液压销分别压紧两个拧丝头， 通过两个拧丝 头分别和固定端的共同作用， 把盘条压紧在对应的拧丝钳的送丝 轨道中。 工作时液压销前进的大小， 以及拧丝钳转动的角度， 都不 会受彼此影响。这样， 两个拧丝头就能与固定端共同作用分别压 紧盘条， 即使盘条的存在粗细的偏差， 也不会出现由夹不紧盘条 的现象。另外， 由于拧丝头送丝的斜面前方是开放的， 这样， 即使 盘条的切头不齐， 也不会发生送丝受阻的现象。 拧丝钳结构， 如图 2所示 。 1 ．拧丝头 I 2 ． 销子 3 ． 拧丝头固定端 4 ．拧丝头 Ⅱ 图 2拧丝钳结构图 F i g ．2 T h e S t mc t u o f Twi s t i n g C 1 a r T l p 由于送抽丝都要经过拧丝头， 所以拧丝头必须硬度高， 有一 定的耐磨性。扭转头的制作材料采用冷作模具钢 C r l 2 M o V， 经过 淬火及低温回火处理， 使扭转头的硬度达到 H R C 6 2 ， 这样扭转头 的耐磨性及韧性都比较理想。C r 1 2 Mo V属于高碳、 高铬类型莱氏 体钢，具有良好的淬透陛，截面尺寸在 4 0 0 mm以下可以完全淬 透， 且具有很高的耐磨性， 淬火时体积变化小。 加入了钼、 钒， 钢的 热加工性能、 冲击韧性和碳化物分布都得到了明显改善 。 3拧丝机构的力学计算 拧丝机构的功能就是对盘条进行夹紧、 形成捆结 ， 这些功能 都要在拧丝机构上完成， 同时拧丝机构在拧丝过程中要始终对盘 条进行夹紧。这就需要对拧丝机构的负载力进行详细的分析， 求 出完成这些动作的理论数据， 包括螺旋传动的参数和选择马达型 号所需的参数。 由于拧丝机构中芯轴的螺旋传动， 需要芯轴正向和反向都 能运动， 因此该螺纹副不能有 自锁I生， 但是实际生产又要求拧丝 缸有较大的扭矩， 所以必须增大螺纹副的螺纹升角目 。 梯形螺纹的 工艺性好， 牙根强度高， 对中性好， 所以， 在螺纹传动中应用最为 广泛， 但牙型斜角 1 5 。 ， 比矩形螺纹大， 传动效率略低。查机械 设计手册可知， 钢对青铜． O ． 1 0 O ． 1 5 ， 取 0 ． 1 0 。 可得螺纹副的当量 摩擦角为 p a r c t a “ a r c t a n 5 9 。 1 选用捆扎材料为碳素结构钢 Q 2 3 5 ， 盘条直径为 西 8 。由使用 要求可知， 拧丝缸前进的距离应该选取一合适值， 以免发生盘条 被拧断或拧不紧的现象。 图3距离为L 时捆结示意图 F i g ．3 S c h e me o f Kn o t Di s t a n c e L 图4距离为￡ 时捆结示意图 F i g ．4 S c h e me o f Kn o t Di s t c e L 图5距离为 时捆结示意图 Fi g ． 5 S c h e me o f Kn o t Di s t a n c e L ” 距离为 、 L 、 时捆结示意图， 如图 3 一 图5所示。 当 时所打的捆结会产生松捆的现象。当 吐 时， 盘条 捆结就会被拧断。所以选取合适的 值， 直接关系到打捆的质量目 。 此数值由现场实验测绘得之。 因此， 的数值确定之后， 拧丝缸前 进的距离也可以测得，经实验测量知拧丝钳位移为 A L 1 2 6 m m。 拧丝头需要旋转 8 1 0 。 ， 即2 圈， 螺旋传动的导程为 Js n P ， 可推 导出 s 5 6 mm， 查机械设计手册， 取螺距 1 4 m m， 螺纹线 No ． 6 J u n e ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与制 造 4 5 数n -- -4 。 根据实际使用情况， 螺纹的公称直径 d l 1 0 ram， 因此， d 2 1 0 3 m m， 可计算出螺纹升角为 r c t a n a r c t a n 1 0 。 2 由于螺纹升角大于当量摩擦角， 故该螺旋传动不会 自锁。 下面求马达的主要技术叁数[6 - 7 ] M Mb 3 式中 一芯轴旋转需要的扭矩； 一盘条达到强度极限时的力 矩 ； j I 拧丝钳芯轴活塞处摩擦力矩 ； j 1 拧丝钳芯轴活 塞杆出口处的摩擦力矩。 拧丝力的计算与捆结的受力情况密切相关， 对于钢捆捆结 ， 其容易造成捆丝拧断的位置是捆结的根部，捆结根部受力示意 图， 如图6所示。 不能超过捆丝的强度极限。 可得捆丝断裂时拧 丝钳提供给捆丝的扭矩为 d o -b A d 4 6 0 1 0 。 孚 0 ．0 0 8 1 8 5 N in 4 图 6捆结根部受力分析 Fi g ． 6 T h e Fo r c e An a l y s i s Di a g r a m o f t h e Ro o t of Ti e Kn o t 下面求拧丝钳芯轴活塞处摩擦力矩 ‘ ㈦ 式中 接触应力系数， a l 这里取 a 0 ．8 ； 0形圈泊桑比， 0 ．4 8 ； 厂 负载压力 ， P a i 产 一 聚四氟乙烯与缸筒的摩擦系数， f o ． 1 ； d 一0形圈直径 ， m； L l 一活塞周长， m； D 广 活塞直径， m； b O形圈压缩后高度， m。 拧丝钳芯轴活塞杆出口处其摩擦力矩为 6 式中 d 一活塞杆的直径 ， m； 一活塞杆圆周单位长度的摩擦 力， 单位 N ／ m， 根据实际使用情况， 取 F o 4 0 N ／ m。 把以上数据代人可得 7 3 ． 9 N m； 1 ． 0 2 N m 7 所以， 拧丝机构芯轴旋转需要的扭矩为 M d 2 6 0 N。 In 8 查资料可知 不带 自 锁的螺旋传动的机械效率 7 7 0 ． 5 0 ． 7 ， 此处取 7 。 -- 0 ． 6 。 滑键的机械效率为 7 2 0 ． 8 。 所以， 马达输出的转 矩 为 ，_ 1 叼 9 又由于马达的输出转矩的表达式为 昙 ， 可得出 叮 T 3 4 0 mL ／ r 1 0 ’ “ ， 仉 P 0 ． 6 X 0 ． 81 0 ⋯‘ ⋯ 考虑到机械效率的影响， 选用马达的型号为 B M D 4 0 0 ． 摆线液压马达是一轴配流镶齿定转子副式的小型低速大扭 矩液压马达， 优点如下 1 体积小， 重量轻， 它的外形尺寸 比同样扭矩的其它类型 液压马达小得多。 2 转速范围广， 可无级调速， 最低稳定转速可达 1 5转份 ， 安装布置方便， 投资费用低。 3 转动惯性小， 在负载下容易起动， 正反转都可使用， 而且 换向时不用停机。 4结论 根据现场实际生产情况以及打捆机使用过程中出现的问 题， 设计出了一种新型的打捆机拧丝机构， 它将机一 电一 液三者巧 妙地结合起来， 克服了现有拧丝机构的使用缺陷。详细介绍了拧 丝机构的结构及工作原理， 计算出需要的扭矩， 选择了合适型号 的马达。现场应用表明， 它克服了大型棒材打单道捆易散捆的缺 陷， 提高了捆结的牢固性； 代替了人工打捆， 自动化程度提高， 改 善了工人的工作环境； 采用了合适的耐磨材料， 提高了拧丝头的 使用寿命；克服了盘条的切头不齐而引起送丝受阻的现象发生， 延长了设备的无故障工作时间， 从而提高了生产效率。 参考文献 [ 1 ] 沈鑫刚． 全自 动钢管打捆机的研究与开发[ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 5 ． S h e n X i n - 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