石志君，陳景輝

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

1 背景介紹

包芯機(jī)在生產(chǎn)合金芯線線卷的過程中，需要將加工成型的合金芯線卷曲纏繞到卷筒上形成線卷，方便日后的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

在加工成線卷時(shí)，首先將合金芯線的線頭固定于卷筒上，然后將芯線在卷筒寬度方向上順次緊密地排列纏繞。當(dāng)寬度方向上排滿后，芯線就會(huì)起層，然后與原層反方向在卷筒寬度方向上排列，再依次重復(fù)該過程，直至線卷達(dá)到預(yù)定的重量。芯線從線頭固定開始，至線卷達(dá)到預(yù)定重量為止，這一過程被稱為收排線過程。當(dāng)線卷達(dá)到規(guī)定重量后，需要對線卷進(jìn)行打包，然后將線卷從卷筒上拆卸下來，這一過程被稱為卸線卷過程。

由于在收排線過程中，合金芯線始終處于張緊狀態(tài)，所以初層合金芯線對卷筒存有一定的壓力。隨著芯線層數(shù)的增加，最外層芯線會(huì)對里層芯線存留一定壓力，并一定程度的增加了初層芯線對卷筒的壓力F。由于芯線和卷筒間的摩擦力f與F成正比，所以在卸線卷時(shí)，由于較大的F會(huì)使f增大，不利于線卷的順利拆卸。經(jīng)分析可知，在收排線過程中，卷筒需要始終處于膨脹狀態(tài)，使芯線緊貼卷筒，完成排線與定型。當(dāng)進(jìn)行卸線卷操作時(shí)，卷筒最好能夠收縮變小，以減小f或者不與芯線接觸以方便拆卸。由此提出了脹縮卷筒的概念。

2 問題分析

現(xiàn)有包芯機(jī)卷筒在脹縮機(jī)構(gòu)的選擇方面，因多連桿結(jié)構(gòu)具有較大的活動(dòng)范圍，可實(shí)現(xiàn)芯線與卷筒的完全脫離而被經(jīng)常采用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，多連桿類型的脹縮卷筒存在一定的問題，主要表現(xiàn)在卷筒面偏斜和脹縮困難兩個(gè)方面。

下面以多連桿類型某機(jī)型包芯機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)(其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示)為例，具體分析這兩大問題產(chǎn)生的原因。

由其結(jié)構(gòu)圖可畫出其機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，另有與該類結(jié)構(gòu)相似的變體脹縮機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。

2.1 卷筒面偏斜

圖1 包芯機(jī)某多連桿型脹縮卷筒結(jié)構(gòu)圖

圖2 包芯機(jī)某多連桿型脹縮卷筒機(jī)構(gòu)簡圖

圖3 包芯機(jī)某多連桿變體型脹縮卷筒機(jī)構(gòu)簡圖

卷筒面偏斜可理解為機(jī)構(gòu)中構(gòu)件2沒達(dá)到預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此需要先對該機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析。由該機(jī)構(gòu)簡圖可知，機(jī)構(gòu)中的可活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量n為4，高副數(shù)量PH為0，低副數(shù)量PL為5(在活動(dòng)構(gòu)件4中有一處局部自由度)。所以根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式:

可得:

則F=2。

因?yàn)橐箼C(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，必須保證機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。由于該機(jī)構(gòu)中只有活動(dòng)構(gòu)件4為原動(dòng)件，即該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)原動(dòng)件。經(jīng)上面的推導(dǎo)計(jì)算可知，該機(jī)構(gòu)的自由度F=2。顯然機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)不等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，機(jī)構(gòu)不具有確定的運(yùn)動(dòng)，所以該機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在卷筒面偏斜的問題。

后來針對卷筒面偏斜的問題，在兩側(cè)的卷筒邊板上增加了限位銷釘，但由于沒有從根本上解決機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)不等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)的問題，所以改造的效果并不理想。

2.2 脹縮困難

由于多連桿機(jī)構(gòu)不具備自鎖性，為了防止脹起的卷筒在運(yùn)行過程中收縮，采用了具有自鎖性的螺紋副來實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

要使螺紋自鎖，必須使螺紋的升角θ小于或等于摩擦角α。由于摩擦因數(shù)fs與摩擦角α存在對應(yīng)關(guān)系式:fs=tanα。已知鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)fs=0.1，則α=5.71°，為保證自鎖通常取θ=4°左右。由于螺紋升角與螺距成正比關(guān)系，較小的螺紋升角對應(yīng)較小的螺距。因此，要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的脹起或收縮效果，需要脹縮螺母旋擰較多的圈數(shù)。

另外，螺紋副直接加工在主軸上，由于主軸為保證有足夠的強(qiáng)度和剛度需要較大的軸徑，致使用于實(shí)現(xiàn)自鎖的螺母也較大，超出了常用工具的范圍，需要特制專用工具，而且特制的專用工具較大、較沉，不利于操作。圖1為針對特制專用工具笨重的問題，提出的改造方案:在螺母外加裝了便于施力使其旋轉(zhuǎn)的杠桿。但受結(jié)構(gòu)限制，螺母位于卷筒內(nèi)部，也不利于操作。

綜上所述，不方便操作的方式還要使脹縮螺母旋擰較多的圈數(shù)，使脹縮過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3 改造方案

針對多連桿機(jī)構(gòu)存在的問題，在實(shí)現(xiàn)卷筒脹縮功能的前提下，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新選定，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

根據(jù)該機(jī)構(gòu)簡圖可知，機(jī)構(gòu)中的可活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量n為3，高副數(shù)量PH為0，低副數(shù)量PL為4。所以根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式:

可得:

則F=1。

由于該機(jī)構(gòu)中的可動(dòng)構(gòu)件楔塊1為原動(dòng)件，即該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)原動(dòng)件。因此機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，所以該機(jī)構(gòu)有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

圖4 包芯機(jī)脹縮卷筒改造方案機(jī)構(gòu)簡圖

由于機(jī)構(gòu)中楔塊1由錐度不同的兩段組成，其L2段錐角β的角度值較大，可實(shí)現(xiàn)卷筒3在較短軸向位移上較大的徑向升降，完成卷筒的脹縮功能。其L1段錐角Ω的角度值較小，可保證Ω≤θ以實(shí)現(xiàn)自鎖功能。從整體上看，構(gòu)件1只需要完成水平方向上的直線運(yùn)動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件3的升降與自鎖。由于完成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)種類很多，可以從中選取結(jié)構(gòu)簡單，方便可靠的方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。

4 結(jié)論

通過機(jī)構(gòu)方案的改進(jìn)，以楔塊簡單的直線運(yùn)動(dòng)，取代了復(fù)雜的多連桿螺旋組合運(yùn)動(dòng)，可從根本上解決卷筒面偏斜、脹縮困難的問題，避免了使用特制工具或杠桿來手動(dòng)旋擰脹縮螺母的低效生產(chǎn)方式，為日后設(shè)備的自動(dòng)化拆卸線卷提供了條件。

［1］孫桓陳作模葛文杰.機(jī)械原理.7版.北京:高等教育出版社，2006，5.

［2］申冰冰.實(shí)用機(jī)構(gòu)圖冊.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013，8.

［3］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).北京:高等教育出版社，2002，8.