徐 鋒， 朱 健

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210023）

引言

各種形狀和規(guī)格的管材是許多企業(yè)常用的原材料，而不同的產(chǎn)品零件需要的管材型號(hào)、尺寸都不相同。切管機(jī)作為半成品加工工具，使用頻率非常高，他的效率會(huì)直接影響成品的加工效率。一般的廠家需要很多種不同大小、形狀、長(zhǎng)短、材料等的管材，往往都是人工去操控切管機(jī)加工不同的管材?，F(xiàn)有切管機(jī)沒有自動(dòng)送料部分，需要人工將管料送入切管機(jī)并且校零，不僅需要人工全程值守，而且速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度高。應(yīng)企業(yè)要求對(duì)現(xiàn)有切管機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，升級(jí)部件分為3個(gè)部分，送料部分、定位部分和分揀部分。自動(dòng)送料部分負(fù)責(zé)將管材送到切管機(jī)并且具備儲(chǔ)料功能，上料方式為叉車上料。

1 送料部分技術(shù)要求

送料部分機(jī)構(gòu)不僅可以兼容直徑22 mm以下的管材，還可兼容最高55 mm管徑的管材，管材截面形狀不限。送料速率和切管機(jī)匹配，最高速度可達(dá)每分鐘輸送10根管材。如表1所示，列出了該公司需要在管切機(jī)上加工的管料種類及大小參數(shù)。

表1 各類管材基本參數(shù)

2 軟帶式送料料倉(cāng)方案

管料不同于普通物料，由于管料長(zhǎng)、質(zhì)量大，且形狀各異，在料倉(cāng)中很難通過(guò)自身重力依次從出料口出料。如果設(shè)計(jì)成堆疊形式的料倉(cāng)，就不可能通過(guò)間歇機(jī)構(gòu)將管料分離，管料想要一根根分離，最好讓其排成一排，沒有堆疊，這樣管料既能依次下落，又不至于互相摩擦影響外觀質(zhì)量。在這里采用軟袋提升料倉(cāng)的底部，使管料“滿”出料倉(cāng)，管子就會(huì)一根根滾進(jìn)進(jìn)料口，送到切管工位[1]。如圖1所示，軟帶一端固定在支撐點(diǎn)上，另一端由電機(jī)減速器牽引，軟帶中間有支撐輥輪支撐成V形料倉(cāng)。

圖1 整體方案圖

3 總承重估算及底座結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以料倉(cāng)放置一次最多30根圓管為例，按照最大管徑50 mm、厚度1.2 mm、長(zhǎng)度6 m、鋼材密度7.85 g/cm3計(jì)算。

根據(jù)無(wú)縫鋼管質(zhì)量m計(jì)算公式：

得：

式中：d為鋼管厚度；L為管長(zhǎng)；R為外徑；r為內(nèi)徑。

帶入數(shù)據(jù)得：m≈8.664 kg。

所以單根圓管的質(zhì)量約8.664 kg，則30根大約260 kg，其他機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)合約100 kg。合計(jì)約360 kg，安全系數(shù)1.5，則設(shè)計(jì)稱重為540 kg。同理可得其他種類的管料單根重量和最大根數(shù)，如下頁(yè)表2所示。

根據(jù)計(jì)算，圓管管徑不大于25 mm的和方管、矩形管長(zhǎng)寬和不大于40 mm的可以放置60根；圓管管徑大于25 mm和方管、矩形管長(zhǎng)寬和大于40 mm且不大于76 mm的可以放置30根；方管、矩形管長(zhǎng)寬和大于76 mm的可以放置20根。

表2 各型號(hào)管料質(zhì)量及最大放置根數(shù)

由于負(fù)重不足1 t，屬于輕量級(jí)，所以采用普通機(jī)架機(jī)構(gòu)。為了便于焊接和安裝，采用矩形管作為主體材料。管長(zhǎng)6 m，至少4個(gè)支撐點(diǎn)才能保證管材不變形，考慮到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料倉(cāng)，采用4組相似的支撐架作為料倉(cāng)[2]。

4 料倉(cāng)上料軟帶部分設(shè)計(jì)計(jì)算

上料部分采用軟帶拖動(dòng)式，軟帶近似受力如圖2所示。由于負(fù)重不足1 t，屬于輕量級(jí)，所以采用普通機(jī)架機(jī)構(gòu)。為了便于焊接和安裝，采用矩形管作為主體材料。管長(zhǎng)6 m，至少4個(gè)支撐點(diǎn)才能保證管材不變形，考慮到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料倉(cāng)，采用4組相似的支撐架作為料倉(cāng)[3]。

圖2 軟帶近似受力示意圖

軟帶受管材重力，兩端分別連接機(jī)架和電機(jī)，受力點(diǎn)兩端力的合力等于管料總重力，當(dāng)管料被抬升，所需的力越大，直到管料被送入斜面料倉(cāng)，30根直徑50 mm圓管自然堆疊大約高250 mm，簡(jiǎn)化模型后即管材下端上升到距離斜面250 mm時(shí)力最大。此時(shí)需要計(jì)算軟帶與水平面的夾角[4]，簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

左端機(jī)架高度為1 500 mm，右端斜面高度約1 130 mm，所以提升后右邊高度為1 500-1 130+250=620 mm。

根據(jù)三角函數(shù)得:

圖3 軟帶受力數(shù)學(xué)模型

計(jì)算得 x=712.6。則有：tanα≈0.87，sinα≈0.65。

又有

帶入數(shù)據(jù)得F=3 000 N。

兩根軟吊帶受主要力，每根主軟帶承受力約為1.5 kN。為確保安全，選擇2 t的尼龍軟帶。

根據(jù)圖2，計(jì)算軟帶長(zhǎng)度，直接讓軟帶沿著機(jī)架，約為3 760 mm。所以選擇4 m長(zhǎng)軟帶，寬度為50 mm，厚度為12 mm的尼龍軟吊帶。

5 電機(jī)減速器選型

上料電機(jī)是用來(lái)牽引軟帶，使管料提升，所以電機(jī)所需要提供的力等于所有軟帶受到的力，每根1.5 kN，所以電機(jī)需提供最大6 kN的力[5]。

設(shè)計(jì)上料速度為10 s每次，10 s內(nèi)電機(jī)絞完約2 m的軟帶，所以電機(jī)需要絞動(dòng)軟帶以約0.2 m/s速度運(yùn)行。那么所需功率P=6×0.2=1.2 kW，滾筒直徑設(shè)計(jì)為100 mm，周長(zhǎng)100×3.141 5=314.2 mm，按照200 mm/s，轉(zhuǎn)速應(yīng)為38.1 r/min。選擇普通三相異步交流電機(jī)，4極電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，則減速比為1 440/38.1≈38。

變速箱效率約85%，所以電機(jī)額定功率至少應(yīng)為1.5 kW。

下面計(jì)算扭矩，滾筒直徑100 mm，軟帶全部絞上的直徑約R，則得

式中：R1為滾筒受最大扭矩時(shí)的半徑；r1為滾筒半徑；x為軟帶長(zhǎng)度，為圖3中兩個(gè)斜邊長(zhǎng)度的和，即：

將數(shù)據(jù)代入式（4）得R1≈87 mm。

力3 kN，則單軸扭矩為261 N·m。因此減速電機(jī)要提供522 N·m扭矩，那么按照上文減速比倒推電機(jī)扭矩，為13.8 N·m。

依據(jù)扭矩需求，從中選擇2.2 kW電機(jī)，由于工業(yè)三相電頻率是50 Hz，所以該電機(jī)轉(zhuǎn)速1 420 r/min，轉(zhuǎn)矩 15.6 N·m，可選擇電機(jī)型號(hào)東力GL40-2200-40S3-M-G1-LB。滾筒直徑100 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 420 r/min，減速機(jī)同樣選擇減速比為40的減速機(jī)，該減速機(jī)在380 V三相電機(jī)帶動(dòng)下輸出轉(zhuǎn)速為37.5 r/min，在2.2 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以提供最高530 N·m的轉(zhuǎn)矩，符合要求。

5 結(jié)論

該自動(dòng)切管機(jī)的軟帶式送料機(jī)構(gòu)適合多種型材的自動(dòng)上料，同時(shí)最大限度地保證了管料到表面質(zhì)量，實(shí)用性強(qiáng)。軟帶式送料機(jī)構(gòu)上四根軟帶的一端被固定在支撐點(diǎn)上，另一端由電機(jī)減速器牽引，軟帶中間有支撐輥輪支撐成V形料倉(cāng)。該軟帶式送料機(jī)構(gòu)能自動(dòng)將各類型的管材送至切管機(jī)并且運(yùn)行平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求。