鉸鏈機構型棒材成型器優化設計

趙文成

(北京華卓精科科技股份有限公司 北京 100084)

1 前言

中國制造2025推進過程中的創新驅動、結構優化，以及基礎設施的建設和產業的升級改造，都需要大量的鋼鐵。鋼鐵產品中，棒材的產量大，使用范圍廣，是重要的工業原料。棒材軋制生產中，棒材自動打捆機是棒材生產線精整包裝系統中的核心設備，其性能優劣直接影響到棒材的包裝質量[1]。打捆機主要功能是送絲、抽絲、扭結，不具有夾緊捆束和圓整捆形的能力，棒材捆束的成型和緊密是由成型器完成的。

棒材的后處理系統中，為了使打捆后的鋼材成型好，打捆更緊，并且夾緊后的鋼材接近圓形，打捆線完全貼著鋼材表面打捆，能滿足大捆和小捆包裝的要求[2]，精整區域的打捆機需配備與其協同工作的成型器。當棒材束由輸送輥道運送到設定位置時，成型器動作，以近似圓形夾緊捆束。打捆機動作，執行打捆工序。打捆完成后，成型器松開，捆束繼續向前輸送，執行下一次打捆或下道工序。

2 常用成型器機構

棒材自動夾緊成形技術的核心為棒材捆扎自動夾緊成型裝置[3]，即成型器。成型器是集機械、液壓、電氣和自動控制為一體的設備。由于需要足夠的行程和夾緊力，它的動力源一般選為液壓油缸，通過油缸的伸出和縮回來夾緊和松開捆束。

本文首先介紹3種常用的典型成型器機構。

2.1 單側油缸驅動、抱臂夾緊型成型器

該類成型器是模擬人的手臂動作，抱緊捆束。

圖1 單側油缸驅動、抱臂夾緊型成型器

圖1為單側油缸驅動、抱臂夾緊型成型器的結構簡圖，它由機架、抱臂、油缸和控制單位等組成。通過油缸伸出推動抱臂3和抱臂4，抱臂3帶動抱臂2，抱臂2帶動連桿和抱臂1，該六桿機構的4個抱臂協同動作，抱緊不同捆束大小的棒材。松開時，油缸帶動抱臂3回位，其余3個抱臂由碟簧機構的彈力推動回到初始位。

由于其夾緊力大、成型效果好，耐用及制造和控制簡單，該類成型器是軋鋼生產線精整系統中應用最多、最成熟的設備。

該類成型器需改進處是，由于4個抱臂的機構自身特點，對于直徑小于50mm的小棒材，一部分棒材位于理想抱緊圓的左下角，捆束難以夾緊成截面近似圓形；對于直徑50mm以上的大棒材，成型過程中抱臂3向左上角推動棒材，導致棒材相互交叉、扭結，并且它們之間相互擠壓，很難充滿理想抱緊圓的上部，導致捆束截面成型為橢圓，打捆機抽絲時，打捆線不能以捆束的約45°切線方向抽緊，難以成為緊密捆束，將影響庫存、搬運和銷售。

2.2 單側油缸驅動、鏈條抱緊型成型器

該類成型器是專門針對大棒材的打捆要求而設計的，其突出特點是用柔性的鏈條抱緊捆束。

圖2 單側油缸驅動、鏈條抱緊型成形器

圖2為單側油缸驅動、鏈條抱緊型成形器的結構簡圖，它由機架、油缸、驅動臂、鏈條和液壓元件等組成。通過油缸帶動驅動臂繞旋轉軸旋轉，驅動臂上的鏈輪帶動鏈條，成型過程中以近似切線方向抱緊捆束。調節孔可以改變鏈條作用于捆束的鏈節數量，可根據捆束大小設置具體安裝孔位。

該成型器最大優點是，利用杠桿原理，油缸推動驅動臂傳遞足夠大的力于鏈條上，鏈條以纏繞的方式抱緊捆束。

該類成型器需改進處是，隨著鏈傳動時間的增長，鏈條中銷軸與套筒之間的磨損增大，出現磨損伸長，導致鏈條與鏈輪之間的嚙合變壞，出現跳齒現象。由于成型初期，鏈條比較松動，使得鏈條與鏈輪之間產生強烈的沖擊載荷，振動較大[4]。鏈條易磨損，需定期更換。成型過程中，鏈條與棒材之間有相互輕微的滑動，對棒材表面有破壞作用，特別是螺紋鋼。

2.3 雙側油缸驅動、抱臂夾緊型成型器[5]

該類成型器對稱夾緊棒材，主、副抱臂相互配合抱緊捆束。

圖3為雙側油缸驅動、抱臂夾緊型成形器的結構簡圖，它由機架、油缸、主、副抱臂和連板等組成。受到油缸Ⅰ的驅動，主抱臂Ⅰ和副抱臂Ⅰ通過連板Ⅰ形成第一個圓環。同時，油缸Ⅱ的驅動，使得主抱臂Ⅱ和副抱臂Ⅱ通過連板Ⅱ形成第二個圓環。在雙圓環同步作用下抱緊捆束，周期短，并且可以避免棒材表面擦傷。由于兩側驅動，增加了油缸、液壓閥組件和管路等，結構比較復雜，成本高。

圖3 雙側油缸驅動、抱臂夾緊型成形器

3 鉸鏈機構型成型器

通過分析常用成型器優缺點，結合精整系統對其高效、可靠、耐用性等的實際工況需求，回歸成型器設計的原點，即打捆機打捆抽絲時，抽緊力需以切線方向旋轉作用于捆束。理想抱緊捆束的橫截面為圓形，在成型過程中棒材之間不能發生交叉、扭結，表面無損傷。

3.1 機構設計

從幾何分析，切線是垂直于圓半徑的直線，圓由無數的切線包絡而成。機械設計時，無法實現無數切線連桿組成的平面多桿串聯機構，需通過系統優化近似得到。

精整區的成型器安裝于兩段輸送輥道之間，靠近打捆機處。根據捆束成型需求，每臺打捆機配備一套或兩套成型器。如果兩臺打捆機配合工作，可配備五套成型器，即安裝于它們的左右兩側和中間位置。成型器安裝于基座上，精整系統為其提供液壓動力，它們相互之間存在閉環的電氣信號交換。成型器只是將捆束抱緊、成型為近似圓柱體，無向前輸送的功能。因此，在滿足成型需求的行程和抱緊力基礎上，成型器的空間結構需緊湊，不能影響棒材的輸送和其他精整設備的布置?；谝陨?，該成型器依然采用機架、油缸和抱臂等組成的結構。

機架仍采用窄箱體組裝結構，兩側板之間設置抱臂、油缸、閥組、接近開關，以及擋塊、加強筋等零部件。安裝于機架中間用于導向的部件有兩種類型，即槽型導架和由三個輥輪組成的槽型導輥組件。無論采用何種類型，其槽型結構內部左、右、下側需大于左右輥道內側和底部輥道上側，距離約為10mm。機架上部有用于搬運的吊環，下部有用于固定成型器于基座的帶安裝孔底板。

油缸是動力部件，抱臂抱緊捆束所需的推力由油缸提供，抱臂的運動范圍由油缸的伸縮行程確定。油缸的推力對捆束的松緊度有重要影響，推力太大會造成棒材表面損傷和機構的損壞，推力太小則捆束抱緊截面無法成型為近似圓形，達不到需求的緊密度。

抱臂的數量、結構、配合方式是設計的關鍵，對于不同直徑的棒材、不同棒材數量的捆束，都要滿足其成型的截面近似圓形和抱緊力。抱臂數量對成型圓有重要影響，通過曲線擬合和持續的優化，該成型器的抱臂設計為7個。為了動作可控，增加了1個搖桿。油缸尾部連接在機架上，油桿端連接在其中一個抱臂上，該抱臂的另一端與機架轉軸通過無油銅套配合相連接。油桿伸縮時，帶動7個抱臂以搖桿擺動端、油缸尾部和機架轉軸3個支點旋轉，從而抱合、打開成型機構。設計的關鍵是通過結構、尺寸的擬合優化，抱臂組圍成的形狀從最大到最小都是近似圓。

閥組件的作用是控制液壓油壓力、流量、流向，從而使油缸以設計的推力和速度伸出、縮回油桿。設備上安裝有接近開關，通過開關量信號檢測抱臂組的位置狀態。需成型的棒材和捆束尺寸范圍確定后，通過調壓閥來設定夾緊力。

根據需求設計的符合要求的成型器結構，如圖4。

圖4 鉸鏈機構型成形器

3.2 機構分析

鉸鏈型成型器機構可以看作是在機架和動力件油缸上增加自由度為零的從動件部分構成，從動件抱臂、搖桿一般可以分解為若干個自由度為零的阿蘇爾(Assur)組基本運動鏈[6]。各級Assur桿組依次連接到前各鉸鏈構件或者運動副上，形成多副桿或者復鉸，逐步構造桿組鄰接元素(抱臂)。將所有桿組連接完成，獲得含復鉸的八桿機構[7]。以基本運動鏈分析該機構，從動力件開始，確定每個連桿的運動軌跡，得到需求的系統行程軌跡。

通過機構約束條件分析，該機構各部件的運動位置和范圍可通過油缸的伸縮行程確定，抱緊力的大小由油缸和閥組依據打捆需求設定。通過轉動副相連的機構能得到不同半徑的近似圓形合成運動曲線，各抱臂對捆束施加的力基本一致。通過運動模擬，抱緊過程中抱臂與捆束之間無顯著地相對滑移，可避免成型器對棒材表面的破壞。優化后的抱臂結構，不會抬升和斜推捆束，不會導致棒材的扭結、交叉。

3.3 創新點

通過研究成型器的工作原理本質，分析其結構，對結構的運動機理、 尺度及參數進行優選， 綜合分析和調優的基礎上進行動力學分析。利用反求設計方法，從其成型原理和抱臂關鍵機構中探求新的設計思路[8]。

探索符合鋼材捆綁的最佳方式，回歸打捆需求的原點，通過巧妙的機構設計和曲線擬合，得到適合不同捆束大小的成型抱臂機構。

在力求可靠、耐用、低能耗、低成本、結構簡單的基礎上，通過分析理想幾何切線包絡成圓方式和鉸鏈多桿串聯機構的實際應用，以此為出發點，將其應用到成型器設計中。

4 結束語

在借鑒成熟設計方案的基礎上，回歸捆束抱緊、成型的設計原點，綜合考慮實際需求和實現的可行性，優化設計得到平面多桿串聯鉸鏈機構成型器。通過計算、模擬分析和試制，滿足工作需求。