鉸鏈機(jī)構(gòu)型棒材成型器優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(guó)制造2025推進(jìn)過程中的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造，都需要大量的鋼鐵。鋼鐵產(chǎn)品中，棒材的產(chǎn)量大，使用范圍廣，是重要的工業(yè)原料。棒材軋制生產(chǎn)中，棒材自動(dòng)打捆機(jī)是棒材生產(chǎn)線精整包裝系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接影響到棒材的包裝質(zhì)量[1]。打捆機(jī)主要功能是送絲、抽絲、扭結(jié)，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(tǒng)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(qū)域的打捆機(jī)需配備與其協(xié)同工作的成型器。當(dāng)棒材束由輸送輥道運(yùn)送到設(shè)定位置時(shí)，成型器動(dòng)作，以近似圓形夾緊捆束。打捆機(jī)動(dòng)作，執(zhí)行打捆工序。打捆完成后，成型器松開，捆束繼續(xù)向前輸送，執(zhí)行下一次打捆或下道工序。

2 常用成型器機(jī)構(gòu)

棒材自動(dòng)夾緊成形技術(shù)的核心為棒材捆扎自動(dòng)夾緊成型裝置[3]，即成型器。成型器是集機(jī)械、液壓、電氣和自動(dòng)控制為一體的設(shè)備。由于需要足夠的行程和夾緊力，它的動(dòng)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(jī)構(gòu)。

2.1 單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成型器

該類成型器是模擬人的手臂動(dòng)作，抱緊捆束。

圖1 單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成型器

圖1為單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成型器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由機(jī)架、抱臂、油缸和控制單位等組成。通過油缸伸出推動(dòng)抱臂3和抱臂4，抱臂3帶動(dòng)抱臂2，抱臂2帶動(dòng)連桿和抱臂1，該六桿機(jī)構(gòu)的4個(gè)抱臂協(xié)同動(dòng)作，抱緊不同捆束大小的棒材。松開時(shí)，油缸帶動(dòng)抱臂3回位，其余3個(gè)抱臂由碟簧機(jī)構(gòu)的彈力推動(dòng)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(jiǎn)單，該類成型器是軋鋼生產(chǎn)線精整系統(tǒng)中應(yīng)用最多、最成熟的設(shè)備。

該類成型器需改進(jìn)處是，由于4個(gè)抱臂的機(jī)構(gòu)自身特點(diǎn)，對(duì)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(duì)于直徑50mm以上的大棒材，成型過程中抱臂3向左上角推動(dòng)棒材，導(dǎo)致棒材相互交叉、扭結(jié)，并且它們之間相互擠壓，很難充滿理想抱緊圓的上部，導(dǎo)致捆束截面成型為橢圓，打捆機(jī)抽絲時(shí)，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(yùn)和銷售。

2.2 單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、鏈條抱緊型成型器

該類成型器是專門針對(duì)大棒材的打捆要求而設(shè)計(jì)的，其突出特點(diǎn)是用柔性的鏈條抱緊捆束。

圖2 單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、鏈條抱緊型成形器

圖2為單側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、鏈條抱緊型成形器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由機(jī)架、油缸、驅(qū)動(dòng)臂、鏈條和液壓元件等組成。通過油缸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)臂上的鏈輪帶動(dòng)鏈條，成型過程中以近似切線方向抱緊捆束。調(diào)節(jié)孔可以改變鏈條作用于捆束的鏈節(jié)數(shù)量，可根據(jù)捆束大小設(shè)置具體安裝孔位。

該成型器最大優(yōu)點(diǎn)是，利用杠桿原理，油缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jìn)處是，隨著鏈傳動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，鏈條中銷軸與套筒之間的磨損增大，出現(xiàn)磨損伸長(zhǎng)，導(dǎo)致鏈條與鏈輪之間的嚙合變壞，出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象。由于成型初期，鏈條比較松動(dòng)，使得鏈條與鏈輪之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊載荷，振動(dòng)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(dòng)，對(duì)棒材表面有破壞作用，特別是螺紋鋼。

2.3 雙側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成型器[5]

該類成型器對(duì)稱夾緊棒材，主、副抱臂相互配合抱緊捆束。

圖3為雙側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成形器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由機(jī)架、油缸、主、副抱臂和連板等組成。受到油缸Ⅰ的驅(qū)動(dòng)，主抱臂Ⅰ和副抱臂Ⅰ通過連板Ⅰ形成第一個(gè)圓環(huán)。同時(shí)，油缸Ⅱ的驅(qū)動(dòng)，使得主抱臂Ⅱ和副抱臂Ⅱ通過連板Ⅱ形成第二個(gè)圓環(huán)。在雙圓環(huán)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(cè)驅(qū)動(dòng)，增加了油缸、液壓閥組件和管路等，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高。

圖3 雙側(cè)油缸驅(qū)動(dòng)、抱臂夾緊型成形器

3 鉸鏈機(jī)構(gòu)型成型器

通過分析常用成型器優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合精整系統(tǒng)對(duì)其高效、可靠、耐用性等的實(shí)際工況需求，回歸成型器設(shè)計(jì)的原點(diǎn)，即打捆機(jī)打捆抽絲時(shí)，抽緊力需以切線方向旋轉(zhuǎn)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(fā)生交叉、扭結(jié)，表面無損傷。

3.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

從幾何分析，切線是垂直于圓半徑的直線，圓由無數(shù)的切線包絡(luò)而成。機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)無數(shù)切線連桿組成的平面多桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)，需通過系統(tǒng)優(yōu)化近似得到。

精整區(qū)的成型器安裝于兩段輸送輥道之間，靠近打捆機(jī)處。根據(jù)捆束成型需求，每臺(tái)打捆機(jī)配備一套或兩套成型器。如果兩臺(tái)打捆機(jī)配合工作，可配備五套成型器，即安裝于它們的左右兩側(cè)和中間位置。成型器安裝于基座上，精整系統(tǒng)為其提供液壓動(dòng)力，它們相互之間存在閉環(huán)的電氣信號(hào)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(chǔ)上，成型器的空間結(jié)構(gòu)需緊湊，不能影響棒材的輸送和其他精整設(shè)備的布置。基于以上，該成型器依然采用機(jī)架、油缸和抱臂等組成的結(jié)構(gòu)。

機(jī)架仍采用窄箱體組裝結(jié)構(gòu)，兩側(cè)板之間設(shè)置抱臂、油缸、閥組、接近開關(guān)，以及擋塊、加強(qiáng)筋等零部件。安裝于機(jī)架中間用于導(dǎo)向的部件有兩種類型，即槽型導(dǎo)架和由三個(gè)輥輪組成的槽型導(dǎo)輥組件。無論采用何種類型，其槽型結(jié)構(gòu)內(nèi)部左、右、下側(cè)需大于左右輥道內(nèi)側(cè)和底部輥道上側(cè)，距離約為10mm。機(jī)架上部有用于搬運(yùn)的吊環(huán)，下部有用于固定成型器于基座的帶安裝孔底板。

油缸是動(dòng)力部件，抱臂抱緊捆束所需的推力由油缸提供，抱臂的運(yùn)動(dòng)范圍由油缸的伸縮行程確定。油缸的推力對(duì)捆束的松緊度有重要影響，推力太大會(huì)造成棒材表面損傷和機(jī)構(gòu)的損壞，推力太小則捆束抱緊截面無法成型為近似圓形，達(dá)不到需求的緊密度。

抱臂的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、配合方式是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)于不同直徑的棒材、不同棒材數(shù)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(shù)量對(duì)成型圓有重要影響，通過曲線擬合和持續(xù)的優(yōu)化，該成型器的抱臂設(shè)計(jì)為7個(gè)。為了動(dòng)作可控，增加了1個(gè)搖桿。油缸尾部連接在機(jī)架上，油桿端連接在其中一個(gè)抱臂上，該抱臂的另一端與機(jī)架轉(zhuǎn)軸通過無油銅套配合相連接。油桿伸縮時(shí)，帶動(dòng)7個(gè)抱臂以搖桿擺動(dòng)端、油缸尾部和機(jī)架轉(zhuǎn)軸3個(gè)支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而抱合、打開成型機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過結(jié)構(gòu)、尺寸的擬合優(yōu)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(shè)計(jì)的推力和速度伸出、縮回油桿。設(shè)備上安裝有接近開關(guān)，通過開關(guān)量信號(hào)檢測(cè)抱臂組的位置狀態(tài)。需成型的棒材和捆束尺寸范圍確定后，通過調(diào)壓閥來設(shè)定夾緊力。

根據(jù)需求設(shè)計(jì)的符合要求的成型器結(jié)構(gòu)，如圖4。

圖4 鉸鏈機(jī)構(gòu)型成形器

3.2 機(jī)構(gòu)分析

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

通過機(jī)構(gòu)約束條件分析，該機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)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(jù)打捆需求設(shè)定。通過轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的機(jī)構(gòu)能得到不同半徑的近似圓形合成運(yùn)動(dòng)曲線，各抱臂對(duì)捆束施加的力基本一致。通過運(yùn)動(dòng)模擬，抱緊過程中抱臂與捆束之間無顯著地相對(duì)滑移，可避免成型器對(duì)棒材表面的破壞。優(yōu)化后的抱臂結(jié)構(gòu)，不會(huì)抬升和斜推捆束，不會(huì)導(dǎo)致棒材的扭結(jié)、交叉。

3.3 創(chuàng)新點(diǎn)

通過研究成型器的工作原理本質(zhì)，分析其結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、 尺度及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選， 綜合分析和調(diào)優(yōu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。利用反求設(shè)計(jì)方法，從其成型原理和抱臂關(guān)鍵機(jī)構(gòu)中探求新的設(shè)計(jì)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(diǎn)，通過巧妙的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和曲線擬合，得到適合不同捆束大小的成型抱臂機(jī)構(gòu)。

在力求可靠、耐用、低能耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上，通過分析理想幾何切線包絡(luò)成圓方式和鉸鏈多桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，以此為出發(fā)點(diǎn)，將其應(yīng)用到成型器設(shè)計(jì)中。

4 結(jié)束語

在借鑒成熟設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，回歸捆束抱緊、成型的設(shè)計(jì)原點(diǎn)，綜合考慮實(shí)際需求和實(shí)現(xiàn)的可行性，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到平面多桿串聯(lián)鉸鏈機(jī)構(gòu)成型器。通過計(jì)算、模擬分析和試制，滿足工作需求。