鏈條輸送機維修夾具的設計與應用

李治勇， 張云森， 尹立武， 趙 波， 楊秀峰

（紅塔煙草（集團）有限責任公司大理卷煙廠， 云南 大理 671000）

引言

鏈傳動是應用較廣泛的一種機械傳動，其機械傳動效率大于93%[1]。鏈傳動是一種具有中間撓性件（鏈條）的嚙合傳動[2]，廣泛應用于煙草生產企業的包裝設備上，左右兩組對稱設置的鏈傳動配合使用，常應用于煙包的輸送和煙條的提升。滾子鏈鏈條扣上安裝有等距離的推進器，用以輸送煙包或煙條。設備生產過程中，經常需要對鏈條扣和推進器進行維修更換。由于滾子鏈輸送沒有使用張緊輪，通常維修時需拆卸鏈輪、電機等，需要重新調整同步，因此增加了勞動強度。安裝調試滾子鏈時，難度最大的就是鏈條扣的更換和安裝了，尤其是鏈條銷軸的安裝，因為鏈條銷軸與鏈條扣圓孔之間的同心度裝配精度要求較高，且鏈條張力比皮帶之類的要大得多，人工克服該張力較困難，所以研制一種鏈條維修夾具來輔助維修是很有必要的。李存華等[3]對雙鏈條輸送機鏈條扣的維修夾具問題進行了研究與設計，取得了一定的效果，但對于鏈條輸送機上推進器維修夾具的研究尚未見報道。

1 夾具裝置設計

1.1 推進器定位分析

鏈條輸送機上安裝有等距離的推進器，數量較多。推進器結構見圖1，其材料為樹脂塑料，安裝在鏈條扣上。推進器通過加長的銷軸、增加的前后兩側外鏈板和彈性鎖片來進行定位連接，加長的銷軸依次通過內側的外鏈板、內鏈板、套筒、滾子、內鏈板和外鏈板，內側兩邊的外鏈板可防止推進器底座的磨損。

圖1 推進器結構示意圖

1.2 設計思想及要求

為了提供一種新型鏈條維修夾具及使用方法，在不改變同步的情況下，實現在滾子鏈上對鏈條扣和鏈上推進器的快速維修，提高維修效率，降低人工勞動強度。夾具設計具體要求如下：

1）夾具應具有一定的強度，在使用過程中保證不發生失效破壞，并且變形量在一定范圍內。

2）設計過程中綜合考慮滾子鏈和推進器的操作范圍，控制夾具裝配后的總體尺寸，以保證合理的裝夾空間，避免干涉。

3）合理利用材料，在保證強度的基礎上實現夾具輕量化，并且拆裝方便[4]。

1.3 設計方案

本文解決其技術問題所采用的技術方案是：一種新型鏈條維修夾具，由兩個爪桿、兩個桿端關節軸承和一根螺桿構成，兩個爪桿通過螺栓的活動連接實現旋轉運動。螺桿與爪桿之間通過桿端關節軸承連接，利用桿端關節軸承將螺桿的直線運動轉化為爪桿的微幅旋轉運動。維修夾具的結構設計見下頁圖2。

圖2 維修夾具結構示意圖

新型鏈條維修夾具包括兩個爪桿、桿端關節軸承和螺桿，其中一爪桿由帶圓爪的桿和連接擋塊組成，另一爪桿由帶圓爪的桿和連接擋塊組成，二者通過焊接的方式加工而成, 形成一個不可分割的整體。兩個爪桿中部使用非全螺紋螺栓和螺母實現活動鏈接。螺桿與爪桿之間通過桿端關節軸承連接，螺桿與爪桿之間通過桿端關節軸承連接，卡簧用于爪桿和桿端關節軸承之間的軸向固定，卡簧用于軸向固定爪桿和桿端關節軸承，螺桿上設有鎖緊螺母。

桿端關節軸承的球面滑動軸承內圈與爪桿端部連接，并用卡簧進行軸向固定。桿端關節軸承的柱螺栓諾孔與雙頭螺桿螺紋連接，同時利用螺母來進行鎖緊。桿端關節軸承通過其球面內圈的作用可在一定角度范圍內做傾斜運動。

所述的爪桿結構如圖3 所示，連接擋塊端部設計有圓角和通孔，從而能夠通過中部螺栓螺母的鏈接實現微幅的旋轉運動。爪桿帶圓爪的桿右端爪部為圓弧形，其尺寸大小根據滾子鏈滾子套筒來確定并通過熱處理確保其使用強度。桿左端設計有與桿端關節軸承內圈配合的圓軸，同時桿左端設計有與卡簧相對應的卡環。

圖3 爪桿部件的結構示意圖

圖4 所示為所述的螺桿結構示意圖，調節螺桿兩端螺紋旋向相反，螺桿兩端分別與對應的桿端關節軸承螺接，調節螺桿中部開有供扳手插入的開口，其長度可根據實際需要進行相應的設計。工作時，旋轉螺桿使兩桿端關節軸承距離調大，通過桿端關節軸承內球面軸承的作用，帶動兩爪桿部分以中部螺栓為中心作微幅旋轉運動，兩圓爪距離變小從而達到圓爪對鏈條的夾緊。

圖4 螺桿的設計示意圖

2 維修夾具的有限元分析

若不計各種附加動載荷，傳動鏈條的緊邊張力F1，由有效圓周力F、離心力引起的張力Fc及松邊垂度引起的張力Ff所組成。傳動鏈松邊的張力F2則由Fc及垂度引起的張力kf兩部分組成[5]。以上各力計算公式如下：

式中：P 為鏈傳動傳遞功率kW；v 為緊邊鏈速m/s；q為每米鏈長的質量kg/m；g 為重力加速度m/s2；l 為鏈輪中心距；Kf為垂度系數，滾子輸送鏈水平工作時Kf=6～7，垂直工作時Kf=1。

維修夾具為克服傳動鏈的受力而將其夾緊，帶入各參數，鏈條緊邊所受的張力約為50 N，則夾具所受到的壓力值略比此大。夾具中爪桿的材料為調質45 號鋼，螺桿材料為45 號鋼，球頭桿端關節軸承為不銹鋼。滾子鏈材料35CrMo，均為各向同性，參數如表1 所示。

表1 材料性能參數

采用的有限元分析軟件為ANSYS Workbench 17.0，其分析過程包括四個主要的步驟：初步確定、前處理、加載并求解和后處理[6]。將建立好的夾具三維模型導入ANSYS Workbench 中，定義夾具的材料屬性，如彈性模量、材料密度、泊松比等。然后在Meshing 平臺采用Automaic（自動網格劃分）的方式對模型劃分網格，網格劃分如圖5 所示。

圖5 夾具網格劃分圖

網格劃分結束后，設置相應的約束條件。兩端桿端關節軸承其球面內圈與爪桿固定連接，球面內圈存在著旋轉副，見下頁圖6；兩個爪桿中部螺栓連接部分同軸，也存在著旋轉副。

圖6 添加球面內圈旋轉副約束

給夾具爪桿圓弧設置正確的面載荷，計算得到夾具的有限元分析結果，圖7 和圖8 所示為夾具裝置的應力圖和總變形圖。

圖7 夾具有限元分析結果應力圖

圖8 夾具有限元分析結果變形圖

圖7 可見夾具應力最大點出現的位置和具體數值，應力值遠低于400 MPa，小于材料的屈服極限，在安全范圍以內。圖8 中的夾具變形量是放大后畫出的，最大形變位移發生在爪桿的圓弧邊緣位置，位移大小為0.012 7 mm，小于一般維修夾具的變形量，因此該夾具具有足夠的強度，是安全可靠的，滿足其工作要求。

3 維修夾具的應用

3.1 夾具的使用方法

使用該夾具時，用扳手旋轉螺桿，適當調小桿端關節軸承之間的距離，使兩爪桿的下端圓爪部分張開至足以能夠放入需維修鏈條扣或推進器的相鄰滾子鏈的兩滾子內為止，見圖9。

圖9 夾具的一工作狀態

然后，用扳手旋轉螺桿不斷加大桿端關節軸承之間的距離，使兩爪桿的下端圓爪部分以螺栓為中心向內不斷收縮，直到需更換的鏈條扣出現松弛狀態。此時鎖緊螺母，現在即可更換鏈條扣、鏈板、鏈軸或推進器。

維修完畢后，松開螺母，旋轉螺桿減小兩桿端關節軸承之間距離，使兩爪桿圓爪部分慢慢松開，直到取出夾具為止。這時整個滾子鏈在自重、下半部分的趟勢和配重的拉力下已繃得緊緊的，在確保鏈條被截斷時不與鏈輪分開的前提下，整個更換工作結束。

3.2 應用效果

夾具性能評價是對設計完成的夾具的有關性能進行評價和分析，用以保證夾具設計的質量。性能評價的內容包括定位精度、加工表面精度、夾緊和加工穩定性、抵抗夾具元件變形的剛度、表面可及性等[7]，通過實際應用來對其進行性能評價。

材料：“紅塔山（硬經典100）”牌卷煙[由紅塔煙草（集團）有限責任公司大理卷煙廠提供]。

設備：foke350S 包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：根據DCS（Distributed Control System）系統數據，統計foke350S 型包裝機使用夾具裝置前后鏈條輸送機更換鏈條扣或推進器的維修時間。

由表2 可見，使用夾具后因鏈條輸送機故障的停機維修時長由40 min 減少為11 min，停機維修時長降低72.5%。使用維修夾具后，減輕了維修人員勞動強度，提高了包裝機生產效率。

表2 使用夾具前后因鏈條輸送機故障的停機時間 min

4 結語

該夾具結構簡單，包含制造的零部件少，具有成本低、易于推廣的特點。在煙草企業的包裝設備上對滾子鏈鏈條扣和輸送鏈上推進器的更換、維修，具有高效快捷的特點，可試用于其他工業企業類似規格滾子鏈的維修、安裝和調試工作，根據鏈條不同的節距和需要的長度，通過加長或縮短兩爪桿和螺桿的尺寸來滿足不同滾子鏈的使用要求，具有降低人工勞動強度，提高維修效率的特點。