多軸聯動蒸發器管精密螺旋纏繞設備的設計

孫素海，程西偉，李海峰，方杰，程振邦

多軸聯動蒸發器管精密螺旋纏繞設備的設計

孫素海1，程西偉1，李海峰1，方杰1，程振邦2

（1.安徽中佳自動化科技有限公司，安徽 滁州 239000；2.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

蒸發器是制冷系統的主要換熱裝置，一般采用繞管式蒸發器，常由鋁管或銅管沿著內膽螺旋纏繞而成。本文針對D型蒸發器管，以機電一體化技術、伺服驅動技術、多軸協同控制技術及機械設計理論為基礎，設計了一種智能纏繞設備。該設備具有自動送料、自動螺旋纏繞、無摩擦復合輸送等功能。其中自動送料方案的設計中包含糾偏組件結構、牽拉組件結構、剪切結構、壓D型結構的設計，纏繞運動設計中包含纏繞平臺和高效轉模的設計。為實現實時變速銅蒸發器管無摩擦復合輸送，研究了銅蒸發器管的輸送速度控制。該設備有利于D型蒸發器管的推廣應用。

冰箱冷柜；蒸發器管；螺旋纏繞；多軸聯動

蒸發器是制冷系統的主要換熱裝置，是冷柜的核心部件之一，對冷柜制冷有著至關重要的作用。蒸發器管的自動纏繞是研究的重點。張雪梅等[1]研究了兩種不同的蒸發器流程布置對臥式直冷柜的耗電量及冷凍能力的影響，得出螺旋上升蒸發器流程在耗電量、冷凍能力上有明顯的優勢。攀志強等[2]研究了冰箱運輸過程中，在不影響制冷、腐蝕等因素的前提下，選擇合適的方式及材料將蒸發器管與蒸發板進行固定，從而解決蒸發器管的整體運輸問題。建湖恒華機電有限公司[3]設計了一種勻冷冰箱冷凝管同步纏繞貼附鋁箔膠帶機械，包括機架、壓臂調節機構、鋁箔膠帶自動貼附收紙裝置、伺服傳動與同步纏繞機構、繞管模具和人機界面六大部分。段宗軍等[4]針對目前部分蒸發器生產設備中內膽模具只能固定在旋轉臺上，一套設備只能用于一種冰箱型號內膽的蒸發管纏繞作業的弊端，設計了一種帶換模的蒸發管纏繞旋轉臺，通過在旋轉工作臺導軌上安裝滾輪組和鎖緊機構，使得一個旋轉臺上能夠更換不同模具，大大節省了換模時間，通用性增強。詹弋[5]設計了一種制冷內膽外蒸發器制冷管自動盤管裝置，該裝置主要包括控制器、內膽夾具裝置、制冷管上料裝置、焊接平臺等部分，實現了上料、纏繞和焊接的一體化，有效解決了傳統手工方式進行外蒸發器制冷纏繞效率低、貼合程度不夠好、焊接效果無法保證等缺點。蘇州新元電器有限公司[6]設計了一種自動繞管機，由升降機構、旋轉機構、搖臂輸送機構組成，結構緊湊、傳動平穩，能集中控制自動工作，有效地提高內膽生產效率，能夠在同一內膽上繞出多種間距多種圈數的管路，滿足生產多樣化的需求。鹽城恒華智造科技有限公司[7]提出的冷柜鋁管纏繞機械，實現了冷柜內膽外側冷凝管的纏繞與鋁箔膠帶的同步貼覆，解決了原來冷柜冷凝器與內膽貼合性不好、影響制冷效率的問題。楊明珠[8]分析了機床電氣故障和診斷，為蒸發器管旋轉底座的實現提供了技術支持。重慶電機廠技術情報局[9]研制了數控自動沖槽，實現了沖槽的自動化，為本文的自動送料裝置提供了技術支持。王寶瑛[10]分析了冰箱的噪聲來源，提出一系列解決冰箱噪聲的措施，并進行了實驗驗證，對節能冰箱的降噪提供了參考。雷鳴等[11]提出一種參數化建模設計冰箱內膽模具底座，針對不同尺寸參數的底座，依據相應的特征參數表達式數據文件，可以自動、快速地實現底座的三維設計。

目前市場上的冷柜制冷系統如圖1所示，一般采用繞管式蒸發器，常由鋁管或銅管沿內膽螺旋纏繞而成，纏繞完成后由人工剪斷，生產效率低，不利于大規模生產。

圖1 繞管式蒸發器及其管路圖

機電一體化技術的深入使用，是實現產品高質量、高效率、高效益的必然選擇[12]。為此，本設計方案提出以機電一體化技術、伺服驅動技術、多軸協同控制技術及機械設計理論為基礎，以制冷行業對蒸發器管智能纏繞技術及裝備的迫切需求為牽引，研制智能高效纏繞設備。

1 自動送料方案設計

目前市場上常見的生產線上對冰箱內膽蒸發器的生產方式主要有兩種：人工纏繞和機器自動化纏繞。傳統蒸發器管生產工藝是先對蒸發器管定型，再采用人工套管的方式配合鋁箔紙在冷柜內膽上固定。該成型方式會造成蒸發器管與內膽接觸不緊密，圈與圈節距不均勻，同時生產效率低下，成品質量難以保證。針對以上的問題，設計自動送料方案，如圖2所示，主要由糾偏組件、牽拉組件、剪切組件、壓D型型組件等組成，實現了機電一體化設計。

1.貼覆輪；2.壓D型組件；3.剪切組件；4.牽拉組件；5.橫向糾偏組件；6.縱向糾偏組件。

1.1 糾偏組件

糾偏組件結構如圖3所示，包含了橫向糾偏組件和縱向糾偏組件兩種放置方式，以便于對送料管持續且穩定地糾偏。橫向糾偏組件由糾偏支架、兩條導板、兩條長壓板、兩條短壓板、若干組糾偏輪組成，兩條導板的結構相同，與走料軸線平行，且水平對稱布置，使固裝在糾偏支架上。設計了一條長壓板固定安裝在導板上方，以便更好地穩定導板，長壓板的寬度大于導板的寬度。

在兩條導板、兩條長壓板共同形成的導槽內，設計了若干個偏輪組件的支板，每個偏輪組件的支板上均設有一個糾偏輪組件。糾偏輪組件由糾偏輪軸、糾偏輪組成，糾偏輪套裝在糾偏輪軸上，糾偏輪軸固裝在偏輪組件支板上，相鄰的兩個糾偏輪對頂布置。在每個偏輪組件支板相對的長壓板外側，分別設有一個螺母用來調整長壓板的距離。

縱向糾偏組件結構和橫向糾偏組件完全相同，與橫向糾偏組件垂直，安置在橫臺上。

1.偏輪組件支板；2.糾偏輪；3.糾偏輪軸；4.螺母調位組件；5.長壓板；6.短壓板。

1.2 牽拉組件

牽拉組件結構如圖4所示，主要由牽拉基座、牽拉電機、牽拉齒輪、牽拉基板等組成。設計了兩組結構完全相同的牽拉組件，將它們對稱布置于牽拉基板的走料軸線兩側。每組牽拉組件，均包括主動牽拉輪組件、被動牽拉輪組件、中間牽拉輪組件、傳動齒輪。將主動牽拉輪組件、中間牽拉輪組件、被動牽拉輪組件依次通過同步帶連接構成帶傳動，并且在每個主動牽拉輪組件的主動牽拉軸上，均固裝有傳動齒輪，兩個傳動齒輪完全相同并可相互嚙合。

1.牽拉電機；2.聯軸器；3.牽拉基座；4.牽拉基板；5.牽拉軸；6.牽拉輪；7.牽拉齒輪。

牽拉電機通過聯軸器與牽拉軸連接，在主動牽拉輪組件、中間牽拉輪組件、被動牽拉輪組件上分別設有位置調整組件，以便于更好地調整各個組件的位置。牽拉電機啟動將通過聯軸器帶動牽拉齒輪運動，牽拉齒輪上的牽拉輪組件隨著齒輪的傳動進行旋轉，帶動物料向前運輸，當牽拉電機停止運動時，進料結束。

1.3 剪切組件

剪切組件結構如圖5所示，主要由切割電機、傳動機構、旋轉軸、切割齒輪、推力油缸等組成。將切割電機安裝在橫臺上，通過傳動機構可將動力傳遞到旋轉組件中的旋轉軸上，為使傳動更為簡便穩定，采用帶傳動機構。

1.切割電機；2.活塞桿；3.推力油缸；4.連接板；5.底座；6.傳送帶；7.旋轉軸；8.鋸齒飛輪。

帶傳動結構包括主動帶輪、同步帶、從動帶輪。主動帶輪與切割電機連接在一起，通過同步帶與從動帶輪構成帶傳動機構，將從動帶輪安裝在旋轉軸上。旋轉軸設計為階梯軸，沿其軸線設有輸送孔可讓蒸發器管線通過，輸出的孔軸線與牽拉組件的走料軸線共線；旋轉軸的進料端由軸承座支架支承，安裝在橫臺上。

剪切電機啟動，通過傳動機構將動力傳遞給旋轉軸。設計一個彈性錐套，其為外表面帶有錐度的套筒，在彈性錐套的大端面上安裝一對鋸齒飛輪。蒸發器管線通過旋轉軸中的輸送孔，電機旋轉帶動旋轉軸旋轉，進而帶動安裝在彈性錐套大端面上的鋸齒飛輪旋動。在推力油缸的作用下，活塞桿伸出帶動連接板壓向套筒作直線運動，壓向套筒壓向彈性錐套上的錐面，從而將鋸齒飛輪壓向中心，進而使得鋸齒飛輪對蒸發器管產生切割作用。切割完成后，推力油缸將活塞桿收回，鋸齒飛輪在彈性錐套的作用下返回原來的位置。

1.4 壓D型組件

目前市場上的蒸發器管多為圓柱形，這種蒸發器管與蒸發器的接觸間隙大、制冷效果差、效率低。因此設計了一種D型蒸發器管。D型蒸發器管可以貼覆在蒸發器上，經檢驗，其制冷效率遠大于圓柱形蒸發器管。所設計的壓D型組件結構如圖6所示，主要由成型氣缸、動模板、定模板、第一擋座、第二導槽壓板、動模輪、動模軸、定模輪、定模軸等組成。

1.成型氣缸；2.第二導槽壓板；3.活塞桿；4.動模板；5.動模軸；6.動模輪；7.定模軸；8.定模輪；9.定模板；10.第一擋座。

將成型氣缸缸筒固裝在第一擋座上，活塞桿與動模板連接。動模板一端設在第一擋座中，另一端設在第二導槽壓板的導槽中。在動模板上設計一個動模軸，并且在動模軸上套裝動模輪。在定模板上設有定模軸，在定模軸上套裝有定模輪。將第一擋座、第二導槽壓板、定模板均固定安裝在橫臺上，當成型氣缸伸出到位時，保證動模輪與定模輪可以相切。

在動模輪和定模輪側部分別設有環槽、半I型環槽，當物料管通過時，在環槽和半I型環槽的作用下可壓制成D型結構。該壓D型組件還具有夾持功能，可保證當物料管在剪切機構中被剪切后，物料管不會出現晃動現象。若是不能使物料管穩定輸入將會影響物料管進入到下一個工序之中，從而導致纏繞過程出現誤差。設計的壓D型結構保持了物料傳送的穩定性。

2 冷柜內膽蒸發器管纏繞運動設計

2.1 纏繞平臺

螺旋纏繞運動可分解為水平纏繞和升降兩部分運動，運動分析如圖7所示。由于內膽是矩形形狀，在轉動過程中貼覆面會發生極大的跳動，因此水平纏繞平臺采用的是、軸平動和軸轉動的組合，內膽在繞著軸轉動的同時，沿著、兩個方向運動，避免在矩形內膽轉角位置貼覆頭出現極大跳動，保證內膽膽壁始終沿著固定的貼覆頭運動。

圖7 纏繞平臺運動分析圖

升降平臺結構如圖8所示，主要由機架、升降組件、送管組件、切斷裝置、膠帶纏繞組件、貼覆臂、壓D型組件等組成。保持貼覆頭固定不動，當模具轉動到拐角部位時，貼覆輪交替壓住管子在內膽上，以達到更好的效果。采用氣缸驅動D型壓輪來實現壓D型，保證纏繞管效果更好。纏繞平臺的設計是為了實現螺旋纏繞和貼覆頭與內膽始終貼合的功能，當貼覆頭始終與內膽貼合時進行螺旋纏繞。

螺旋纏繞功能的實現需借助升降平臺和水平纏繞平臺，如圖8所示。貼覆功能的實現則是兩個部分共同作用：水平纏繞平臺通過、軸的水平運動和軸的旋轉運動實現貼覆點始終與內膽壁相貼合，升降臺則通過貼覆輪使得纏繞管一直和內膽壁貼合。

1.壓D型組件；2.剪切組件；3.牽拉組件；4.糾偏組件

2.2 高效轉模

內膽托盤架上的轉模采用一套特殊設計的內模，如圖9所示。內膽尺寸發生變化時，通過增減工藝拼版就可實現適應，提高轉模的兼容性，降低人工換模時的勞動強度和耗費時間。

1.導軌；2.工藝拼版；3.導槽

3 實時變速銅蒸發器管無摩擦復合輸送

3.1 銅蒸發器管輸送速度控制

銅蒸發器管在纏繞貼覆的過程中，保持輸送速度的均勻性是最為重要的。

如果輸送蒸發器管的速度過慢，會導致蒸發器管處于拉拽狀態，或對內膽造成壓痕或磨損，從而出現銅蒸發器管貼覆覆蓋面積小、制冷效果差、使用周期短等缺點。如果輸送速度過快，會導致蒸發器管彎曲或貼覆不緊密，還可能會出現銅蒸發器管脫落的問題，最終影響產品質量。因此需根據內膽貼覆位置的實際運動速度，實時控制送料速度。內膽貼覆位置實際運動速度是內膽壁的運動速度和纏繞頭升降速度的矢量合成。

根據計算結果，將內膽壁的實際速度分為側壁部分速度和拐角部分速度，速度合成方案如圖10所示，其中側壁部分速度即為軌道水平運動速度，而拐角部分速度的構成較為復雜，難以通過理論分析的方法得到，需要通過實驗仿真來獲取。

圖10 內膽貼覆位置實際速度獲得原理圖

纏繞頭升降速度即為升降平臺的速度。通過矢量合成即可得到內膽貼覆位置的實際運動速度，而后控制纏繞管以此變速輸出，即可實現實時變速蒸發器管無摩擦復合纏繞。

3.2 無摩擦復合輸送

蒸發器管線在進料端會在一定范圍內擺動偏移，因此將導向套筒設置成中部帶錐孔的套筒結構，保證其在進入導向套筒時保持平滑而不發生過大的折彎。通過糾偏組件上的一對糾偏輪，對從物料盤進入的彎曲管線依次實現水平糾偏和縱向糾偏。

牽拉組件提供動力，使管線源源不斷地進入。牽拉電機帶動兩組牽拉輪，通過牽拉輪與管線的擠壓摩擦帶動牽拉管線前進。管線經牽拉后進入剪切組件，切割電機帶動切割組件旋轉，對管線進行切割。經過壓D型結構確保蒸發器管線穩定后進入接下來的折彎組件中，在升降平臺和水平纏繞平臺的協同配合下，完成整個蒸發器管線的精確纏繞。

如圖11所示，根據有限元分析結果，在滿足運動過程各部分結構強度要求的條件下，對折彎臂的結構進行優化設計，使壁厚盡量變薄、結構盡量精簡。

圖11 折彎臂有限元分析圖

4 結論

本文對冰箱、冷柜內膽蒸發器管實時變速無摩擦纏繞、螺旋纏繞平臺進行了設計，產品實物如圖12、圖13所示。

圖12 蒸發器管纏繞實物圖

主要結論如下：

（1）采用伺服送管機構，使送管機構的送管速度和轉模機構的旋轉速度相匹配，這樣貼覆頭會和內膽壁緊密貼覆，避免了送管速度和轉模速度不匹配造成的壓痕。

（2）內膽托盤架上的轉模采用一套特殊設計的內模，在內膽尺寸發生變化時，只需通過增減工藝拼版就可以進行適應，提高了轉模的兼容性，降低了人工換模時的勞動強度和耗費時間。

（3）采用了輸送與纏繞成型分離式結構。其中，輸送模塊為自動輸送結構，依次采用了錐孔式進料、漸進式組合糾偏、旋轉式切割和氣缸輔助夾持等技術，實現了在一個位置上同時能完成糾偏校正、輸送料、切割等多種功能。

圖13 蒸發器管纏繞運動平臺實物

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Design of Precision Spiral Winding Equipment of Multi-Axis Linkage Evaporator Tubes

SUN Suhai1，CHENG Xiwei1，LI Haifeng1，FANG Jie1，CHENG Zhenbang2

( 1.Anhui Zhongjia Automation Technology Co., Ltd., Chuzhou 239000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China )

The evaporator is the main heat exchange device of the refrigeration system, which is generally a coiled tube evaporator, usually made of aluminum tubes or copper tubes wound along the inner liner. Aiming at the D-type evaporator tube, an intelligent winding device based on the electromechanical integration technology, the servo drive technology, the multi axis collaborative control technology and the mechanical design theory is designed in this paper. The equipment has the functions of automatic feeding, automatic spiral winding, frictionless composite conveying, etc. The design of automatic feeding scheme includes the design of deviation rectifying component structure, pulling component structure, shearing structure and pressing D-type structure, and the design of winding motion includes the design of winding platform and efficient mold transfer. In order to realize the real-time variable speed and frictionless composite transportation of copper evaporator tubes, the transportation speed control of copper evaporator tubes is studied. This equipment is beneficial to the popularization and application of D-type evaporator tubes.

refrigerator cooler；evaporator tube；spiral wound；multi-axis linkage

TB657.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.009

1006-0316 (2023) 01-0052-07

2022-05-05

孫素海（1972－），男，安徽滁州人，工程師，主要研究方向為機械設計，E-mail：13855012222@163.com。