纖維包自動除帶及拆袋機剪帶裝置設計

劉 琰 陳俊鵬 裴澤光

（東華大學，上海，201620）

直行往復式自動抓棉機通常是棉紡生產流程中的第一臺設備，其主要功能是從排放在其兩側、呈直線排列的各個纖維包中抓取纖維，并將抓取的纖維塊送往前紡的設備進行加工［1］。目前，纖維包排放過程中纖維包外部的打包帶和包裝袋的去除過程均由人工手動進行操作，勞動強度大、工作效率低，在當前勞動力成本上升、紡織廠用工短缺的背景下，亟需采用自動化的機械裝置實現纖維包的排放工作［2］。目前，針對其他領域的自動化剪帶與割袋裝置已有一些報道［3-7］，但對于棉紡工序中纖維包自動化剪帶與割袋裝置的報道還不多見。在我們的前期研究中，提出了一種面向直行往復式抓棉機的纖維包除帶及拆袋機設計［8-9］，下面對其中核心的鉤帶裝置和剪帶裝置的設計作以介紹。

1 鉤帶裝置與剪帶裝置的結構

為將纖維包外部的包裝袋去除，必須先將捆扎在纖維包外部的打包帶去除和收集，其主要由纖維包輸送機、鉤帶裝置、剪帶裝置和廢帶收集裝置配合完成，見圖1。

圖1 打包帶去除和收集裝置結構示意圖

圖2 示出了鉤帶裝置的結構，包括鉤帶頭、鉤帶頭運載機構、箱體和箱體運載機構等。其中，鉤帶頭用于對打包帶進行鉤取，由鉤帶壓板、滑臺氣缸、撥叉、卷簧、勾玉狀扳機開關及其連接件等構成。滑臺氣缸安裝在鉤帶壓板上頂面上，撥叉安裝在鉤帶壓板內側面，勾玉狀扳機開關連接件安裝在滑臺氣缸的滑動體上，以實現自身的橫向移動。勾玉狀扳機開關安裝在勾玉狀扳機開關連接件上，同時，開關閘位于撥叉中間位置，卷簧安裝在勾玉狀扳機開關上，以實現開關的自動復位。至此，滑臺氣缸能夠通過勾玉狀扳機開關連接件帶動勾玉狀扳機開關以及卷簧橫向移動，以實現撥叉對勾玉狀扳機開關閘上打包帶的撥落。

圖2 鉤帶裝置的結構示意圖

鉤帶頭運載機構和箱體運載機構的結構如圖3 所示。鉤帶頭運載機構包括底板、鉤帶頭連接件、滑軌、滑塊、齒條、齒輪、電機底座以及電機（含減速器，下同）。鉤帶頭運載機構用于帶動鉤帶頭上下移動，其中，滑軌和齒條安裝在底板上，電機底座通過滑塊安裝在滑軌上，以輔助其上下移動，電機安裝在電機底座上，齒輪安裝在電機的輸出軸上，并與齒條相嚙合。至此，電機帶動齒輪旋轉，繼而沿齒條上下移動，即帶動電機底座、鉤帶頭連接件及鉤帶頭等上下移動。箱體運載機構用于帶動箱體橫向移動，完成鉤帶裝置靠近、遠離纖維包的功能。箱體運載機構包括底板、滑軌、滑塊、齒條、齒輪、電機底座及電機。其中，滑軌和齒條安裝在底板上，鉤帶裝置箱體通過滑塊安裝在滑軌上，以輔助其橫向移動，電機底座安裝在箱體內部，電機安裝在電機底座上，齒輪安裝在電機輸出軸上并與齒條相嚙合。至此，電機帶動齒輪旋轉，繼而沿齒條橫向移動，即帶動電機底座、箱體等橫向移動。鉤帶頭運載機構通過底板安裝在箱體上，因此也實現了橫向移動功能。

圖3 鉤帶頭運載機構和箱體運載機構

圖4 示出了剪帶裝置的結構，包括剪帶頭、剪帶頭運載機構、箱體和箱體運載機構等。其中，剪帶頭用于剪斷打包帶，其由固定刀具、旋轉刀具、剪帶頭罩體、旋轉氣缸及其連接件等構成。旋轉氣缸安裝在剪帶頭罩體上，氣缸連接件一端連接旋轉氣缸的輸出軸，另一端與旋轉刀具連接，旋轉刀具與固定刀具的表面貼合。至此，旋轉氣缸通過氣缸連接件帶動旋轉刀具旋轉，旋轉刀具與固定刀具相配合完成剪切功能。剪帶頭運載機構和箱體運載機構的組成與鉤帶頭運載機構和箱體運載機構的組成一致，剪帶頭運載機構帶動剪帶頭上下移動，箱體運載機構帶動箱體橫向移動，完成剪帶裝置靠近、遠離纖維包的功能。

圖4 剪帶裝置示意圖

2 剪帶頭旋轉氣缸選型

由于絕大多數材料的抗剪強度均小于抗壓強度，因此本設計中采用剪切而非壓潰的方式實現打包帶的剪斷，選取旋轉刀具與固定刀具配合、旋轉刀具繞刀柄上一點旋轉完成剪切的方案。剪應力計算見式（1）。

式中：τ為剪應力，FS為作用在剪切面上的外力，A為剪切面面積。

設打包帶寬度為19 mm，厚度為1.4 mm，出于計算簡便與安全性考慮，在計算剪帶動作所需的輸出力時，剪切面面積按照A=19 mm×1.4 mm=26.6 mm2計算。設打包帶為聚酯材料（參照GH/T 1068—2010《棉花包裝用聚酯捆扎帶》），其極限剪切強度［τ］=5 MPa，則所需輸出力FS≥[τ]·A=133 N。本研究采用旋轉氣缸驅動剪帶頭旋轉刀具的旋轉剪切動作，設旋轉刀具的有效工作長度為60 mm，則旋轉氣缸輸出轉矩M應滿足M≥FS×0.06=7.98 (N·m)。為此，選用CHELIC RTB100 型旋轉氣缸，其主要參數：扭 矩9.8 N·m，轉 動 角 度0°～180°，氣 缸 缸 徑32 mm，工作壓力0.15 MPa～0.70 MPa。

3 剪帶頭運載機構設計

3.1 電機選型

剪帶頭運載機構的任務為承載剪帶頭完成上下移動。上移過程的工作負載主要為剪帶頭及附屬部件的重力，下移過程的工作負載主要為剪帶頭與纖維包之間的摩擦力與剪帶頭重力的差值。剪帶頭及附屬部件的質量約為3 kg，一般電機的質量為25 kg，則上移過程的工作負載F1=(3+25)×9.8=274.4 (N)，剪帶頭實現剪帶工作的前提是使剪帶頭的固定刀具進入捆扎在纖維包外的打包帶與纖維包之間，這要求剪帶頭壓入纖維包一定深度。參照GB 6975—2013《棉花包裝》，塑料包裝袋的拉伸強度在25 MPa 左右，取纖維包被塑料包裝袋包裹而產生的內部壓強為塑料包裝袋拉伸強度的10%，即2.5 MPa，則剪帶頭壓入棉包一定深度所需要的正壓力FN約為21 250 N。設塑料包裝袋為聚乙烯材料，其與鋼材間的滑動摩擦因數μ=0.1，計算得到剪帶頭與棉包間的滑動摩擦力Ff=FN·μ=2 125(N)。因此，下移過程中剪帶頭運載機構的工作負載F2=Ff-F1=1 850.6(N)。

剪帶頭運載機構采用電機配合齒輪齒條作為驅動，因此，電機的最大工作負載即為F2。根據電機最大工作負載計算電機輸出功率，見公式（2）。

式中：Pd為電機所需的輸出功率（kW），Pw為執行機構所需的工作功率（kW），η為電機到執行機構間傳動裝置的總效率，F為最大工作負載（N），v為執行機構的工作速度（m/s）。

查詢相關機械手冊，選取傳動裝置的總效率為η=0.95，剪帶頭移動速度為0.3 m/s，最大工作負載為F2，代入式（2）則電機工作的輸出功率Pd=0.584 4(kW)。為此，選取型號為Y80M2-2的標準電機，其主要參數：額定功率1.1 kW，轉速2 830 r/min，效率0.77，質量18 kg。

3.2 齒輪齒條設計

根據齒輪齒條的工作環境和要求，選擇齒輪齒條的精度等級為8 級精度，齒輪的材料為40Gr，硬度250HBS；齒條材料為45 鋼，硬度220HBS。初定齒輪齒數Z=30，按照接觸強度計算齒輪的公稱直徑，見式（3）～式（5）。按照彎曲強度校核齒輪強度，見式（6）和式（7）。

式中：d1為齒輪公稱直徑（mm），K為載荷系數，T1為齒輪傳遞的扭矩（N·mm），φd為齒寬系數，u為齒數比，zH為區域系數，zE為齒輪材料的彈性系數，［σH］為齒輪材料的許用接觸應力（MPa）；其中，kHN1為齒輪材料的接觸疲勞壽命系數，σHlim1為齒輪材料的接觸疲勞強度，sH為安全系數。式（3）～式（5）中相關參數查詢機械手冊如下：K=1.2，φd=0.5，u=∞，zH=2.5，zE=189.8，kHN1=1.2，σHlim1=550，sH=1。代入參數求得齒輪的公稱直徑為d1≥47.9 mm，再根據齒數計算得齒輪模數m≥1.6，因此取齒輪模數m=2，則齒輪公稱直徑d1=60 mm。

式中：σF為彎曲應力（MPa），b為齒寬（mm），YFa為齒形系數，YSa為應力修正系數，［σF］為齒輪的許用彎曲應力（MPa）；其中，kFN1為齒輪的彎曲疲勞壽命系數，σFlim1為齒輪的彎曲疲勞強度，sF為安全系數。式（6）、式（7）中相關參數查詢機械手冊 為：K=1.2，b=30，m=2，d=60，YFa=2.52，YSa=1.625，kFN1=1，σFlim1=580，sF=1.4。代入參數得σF=151.5 MPa ≤[σF]。因此，齒輪的彎曲應力小于其彎曲應力極限，齒輪齒根彎曲強度滿足要求。

綜上所述，所設計的齒輪參數為：齒數30，模數2，直徑60 mm，齒寬30 mm，精度等級8，材料40Gr。齒條參數為：長度1 500 mm，模數2，齒寬30 mm，精度等級8，材料45 鋼。

4 箱體運載機構設計

箱體運載機構的任務為承載整個剪帶裝置完成橫向水平移動，并使剪帶頭壓入纖維包一定深度。因此，箱體運載機構的工作負載為剪帶裝置移動時的動摩擦力和使剪帶頭壓入纖維包一定深度所受到的正壓力。

箱體運載機構所承載的總質量約為110 kg，底部滑塊與滑軌之間的動摩擦因數理論值在0.01～0.02，但在實際應用中，由于安裝平行度、為消除間隙采取的預緊等因素，其值會比理論值大很多，因此，通常按照0.15 進行核算。則剪帶裝置移動時的動摩擦力Ff=110×9.8×0.15=161.7 N，則箱體運載機構的工作負載F=Ff+FN=161.7+21 250=21 411.7(N)。

箱體運載機構同樣采用電機配合齒輪齒條作為驅動，因此，電機與齒輪齒條的選型設計與剪帶頭運載機構中電機與齒輪齒條的選型設計大體一致，計算過程在此不再贅述。最終選擇型號為Y132S2-2型標準電機，電機參數：額定功率7.5 kW，轉速2 900 r/min，效率0.862，質量72 kg。設計計算得到的齒輪參數為：齒數60，模數2.5，直徑150 mm，齒寬75 mm，精度等級8，材料40Gr。齒條參數為：長度1 220 mm，模數2.5，齒寬75 mm，精度等級8，材料45 鋼。

5 結論

本研究介紹了一種面向直行往復式自動抓棉機的纖維包拆袋機的鉤帶裝置和剪帶裝置的結構，對剪帶裝置進行了設計。根據旋轉氣缸所需輸出轉矩對其進行了具體選型；通過剪帶頭運載機構和箱體運載機構的工作負載和工作速度作出了運載機構的電機選型，根據工作要求分別設計了剪帶頭運載機構和箱體運載機構的齒輪齒條參數。該裝置為有效替代傳統的人工除帶工作提供了解決方案，得到的結論如下。

（1）剪帶頭旋轉氣缸選用CHELIC RTB100型旋轉氣缸，其扭矩為9.8 N·m，轉動角度為0°～180°，氣缸缸徑為32 mm，工作壓力為0.15 MPa～0.70 MPa。

（2）剪帶頭運載機構電機選取Y80M2-2 型標準電機；齒輪齒數為30，齒條長度為1 500 mm，兩者模數和齒寬分別為2 和30 mm。

（3）箱體運載機構電機選取Y132S2-2 型標準電機；齒輪齒數為60，齒條長度為1 220 mm，兩者模數和齒寬分別為2.5 和75 mm。