裝胎機構中螺旋傳動的電動抓胎手設計

2010-02-26 10:51:20謝美群

裝備制造技術 2010年2期

謝美群

（江蘇省宜興職業教育中心校，江蘇宜興 214206）

抓胎手是裝胎機構的一個重要部件，國內學者對此研究的比較少，其中比較成功的有：李惠明將抓胎器與主機的橫梁分開，改進了抓胎手；陳德生等研究了滾珠螺母絲桿傳動機理，設計了升降舞臺；魏發孔研究了絲桿傳動原理，并用于大型舉升設備設計中。本文源于電動輪胎裝胎機構的自動化需要，基于螺旋傳動原理全新設計抓胎手。

1 裝胎

1.1 裝胎器的結構

裝胎器結構如圖1所示。其初始位置為：機械手在頂部縮攏→延時后機械手下降到抓胎位置→機械手伸張抓胎→延時后機械手帶生胎上升至極限位置停→硫化機開啟自動→機械手轉入→機械手下降到裝胎位置時停→下環向上→限位塊入→膠囊內通入一次定型蒸汽，膠囊舒展進入胎胚內→機械手縮攏→膠囊內一次定型蒸汽切換為保持定型蒸汽→機械手上升到極限→機械手轉出。

圖1 裝胎器

1.2 抓胎手的組成與定位

抓胎手主要由動力系統、動盤、定盤、撥叉、機械爪等組成。

其爪子開合為：抓胎手上的動力系統帶動絲桿旋轉、螺母作直線運動，并通過導架推動撥叉轉動，撥叉又推動動盤轉動，轉動的動盤帶動爪子在支架上來回運動，這樣就實現了爪子的閉合或張開。為此，要求動力系統及其傳動軌跡對準抓胎手的中心軸線，并使其重心通過軸線，從而增加取放胎的平穩性及其精度；同時為保證胎胚的低損傷，抓胎手必須根據胎胚的規格，自動伸張，自動調節伸張力。

為了使抓胎手準確定位，運動平穩無沖擊，并考慮精度及經濟因素，本文選用了YS6324伺服電機，它是雙速的，可實現螺母快速或慢速的升降，能較好地滿足迅速制動和定位精準的要求。采用絲桿傳動，能夠實現自鎖，從而保證胎胚可以在任意位置停留。

螺旋傳動在各種機電系統中有著廣泛的應用，主要是將旋轉運動變成直線運動，同時進行能量與力的傳遞，或者調整零件的相互位置，也可以將直線運動變成旋轉運動。根據螺紋副摩擦性質的不同，可以分為滾動螺旋、靜壓螺旋和滑動螺旋。滾動螺旋的特點是：結構復雜，制造較難，抗沖擊性能較差；靜壓螺旋的缺點是：螺母結構復雜，需要一套壓力穩定、溫度恒定、過濾要求較高的供油系統；滑動螺旋雖然傳動效率低，但它具有結構簡單、加工方便、運動平穩等優點。由于本設計中絲桿所受扭矩不大，在滿足機構運動要求的條件下，考慮到經濟因素，選用滑動螺旋傳動。

2 設計計算

2.1 螺桿的強度計算

受力較大的螺桿需進行強度計算。螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）Q和扭矩T的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應力；又有切應力。因此；核核螺桿強度時，應根據第四強度理論，求出危險截面的計算應力σca，其強度條件為：

或

式中，A為螺桿螺紋段的危險截面面積；

WT為螺桿螺紋段的抗扭截面系數；

dl為螺桿螺紋小徑（mm）；T為螺桿所受的扭矩；

[σ]為螺桿材料的許用應力（MPa），如表1所列。

表1 滑動螺旋副材料的許用應力

2.2 螺桿的穩定性計算

對于長徑比大的受壓螺桿，當軸向壓力Q大于某一臨界值時，螺桿就會突然發生側向彎曲而喪失其穩定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Qc。則螺桿的穩定性條件為：

式中，

Ssc為螺桿穩定性的計算安全系數；

Ss為螺桿穩定性安全系數，對于傳力螺旋（如起重螺桿等），Ss=3.5～5.0；對于傳導螺旋，Ss=2.5～4.0；對于精密螺桿或水平螺桿，Ss＞4；

Qc為螺桿的臨界載荷（N），根據螺桿的柔度λS值的大小，選用不同的公式計算。

λS= μ l/i，此處，μ 為螺桿的長度系數（見表2）；l為螺桿的工作長度（mm），若螺桿兩端支承時，取兩支點間的距離作為工作長度l；若螺桿一端以螺母支承時，則以螺母中部到另一端支點的距離，作為工作長度l；i為螺桿危險截面的慣性半徑（mm），若螺桿危險截面面積：

則

當λS≥100時，臨界載荷Qc可按歐拉公式計算，即：

式中：E為螺桿材料的拉壓彈性模量，E=2.06×105MPa；I為螺桿危險截面的慣性矩，

當λS＜100時，對于強度極限σB≥380 MPa的普通碳素鋼，如 Q235、Q275 等，取

對于強度極限σB＞480 MPa的優質碳素鋼，如35～50號鋼等，取

當λS＜40時，可以不必進行穩定性校核。若上述計算結果不滿足穩定性條件時，應適當增加螺桿的小徑d1。

表2 螺桿的長度系數μ

（l）若采用滑動支承時，則以軸承長度l0與直徑d0的比值來確定。l0/d0＜1.5時，為鉸支；

l0/d0=1.5～3.0時，為不完全固定；l0/d0＞3.0時，為固定支承。

（2）若以整體螺母作為支承時，仍按上述方法確定，此時取l0=H（H為螺母高度）。

（3）若以剖分螺母作為支承時，叫作不完全固定支承。

（4）若采用滾動支承已有徑向約束時，可作為鉸支；有徑向和軸向約束時，可作為固定支承。

2.3 扭矩計算

扭矩的計算不僅可以反映扭矩的大小，而且還是電機選擇和減速器選擇的依據。扭矩可以用機械原理方法計算：

式中Mmax為螺桿傳遞的最大扭矩（N·m）；Q為軸向載荷（N）；α 為螺旋升角；φv為當量摩擦角，φv=arctg(f/cos β)；β 為螺紋牙頂的角度；f為摩擦系數；Dcp為螺桿中徑（m）。在本設計中 Q=2 000 N，α=5°，f=0.2，Dcp=0.05 m，β =20°，計算得到Mmax=15 N·m。