發泡水泥保溫板切割機的設計與分析

范書琿， 孔超， 周成

（南京理工大學 a.機械工程學院；b.工程訓練中心，南京210094）

0 引言

發泡水泥保溫板是近年來建筑行業研究應用比較活躍的一種保溫材料，具有保溫、防火、輕質、隔音、環保等優點，發展前景廣闊。它的制備過程通常是將水和發泡劑均勻混合攪拌進行發泡，再將發好的泡沫和水泥漿體按比例混合攪拌，最后澆注成型。考慮到工藝和加工效率等多種因素影響，一般澆注成型的發泡水泥保溫板毛坯尺寸較大，因此要進行切割來滿足使用要求。目前，對于發泡水泥保溫板切割設備的研制還不多，相關研究也不充分，現有切割設備存在工作效率低、故障率高、廢品率高等缺點，因此研究設計性能穩定、工作效率高的發泡水泥保溫板切割機可以彌補該領域研究的不足，促進泡沫混凝土制品在建筑領域的推廣應用[1-2]。

1 切割機總體方案設計

發泡水泥保溫板切割機所要實現的功能是對發泡水泥保溫板毛坯進行切割，切割機設計應滿足如下要求：1）能夠進行大批量生產；2）切割毛坯尺寸具有可調節性；3）結構應簡單、合理；4）應具有可擴展性，方便進行自動化升級。

1.1 切割方案的確定

根據切割機切割要求，選擇鋸條作為切割方式，并通過鋸框將多根鋸條連成鋸系，選擇曲柄滑塊機構實現鋸系上下往復運動，切割方案的工作原理如圖1所示。工作時，電動機1的動力經傳動裝置2驅動曲柄滑塊機構的曲柄3旋轉，從而連桿4動作帶動鋸系5上下往復運動。

圖1 切割方案工作原理圖

1.2 進料方案的確定

根據切割機進料要求，選取鏈式推桿進料機構推動發泡水泥保溫板實現進給，進料方案工作原理如圖2所示。工作時，電動機1輸出的動力通過傳動鏈3傳給鏈輪5，從而帶動鏈條6運動，使推桿7推動發泡水泥保溫板實現進給運動[3-4]。

1.3 總體方案的確定

根據以上研究，確定發泡水泥保溫板切割機的總體設計方案如圖3所示。發泡水泥保溫板切割機總體包括由電動機、傳動機構、曲柄滑塊機構和鋸系組成的切割裝置，由電動機、傳動機構、鏈條輸送機構和輥子系組成的進料裝置以及由支撐架構成的機架等部分，各部分協調工作實現對發泡水泥保溫板的切割，生產出符合要求的產品[5-7]。

圖2 進料方案工作原理圖

圖3 總體設計方案

2 切割機的設計

2.1 切割裝置的設計

切割裝置選用數量可調的數根鋸條組成鋸系作為切割方式，實現不同規格發泡水泥保溫板毛坯的經濟、高效切割；設計曲柄滑塊機構將曲柄輪軸的回轉運動轉變為鋸系的上下直線往復運動；傳動機構選用擺線針輪減速器實現對電動機的減速，再利用傳動鏈條帶動曲柄滑塊機構工作軸的轉動，以滿足發泡水泥保溫板毛坯的切割速度和切割力的要求。切割裝置整體結構如圖4所示。

圖4 切割裝置整體結構圖

2.2 進料裝置的設計

進料裝置選用數根無動力輥子組成的輥子系，減小了發泡水泥保溫板毛坯進給過程中的摩擦力；選用裝有推桿附件的兩條平行輸送鏈條將鏈輪軸的回轉運動轉變為推桿的水平直線運動，進而推動發泡水泥保溫板毛坯實現水平直線進給；傳動機構選用二級擺線針輪減速器實現對電動機的大傳動比的減速，再利用傳動鏈條進一步減速，進而帶動鏈式推桿進料裝置工作軸的轉動，以滿足發泡水泥保溫板毛坯的進料速度和進給力的要求。在減速器的選擇上沒有選擇常用的齒輪減速器，而是選擇了二級擺線針輪減速器，這種減速器的傳動比更大，傳動效率更高，結構更加緊湊，相對體積較小，重量較輕，運轉平穩，噪聲低，更加符合發泡水泥保溫板進料裝置的減速和結構要求。進料裝置整體結構如圖5所示。

圖5 進料裝置整體結構圖

2.3 切割機總體裝配

切割機總體裝配如圖6所示。切割機工作時，電動機5輸出的動力經減速器4傳給鏈輪3，鏈輪3通過鏈條2帶動鏈輪7轉動，鏈輪7通過軸6帶動鏈輪1轉動，鏈輪1通過鏈18帶動推桿19水平直線運動，推動發泡水泥保溫板毛坯進料；同時電動機12輸出的動力經減速器13傳給鏈輪14，鏈輪14通過鏈條15帶動鏈輪17轉動，鏈輪17通過軸16帶動曲柄輪11轉動，曲柄輪11通過連桿10帶動鋸系9上下直線往復運動，對發泡水泥保溫板毛坯進行切割。

圖6 切割機總體裝配圖

圖7 切割裝置運動學模型

3 可行性分析

切割裝置作為切割機的主要工作部分，對其進行運動學分析，分析其結構設計的可行性。

3.1 切割裝置的運動學模型創建

將簡化后的切割裝置三維模型導入動力學分析軟件ADAMS中，添加轉動副、移動副和驅動，進行運動學仿真，如圖7所示。切割機鋸系的往復運動頻率為120min-1，即主軸轉速ω=120r/min，其1s可以轉720°，因此驅動的Function（time）設置為720 d，類型選擇速度函數。

3.2 切割裝置的運動學仿真結果

通過對切割裝置進行位移、軌跡、姿態分析，可以判斷裝置在運動過程中是否發生碰撞、干涉以及構件正確運動所需的空間。提取鋸系的位置、速度和加速度的運動學仿真曲線，如圖8所示。

圖8 鋸系的位移、速度和加速度變化曲線

對圖8進行分析得出，切割裝置的設計是可行的，可實現鋸系的上下往復運動，沒有出現死點問題。鋸系加速度在運動中有些波動，當位移最大、速度為0時，加速度達到反向最大值，而加速度的急劇變化可能會造成鋸條的損壞，因此要嚴格控制加速度所產生的沖擊影響[8-10]。

4 結語

發泡水泥保溫板具有保溫、防火、隔音降噪等優良性能，生產中可利用工業廢渣，具有良好的施工性能，與建筑物同壽命，是工業和民用建筑中應大力推廣的新型綠色建材。本文對發泡水泥保溫板切割機進行了設計和分析，此設計可以提高發泡水泥保溫板產量，減小工人勞動強度，提高發泡水泥保溫板加工效率，同時對于加速泡沫混凝土制品的推廣應用也具有重要意義。

[1]李應權,王明軒,扈士凱,等.我國泡沫混凝土行業新進展[J].混凝土世界,2014(4):10-27.

[2]黎力,廖冰.水泥發泡無機保溫板的研究和應用[J].城市建筑,2014(1):204.

[3]韓紹軍.滾筒輸送機設計計算知識介紹[J].物流技術,2013(8):64-69.

[4]王華.輥筒輸送機設計[J].江蘇現代計量,2014(4):33-39.

[5]陳暉,王煥峰,田新昊.一種新型自動砂輪切割機的設計與研究[J].機械制造,2015,53(3):12-14.

[6]張澤華,張志強.一種新型發泡水泥板切割工具的設計[J].機電技術,2014(6):50-52.

[7]黃陽,張文信.發泡水泥隔墻板簡易切割機的設計[J].機電產品開發與創新,2013,26(1):37-38.

[8]田曉鴻.基于ADAMS的推煙機構推手中曲柄滑塊機構的動態研究[J].包裝工程,2014(5):46-49.

[9]夏鏈,肖傳清,韓江,等.基于Adams的多連桿機械式壓力機動力學分析[J].重型機械,2011(6):67-70.

[10]朱大壯,陳可娟,何凱.基于雙刀車花機的偏置曲柄滑塊機構優化及仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2016(4):47-50.