自動切管機的軟帶式送料機構的設計選型★

徐 鋒， 朱 健

（南京工業職業技術學院， 江蘇 南京 210023）

引言

各種形狀和規格的管材是許多企業常用的原材料，而不同的產品零件需要的管材型號、尺寸都不相同。切管機作為半成品加工工具，使用頻率非常高，他的效率會直接影響成品的加工效率。一般的廠家需要很多種不同大小、形狀、長短、材料等的管材，往往都是人工去操控切管機加工不同的管材?，F有切管機沒有自動送料部分，需要人工將管料送入切管機并且校零，不僅需要人工全程值守，而且速度慢，勞動強度高。應企業要求對現有切管機進行自動化改造，升級部件分為3個部分，送料部分、定位部分和分揀部分。自動送料部分負責將管材送到切管機并且具備儲料功能，上料方式為叉車上料。

1 送料部分技術要求

送料部分機構不僅可以兼容直徑22 mm以下的管材，還可兼容最高55 mm管徑的管材，管材截面形狀不限。送料速率和切管機匹配，最高速度可達每分鐘輸送10根管材。如表1所示，列出了該公司需要在管切機上加工的管料種類及大小參數。

表1 各類管材基本參數

2 軟帶式送料料倉方案

管料不同于普通物料，由于管料長、質量大，且形狀各異，在料倉中很難通過自身重力依次從出料口出料。如果設計成堆疊形式的料倉，就不可能通過間歇機構將管料分離，管料想要一根根分離，最好讓其排成一排，沒有堆疊，這樣管料既能依次下落，又不至于互相摩擦影響外觀質量。在這里采用軟袋提升料倉的底部，使管料“滿”出料倉，管子就會一根根滾進進料口，送到切管工位[1]。如圖1所示，軟帶一端固定在支撐點上，另一端由電機減速器牽引，軟帶中間有支撐輥輪支撐成V形料倉。

圖1 整體方案圖

3 總承重估算及底座結構選擇

根據設計要求，以料倉放置一次最多30根圓管為例，按照最大管徑50 mm、厚度1.2 mm、長度6 m、鋼材密度7.85 g/cm3計算。

根據無縫鋼管質量m計算公式：

得：

式中：d為鋼管厚度；L為管長；R為外徑；r為內徑。

帶入數據得：m≈8.664 kg。

所以單根圓管的質量約8.664 kg，則30根大約260 kg，其他機構預計合約100 kg。合計約360 kg，安全系數1.5，則設計稱重為540 kg。同理可得其他種類的管料單根重量和最大根數，如下頁表2所示。

根據計算，圓管管徑不大于25 mm的和方管、矩形管長寬和不大于40 mm的可以放置60根；圓管管徑大于25 mm和方管、矩形管長寬和大于40 mm且不大于76 mm的可以放置30根；方管、矩形管長寬和大于76 mm的可以放置20根。

表2 各型號管料質量及最大放置根數

由于負重不足1 t，屬于輕量級，所以采用普通機架機構。為了便于焊接和安裝，采用矩形管作為主體材料。管長6 m，至少4個支撐點才能保證管材不變形，考慮到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料倉，采用4組相似的支撐架作為料倉[2]。

4 料倉上料軟帶部分設計計算

上料部分采用軟帶拖動式，軟帶近似受力如圖2所示。由于負重不足1 t，屬于輕量級，所以采用普通機架機構。為了便于焊接和安裝，采用矩形管作為主體材料。管長6 m，至少4個支撐點才能保證管材不變形，考慮到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料倉，采用4組相似的支撐架作為料倉[3]。

圖2 軟帶近似受力示意圖

軟帶受管材重力，兩端分別連接機架和電機，受力點兩端力的合力等于管料總重力，當管料被抬升，所需的力越大，直到管料被送入斜面料倉，30根直徑50 mm圓管自然堆疊大約高250 mm，簡化模型后即管材下端上升到距離斜面250 mm時力最大。此時需要計算軟帶與水平面的夾角[4]，簡化后的數學模型如圖3所示。

左端機架高度為1 500 mm，右端斜面高度約1 130 mm，所以提升后右邊高度為1 500-1 130+250=620 mm。

根據三角函數得:

圖3 軟帶受力數學模型

計算得 x=712.6。則有：tanα≈0.87，sinα≈0.65。

又有

帶入數據得F=3 000 N。

兩根軟吊帶受主要力，每根主軟帶承受力約為1.5 kN。為確保安全，選擇2 t的尼龍軟帶。

根據圖2，計算軟帶長度，直接讓軟帶沿著機架，約為3 760 mm。所以選擇4 m長軟帶，寬度為50 mm，厚度為12 mm的尼龍軟吊帶。

5 電機減速器選型

上料電機是用來牽引軟帶，使管料提升，所以電機所需要提供的力等于所有軟帶受到的力，每根1.5 kN，所以電機需提供最大6 kN的力[5]。

設計上料速度為10 s每次，10 s內電機絞完約2 m的軟帶，所以電機需要絞動軟帶以約0.2 m/s速度運行。那么所需功率P=6×0.2=1.2 kW，滾筒直徑設計為100 mm，周長100×3.141 5=314.2 mm，按照200 mm/s，轉速應為38.1 r/min。選擇普通三相異步交流電機，4極電機，額定轉速為1 440 r/min，則減速比為1 440/38.1≈38。

變速箱效率約85%，所以電機額定功率至少應為1.5 kW。

下面計算扭矩，滾筒直徑100 mm，軟帶全部絞上的直徑約R，則得

式中：R1為滾筒受最大扭矩時的半徑；r1為滾筒半徑；x為軟帶長度，為圖3中兩個斜邊長度的和，即：

將數據代入式（4）得R1≈87 mm。

力3 kN，則單軸扭矩為261 N·m。因此減速電機要提供522 N·m扭矩，那么按照上文減速比倒推電機扭矩，為13.8 N·m。

依據扭矩需求，從中選擇2.2 kW電機，由于工業三相電頻率是50 Hz，所以該電機轉速1 420 r/min，轉矩 15.6 N·m，可選擇電機型號東力GL40-2200-40S3-M-G1-LB。滾筒直徑100 mm，電機轉速1 420 r/min，減速機同樣選擇減速比為40的減速機，該減速機在380 V三相電機帶動下輸出轉速為37.5 r/min，在2.2 kW電機驅動下可以提供最高530 N·m的轉矩，符合要求。

5 結論

該自動切管機的軟帶式送料機構適合多種型材的自動上料，同時最大限度地保證了管料到表面質量，實用性強。軟帶式送料機構上四根軟帶的一端被固定在支撐點上，另一端由電機減速器牽引，軟帶中間有支撐輥輪支撐成V形料倉。該軟帶式送料機構能自動將各類型的管材送至切管機并且運行平穩，滿足設計要求。