基于SolidWorks的排屑器理論排屑量計算

黃建瑞，齊亞文，周景吉，李成成

寧夏共享機床輔機有限公司，寧夏銀川，750021

0 引言

鏈板式排屑裝置適用于機械加工過程中產生的各類鋼件、鑄鐵、銅、鋁及非金屬的各種切屑，切屑形狀如帶狀屑、C型屑、崩碎屑、寶塔狀卷屑、發條狀卷屑、長緊卷屑（＞50cm建議斷屑）、螺卷屑及團屑等[1]。當排屑裝置對應不同的切削工況產生的不同切屑種類時，鏈板式排屑裝置的排屑能力是不一樣的，因此，鏈板式排屑裝置的理論處理能力是設備匹配選型的一個重要參數。

鏈板式排屑裝置工作原理為減速機輸出動力，經驅動鏈條及殼體上的相關部件傳遞到輸送鏈條以及與輸送鏈條配合安裝的鉸接鏈板上，鉸接鏈板上有固定間隔的刮屑板，隨著設備運轉從而將機床產生的切屑輸送到指定集屑區域進行下一步處理[2]，如圖1所示。

圖1 鏈板式排屑裝置工作原理圖

1 傳動方案

鏈板式排屑裝置的傳動方案主要由其選用電機的形式區分，通常根據電機的輸出軸結構，鏈板式排屑裝置的驅動分為兩類。兩種傳動方案對比如圖2所示。

圖2 鏈板式排屑裝置傳動方案圖

一類是兩級減速比傳動，這種傳動方案采用平行軸電機，經一級鏈傳動，將動力傳遞到排屑裝置前軸。此種傳動方案優點是可增加安裝機械式扭矩保護裝置，且多一級鏈傳動，減速比多一次調整選擇；缺點是需多增加鏈輪、鏈條、鏈條防護罩，安裝空間要求比較大。

另一類是單機減速比傳動，這種傳動方案采用直角空心軸電機，直接將動力傳遞到排屑裝置前軸。此種傳動方案優點是無需鏈輪、鏈條、鏈條防護罩，可簡化設計、降低成本，同時還可減少軸向尺寸，節省安裝空間；缺點是無法安裝機械式扭矩保護裝置，只能依靠電氣過載保護，增加電氣控制成本。

2 過載保護

鏈板作為鏈板式排屑裝置的主要功能部件，其在運轉過程中是與切屑直接接觸的，當切屑中混入較大異物時可能會導致卡滯、電機過載，所以，需要安裝扭矩保護裝置，并通過它有效降低因操作不當給排屑機帶來的損害。通常采用平行軸電機驅動的結構會選用摩擦式機械扭矩保護裝置，其工作原理為：正常狀態時，回轉的鏈輪通過摩擦片的摩擦力來帶動空心輸出軸轉動，出現異常時，空心輸出軸的負載過大，摩擦力不足以帶動，即出現打滑。通常根據產品運轉部位中最薄弱環節的極限負荷可換算出該保護單元的閾值。其結構如圖3所示。

圖3 扭矩保護裝置圖示

而采用直交空心軸電機驅動的結構其電機自身帶有電氣過載保護裝置，即當設備過載，電機電流瞬時超過電機額定電流時，會立即斷電保護電機及設備機械結構，如圖4所示。除此之外，也可以在電氣線路額外增加熱繼電器，設定好保護電流值，當設備過載造成線路電流超過熱繼電器設定的保護電流值時，熱繼電器動作，切斷電路，從而起到保護電機及設備的作用。

圖4 電機自帶過載保護裝置圖示

3 運行速度計算

鏈板運行速度可近似為與其嚙合的前軸鏈輪的線速度，可以根據電機輸出轉速及排屑裝置各級減速比進行對應計算得出。若采用平行軸驅動電機傳動方案，可按照以下算例參考計算。電機參數如表1所示。各級傳動鏈輪參數如表2所示。

表1 電機參數

表2 鏈輪參數

電機輸出轉速：

電機鏈輪轉速：

扭矩保護裝置轉速：

前軸鏈輪轉速：

前軸鏈輪線速度：

若采用直交空心軸驅動電機傳動方案，可按照以下算例參考計算。電機參數如表3所示。各級傳動鏈輪參數如表4所示。

表3 電機參數

表4 鏈輪參數

電機輸出轉速：

前軸鏈輪轉速：

前軸鏈輪線速度：

4 排屑能力計算

為了避免鏈板式排屑裝置中過多附件在軟件建模計算中帶來的過多誤差，我們在計算初，首先對模型進行簡化處理，最大限度內減少干擾特征[3]。

通過對SolidWorks建立的三維模型分析，以及結合設備實際運行情況可知，鏈板式排屑裝置在輸送切屑時大致可分為碎屑及長屑兩類情況。鏈板式輸送裝置在這兩類切屑輸送下的計算建模也是有區別的，同時，鏈板式排屑裝置的提升角度α和排屑通道高度H也是很重要的決定因素，如圖5所示。通常情況下，考慮到排屑裝置排出的鐵屑處于一個蓬松狀態，如果使用重量來衡量是比較困難的，所以，我們會以L（升）作為最終核算單位，這樣會方便我們對于排屑裝置理論值的計算。

圖5 排屑量理論計算關鍵參數

4.1 碎屑工況

碎屑工況下，鏈板式排屑裝置在水平工作段，落屑會覆蓋鏈板表面，其覆蓋深度取決于落屑產生量及鏈板運行的速度，但在提升段，切屑會有一部分滑落，其最終形態類似一個三棱柱，且相對穩定。如圖6所示，以鏈板排屑器在提升段時刮屑板所帶切屑的量為實際排屑量的計算依據，其切屑理論計算相關主要參數為H1（刮屑板高度）、L1（刮屑板間隔）、L2（刮屑板長度）。

圖6 碎屑輸送關鍵參數

如圖7所示，鏈板式排屑裝置在運行到提升段時，其兩個刮屑板之間輸送切屑狀態類似一個三棱柱，故兩刮屑板之間輸送的切屑可近似按此三棱柱的體積來計算，也可計為單個刮屑板的切屑輸送量V單。

圖7 碎屑輸送形狀建模

當H1=18、L1=249、L2=203時，單個刮屑板排屑量即為兩個刮屑板之間三棱柱體積：

假定鏈板刮屑板焊接間距為254mm（7個鏈板片），則1min走過的刮屑板數量為鏈板1min內的路程與刮屑板間距的比值，其值為：

注：1.58m/min為前文平行軸傳動方案下舉例計算的鏈板輸送速度。

則排屑器1min的排屑量為：

故單位小時內的排屑量為：

4.2 團屑工況

如圖8所示，以車床加工長卷屑為例，長卷屑特別長的情況下，排屑過程為長卷屑在排屑機提升段內翻滾向前運動，可把切屑近似看作一個圓柱體，圓柱體直徑近似為排屑裝置提升段排屑通道高度H。

圖8 長卷屑輸送形狀建模

當H1=18、L1=249、L2=203時，單個刮屑板排屑量即為兩個刮屑板之間圓柱體積：

同理，1min內走過6個刮屑板，排屑量為：

則單位小時內的排屑量為：

注意：以上計算均以L為單位計算排屑量（容積），因團屑在輸送過程中并非實體圓柱體，所以不可按照重量來衡量。

4.3 混合切屑工況

在實際生產加工過程中，隨著復合機床的發展，通常工件可以在一臺機床上完成多要素的加工，一方面減少重復定位給工件精度帶來的影響，另一方面也減少過程中刀具、夾具更換帶來的時間浪費，大大縮短了加工周期[4]。因而，在實際的加工過程中，機床切削產生的切屑并非固定的，可能存在多種切屑混合的情況。此類情況中，排屑裝置的排屑量并不能通過理論計算去確定，一般情況下，我們建議以碎屑或長卷屑工況兩者計算值較大的作為參考值。

在上節的計算案例中，我們可以確定，當鏈板運行速度確定時，相同高度和寬度的單個刮板排屑量受限于輸送切屑面積“S”，其中：

其中，H1：刮板高度；L1：相鄰刮板間距；H：提升段排屑通道高度。

5 結論

基于SolidWorks，對計算機輔助設計流程進行規范化設計，提高設計效率[5]。通過建模對鏈板式排屑裝置的理論值計算，我們可以發現，鏈板式排屑裝置針對兩種常規工況的排屑量所受限制的因素也各不相同。在碎屑工況中，影響鏈板式排屑裝置的因素主要為刮板的高度和相鄰刮板的間距，而在長卷屑工況中，影響鏈板式排屑裝置的因素主要為提升段排屑通道的高度。由此分析結果，我們在鏈板式排屑裝置的選型設計過程中也應該區分出不同的設計重點。通過使用SolidWorks三維模型簡化建模，我們可以近似計算出鏈板式排屑裝置的理論排屑量，同理，其他類似排屑裝置，如刮板式排屑裝置、磁刮板式排屑器裝置等等均可通過此類方法建模計算。通過排屑裝置的理論排屑量，可以有效匹配機床的排屑需求，為機床客戶提出高匹配性解決方案。