新型環(huán)形輸送帶接頭機(jī)研制

朱開(kāi)華

（福建省三明市東辰機(jī)械制造有限責(zé)任公司，福建 沙縣 365500）

0 引言

橡膠輸送帶是輸送物料的一種工具部件，可以循環(huán)使用，但是需要做成環(huán)形才能投入使用。現(xiàn)階段用戶(hù)一般是將輸送帶在工作現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用冷粘接接頭、熱硫化接頭以及機(jī)械接頭這三種方式進(jìn)行接頭[1]，現(xiàn)場(chǎng)輸送帶接頭對(duì)工人技術(shù)要求高且工作不方便。因此，用戶(hù)對(duì)環(huán)形輸送帶的需求日益增多。生產(chǎn)廠(chǎng)家一般應(yīng)采用C型油壓機(jī)進(jìn)行熱硫化接頭，以方便環(huán)形輸送帶的取放。但對(duì)于較大的環(huán)形輸送帶，若采用傳統(tǒng)的C型油壓機(jī)進(jìn)行輸送帶接頭硫化，其承壓部份的懸臂應(yīng)加長(zhǎng)，且設(shè)備承受較大的合模壓力，要保證其強(qiáng)度和剛度，需加大C型油壓機(jī)的機(jī)身重量，使C型油壓機(jī)體積過(guò)大，重量較重，造價(jià)高。

為解決上述問(wèn)題，新型環(huán)形輸送帶接頭機(jī)取傳統(tǒng)的輸送帶硫化機(jī)框式結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)好及C型輸送帶接頭機(jī)可以方便裝取輸送帶的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用連板裝置、插銷(xiāo)裝置、轉(zhuǎn)臂裝置的作用，將設(shè)備在不同的工況下進(jìn)行力學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。設(shè)備具有造價(jià)低、操作方便特點(diǎn)。

1 設(shè)備研制

1.1 設(shè)計(jì)方案

輸送帶接頭硫化其中硫化壓力是重要因素之一，標(biāo)準(zhǔn)的接頭硫化壓力為1.5MPa，可保證接頭的致密性、橡膠與線(xiàn)繩的附著力、橡膠的流動(dòng)性而提高硫化接頭質(zhì)量[2]。方案設(shè)計(jì)中分別采用機(jī)架的C型結(jié)構(gòu)與框式結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分折。由表1可知，框式結(jié)構(gòu)力學(xué)性能好且機(jī)架重量輕，生產(chǎn)成本低。在設(shè)計(jì)中，機(jī)架在板式框型機(jī)架的基礎(chǔ)上，將一側(cè)支板用連桿替代，連桿可通過(guò)油缸開(kāi)合，在輸送帶放取時(shí)連桿抬起，機(jī)架為C型結(jié)構(gòu)方便環(huán)形輸送帶的放取。在輸送帶接頭硫化時(shí)，連桿放下并通過(guò)柱銷(xiāo)與機(jī)架連接，機(jī)架為框式結(jié)構(gòu)，保留較好的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性。

表1 力學(xué)分折對(duì)照表

1.2 技術(shù)參數(shù)

模具規(guī)格（長(zhǎng)×寬）：（1600×1400）mm，合模力：6.72E+6N，油缸直徑：420mm，油缸數(shù)量：4個(gè)，油缸行程：450mm，蒸汽壓力：0.4～0.5（MPa）。

1.3 主要結(jié)構(gòu)性能

設(shè)備由主機(jī)架、底盤(pán)、連桿裝置、插銷(xiāo)裝置、轉(zhuǎn)臂裝置、上承板、上、中、下熱板、模具、下承板、柱塞油缸、蒸汽管路、水冷管路、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，見(jiàn)圖1。主機(jī)架固定在底盤(pán)上，柱塞油缸安裝在機(jī)架的下方與下承板連接，下承板、中熱板通過(guò)導(dǎo)向塊可在機(jī)架上的導(dǎo)軌滑動(dòng)。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，柱塞上升頂起下承板、下熱板、中熱板、模具、輸送帶向上運(yùn)動(dòng)至上承板時(shí)，對(duì)輸送帶加壓。上、中、下熱板通入飽和蒸汽加熱輸送帶。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制，將輸送帶人工裝入硫化模具后，系統(tǒng)可自動(dòng)完成合模、連桿轉(zhuǎn)臂、柱銷(xiāo)伸縮、自動(dòng)補(bǔ)壓及設(shè)備自檢等一系列工作來(lái)完成輸送帶接頭的硫化工作。系統(tǒng)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，在觸摸屏上可適時(shí)顯示硫化溫度、硫化壓力、硫化時(shí)間及生產(chǎn)工藝及管理參數(shù)，并可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行工藝參數(shù)修改。

圖1 設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)及照片F(xiàn)ig.1 Overall structure and photos of equipment

1.3.1 主機(jī)架

主機(jī)架由4件框板經(jīng)螺桿、螺母、上承板及導(dǎo)軌組成，見(jiàn)圖2，4件框板通過(guò)螺桿、螺母、上承板及柱塞油缸連接成穩(wěn)固的裝配體。框板內(nèi)框的上、下面在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮上承板、上熱板的重量及油缸預(yù)雖壓時(shí)對(duì)框板造成的變形，即上面有補(bǔ)償斜度。框板的在C型開(kāi)口處加工2個(gè)直徑160mm的孔用于連板裝置和插銷(xiāo)裝置的安裝。主機(jī)上安裝有導(dǎo)軌主要用于熱板上下移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向。

圖2 主機(jī)架：說(shuō)明主機(jī)架的結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明4件框板經(jīng)螺桿、上承板及導(dǎo)軌組成Fig.2 Main frame：the structural diagram of the main frame，which shows that the four frame plates are composed of screws，upper bearing plates and guide rails

1.3.2 連板裝置

連板裝置由連板、銅套、銷(xiāo)軸、墊片等組成，見(jiàn)圖3。連板上端通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在主機(jī)框板上，通過(guò)油缸的伸縮可使連板以銷(xiāo)軸為中心可轉(zhuǎn)動(dòng)，完成連板的開(kāi)合動(dòng)作。連板下端通過(guò)插銷(xiāo)裝置可與主機(jī)架C口下端連接，連接后主機(jī)由C型結(jié)構(gòu)變化為框式結(jié)構(gòu)。

圖3 連板裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of connecting plate device

1.3.3 插銷(xiāo)裝置

插銷(xiāo)裝置由氣缸、氣缸支座、銷(xiāo)軸等組成，見(jiàn)圖4。氣缸座安裝在連板上，并隨連板轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)連板轉(zhuǎn)至主機(jī)C口位置時(shí)，氣缸動(dòng)作將銷(xiāo)軸插入主機(jī)的套中，見(jiàn)圖5。套的內(nèi)孔為兩個(gè)相貫的圓柱孔，一個(gè)圓孔內(nèi)徑大于插銷(xiāo)裝置的銷(xiāo)軸外徑5mm，在未加載合模力時(shí)與銷(xiāo)軸同軸，銷(xiāo)軸插入套時(shí)不與套接觸，可用較小的力將銷(xiāo)軸插入套中。另一圓內(nèi)孔直徑與銷(xiāo)軸外徑相同，且與第一個(gè)孔在高度方向向上偏移5mm，當(dāng)加載合模力時(shí)，機(jī)架彈性變型后使孔與銷(xiāo)軸接觸，使連板受拉而形成受力較好的框架式結(jié)構(gòu)，同時(shí)也增大了銷(xiāo)軸與套的接觸面積，避免銷(xiāo)軸壓潰。

圖4 插銷(xiāo)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of latch device

圖5 套的結(jié)構(gòu)及說(shuō)明孔在向上偏移5mmFig.5 Structure and description of sleeve hole offset 5mm upward

1.3.4 轉(zhuǎn)臂裝置

轉(zhuǎn)臂裝置由轉(zhuǎn)臂油缸、連接座、連接板等組成。當(dāng)輸送帶裝入或取出時(shí)，轉(zhuǎn)臂油缸收回，轉(zhuǎn)臂向上轉(zhuǎn)，機(jī)架為C形結(jié)構(gòu)，方便輸送帶裝、取。當(dāng)進(jìn)行加壓硫化時(shí)，轉(zhuǎn)臂油缸伸長(zhǎng)，轉(zhuǎn)臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)插銷(xiāo)裝置的銷(xiāo)軸使連板與主機(jī)連接，形成主機(jī)框式結(jié)構(gòu)。

1.3.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)

由可編程控制器、觸摸屏、光電開(kāi)關(guān)、壓力變送器、熱電偶、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)及施耐得低壓電器元件等組成。人機(jī)界面可存儲(chǔ)生產(chǎn)工藝，觸摸屏上可設(shè)定工藝參數(shù)。控制系統(tǒng)設(shè)定手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。自動(dòng)控制模式可自動(dòng)完成連板閉合－插銷(xiāo)插入－油缸加壓－合模硫化－硫化計(jì)時(shí)－油壓卸壓－硫化脫模－插銷(xiāo)退出－連板打開(kāi)－硫化完成報(bào)警等一系列工藝動(dòng)作。

2 安全性設(shè)計(jì)

在設(shè)備研制中有兩個(gè)影響設(shè)備安全的要點(diǎn)，一是當(dāng)合模力加載時(shí)，插銷(xiāo)裝置的銷(xiāo)軸應(yīng)插入套中，使連板將主機(jī)的C形咢口連接，否則主機(jī)將發(fā)生塑性變形，設(shè)備失效；二是插銷(xiāo)插入套中，并上移5mm直至銷(xiāo)軸與套接觸的過(guò)程中，主機(jī)架應(yīng)在彈性變形范圍內(nèi)。

2.1 PLC程序保護(hù)措施

為了保證設(shè)備在連板裝置和插銷(xiāo)裝置未投入工作時(shí)，柱塞油缸不工作，避免對(duì)設(shè)備造成損害。在控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其保護(hù)措施。如控制程序方框圖，見(jiàn)圖6，在輸送帶接頭裝入硫化機(jī)模具后，按起動(dòng)按鈕，程序自檢連板、插銷(xiāo)及柱塞油缸的位置。當(dāng)各位置準(zhǔn)確時(shí)，轉(zhuǎn)臂油缸伸長(zhǎng)，推動(dòng)連板向下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)連板轉(zhuǎn)動(dòng)到位并觸動(dòng)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)后，插銷(xiāo)氣缸伸出，插銷(xiāo)插入主機(jī)套中，插銷(xiāo)到位并觸動(dòng)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)后，按合模按鈕，柱塞缸的低壓泵起動(dòng)，柱塞升起，設(shè)備合模，當(dāng)油壓為1MPa時(shí)，起動(dòng)高壓泵加載相應(yīng)的合模力并開(kāi)始硫化計(jì)時(shí)。當(dāng)硫化完成后，油缸卸壓，柱塞下降到位且行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，方可退出銷(xiāo)軸。設(shè)備利用PLC程序控制以確保主機(jī)不發(fā)生塑性變形，保證設(shè)備的安全使用。

圖6 控制程序的工作流程及設(shè)計(jì)思路Fig.6 Workflow and design idea of control program

2.2 力學(xué)校驗(yàn)

設(shè)備中由于插銷(xiāo)裝置的柱銷(xiāo)插入主機(jī)的套時(shí)，柱銷(xiāo)與套在高度方向有5mm間隙。在加載合模力時(shí)，主機(jī)需變形5mm后，銷(xiāo)軸才能受力，約束主機(jī)C形鄂口的變形，所以在設(shè)計(jì)中必須保證主機(jī)架C形鄂口變形5mm后，在不加載合模力時(shí)主機(jī)可恢復(fù)，其變形為彈性變形。在設(shè)備的設(shè)計(jì)中應(yīng)用SolidWords Simulation軟件對(duì)主機(jī)架進(jìn)行力學(xué)校驗(yàn)。

2.2.1 主機(jī)架建模

為簡(jiǎn)化力學(xué)模型，在校核中不考慮溫度及主機(jī)架其它裝配體重量對(duì)主機(jī)架的影響，將機(jī)架中的4件厚度為40mm的框板簡(jiǎn)化為厚度為160mm的1件框板進(jìn)行計(jì)算。由材料力學(xué)可知，框板的轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大，框板C型口外側(cè)撓度最大。為確定主機(jī)架C形鄂口變形5mm時(shí)，主機(jī)架是否發(fā)生塑性形，先預(yù)設(shè)合模力使C形鄂口變形5mm，再根據(jù)預(yù)設(shè)合模力對(duì)框板的轉(zhuǎn)角處應(yīng)力進(jìn)行校核。

2.2.2 主機(jī)材料模型

主機(jī)架采用Q235B材料，在應(yīng)用材料中選定普通鋼板。彈性模量E=2.1E+11Pa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85kg/cm3；屈服強(qiáng)度σs=2.2E+8Pa。

2.2.3 建立約束與載荷

主機(jī)與底盤(pán)焊接，并用地腳螺栓固定，所以將主機(jī)底面視為約束，合模力加載于主機(jī)內(nèi)框上部。

2.2.4 校核

通過(guò)SolidWords Simulation軟件運(yùn)算可知，見(jiàn)圖7。當(dāng)加載合模力150000N時(shí)，主機(jī)鄂口的最大位移量5.04mm，主機(jī)架最大應(yīng)力8.95E+07Pa，小于屈服強(qiáng)度σs=2.2E+08Pa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，既設(shè)備主機(jī)不發(fā)生塑性變形，安全可靠。

圖7 計(jì)算的材料及力學(xué)模型、計(jì)算后的位移和應(yīng)力結(jié)果圖Fig.7 Calculated material and mechanical model，displacement and stress results after calculation

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，環(huán)形輸送帶接頭機(jī)的研制采用了較新穎的設(shè)計(jì)思路，將設(shè)備在不同的工況下，采用不同的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)，通過(guò)連板裝置、插銷(xiāo)裝置等結(jié)構(gòu)，將主機(jī)的框式結(jié)構(gòu)與C形鄂式結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，降低了制造成本，增強(qiáng)了操作的方便；通過(guò)PLC控制程序的設(shè)計(jì)，確保設(shè)備的安全性。