纖維包自動(dòng)除帶及拆袋機(jī)剪帶裝置設(shè)計(jì)

劉 琰 陳俊鵬 裴澤光

（東華大學(xué)，上海，201620）

直行往復(fù)式自動(dòng)抓棉機(jī)通常是棉紡生產(chǎn)流程中的第一臺(tái)設(shè)備，其主要功能是從排放在其兩側(cè)、呈直線排列的各個(gè)纖維包中抓取纖維，并將抓取的纖維塊送往前紡的設(shè)備進(jìn)行加工［1］。目前，纖維包排放過(guò)程中纖維包外部的打包帶和包裝袋的去除過(guò)程均由人工手動(dòng)進(jìn)行操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，在當(dāng)前勞動(dòng)力成本上升、紡織廠用工短缺的背景下，亟需采用自動(dòng)化的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)纖維包的排放工作［2］。目前，針對(duì)其他領(lǐng)域的自動(dòng)化剪帶與割袋裝置已有一些報(bào)道［3-7］，但對(duì)于棉紡工序中纖維包自動(dòng)化剪帶與割袋裝置的報(bào)道還不多見。在我們的前期研究中，提出了一種面向直行往復(fù)式抓棉機(jī)的纖維包除帶及拆袋機(jī)設(shè)計(jì)［8-9］，下面對(duì)其中核心的鉤帶裝置和剪帶裝置的設(shè)計(jì)作以介紹。

1 鉤帶裝置與剪帶裝置的結(jié)構(gòu)

為將纖維包外部的包裝袋去除，必須先將捆扎在纖維包外部的打包帶去除和收集，其主要由纖維包輸送機(jī)、鉤帶裝置、剪帶裝置和廢帶收集裝置配合完成，見圖1。

圖1 打包帶去除和收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 示出了鉤帶裝置的結(jié)構(gòu)，包括鉤帶頭、鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)、箱體和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)等。其中，鉤帶頭用于對(duì)打包帶進(jìn)行鉤取，由鉤帶壓板、滑臺(tái)氣缸、撥叉、卷簧、勾玉狀扳機(jī)開關(guān)及其連接件等構(gòu)成。滑臺(tái)氣缸安裝在鉤帶壓板上頂面上，撥叉安裝在鉤帶壓板內(nèi)側(cè)面，勾玉狀扳機(jī)開關(guān)連接件安裝在滑臺(tái)氣缸的滑動(dòng)體上，以實(shí)現(xiàn)自身的橫向移動(dòng)。勾玉狀扳機(jī)開關(guān)安裝在勾玉狀扳機(jī)開關(guān)連接件上，同時(shí)，開關(guān)閘位于撥叉中間位置，卷簧安裝在勾玉狀扳機(jī)開關(guān)上，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動(dòng)復(fù)位。至此，滑臺(tái)氣缸能夠通過(guò)勾玉狀扳機(jī)開關(guān)連接件帶動(dòng)勾玉狀扳機(jī)開關(guān)以及卷簧橫向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)撥叉對(duì)勾玉狀扳機(jī)開關(guān)閘上打包帶的撥落。

圖2 鉤帶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)包括底板、鉤帶頭連接件、滑軌、滑塊、齒條、齒輪、電機(jī)底座以及電機(jī)（含減速器，下同）。鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)鉤帶頭上下移動(dòng)，其中，滑軌和齒條安裝在底板上，電機(jī)底座通過(guò)滑塊安裝在滑軌上，以輔助其上下移動(dòng)，電機(jī)安裝在電機(jī)底座上，齒輪安裝在電機(jī)的輸出軸上，并與齒條相嚙合。至此，電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，繼而沿齒條上下移動(dòng)，即帶動(dòng)電機(jī)底座、鉤帶頭連接件及鉤帶頭等上下移動(dòng)。箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)箱體橫向移動(dòng)，完成鉤帶裝置靠近、遠(yuǎn)離纖維包的功能。箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)包括底板、滑軌、滑塊、齒條、齒輪、電機(jī)底座及電機(jī)。其中，滑軌和齒條安裝在底板上，鉤帶裝置箱體通過(guò)滑塊安裝在滑軌上，以輔助其橫向移動(dòng)，電機(jī)底座安裝在箱體內(nèi)部，電機(jī)安裝在電機(jī)底座上，齒輪安裝在電機(jī)輸出軸上并與齒條相嚙合。至此，電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，繼而沿齒條橫向移動(dòng)，即帶動(dòng)電機(jī)底座、箱體等橫向移動(dòng)。鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)通過(guò)底板安裝在箱體上，因此也實(shí)現(xiàn)了橫向移動(dòng)功能。

圖3 鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)

圖4 示出了剪帶裝置的結(jié)構(gòu)，包括剪帶頭、剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)、箱體和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)等。其中，剪帶頭用于剪斷打包帶，其由固定刀具、旋轉(zhuǎn)刀具、剪帶頭罩體、旋轉(zhuǎn)氣缸及其連接件等構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在剪帶頭罩體上，氣缸連接件一端連接旋轉(zhuǎn)氣缸的輸出軸，另一端與旋轉(zhuǎn)刀具連接，旋轉(zhuǎn)刀具與固定刀具的表面貼合。至此，旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)氣缸連接件帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀具旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)刀具與固定刀具相配合完成剪切功能。剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的組成與鉤帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的組成一致，剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剪帶頭上下移動(dòng)，箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)帶動(dòng)箱體橫向移動(dòng)，完成剪帶裝置靠近、遠(yuǎn)離纖維包的功能。

圖4 剪帶裝置示意圖

2 剪帶頭旋轉(zhuǎn)氣缸選型

由于絕大多數(shù)材料的抗剪強(qiáng)度均小于抗壓強(qiáng)度，因此本設(shè)計(jì)中采用剪切而非壓潰的方式實(shí)現(xiàn)打包帶的剪斷，選取旋轉(zhuǎn)刀具與固定刀具配合、旋轉(zhuǎn)刀具繞刀柄上一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)完成剪切的方案。剪應(yīng)力計(jì)算見式（1）。

式中：τ為剪應(yīng)力，F(xiàn)S為作用在剪切面上的外力，A為剪切面面積。

設(shè)打包帶寬度為19 mm，厚度為1.4 mm，出于計(jì)算簡(jiǎn)便與安全性考慮，在計(jì)算剪帶動(dòng)作所需的輸出力時(shí)，剪切面面積按照A=19 mm×1.4 mm=26.6 mm2計(jì)算。設(shè)打包帶為聚酯材料（參照GH/T 1068—2010《棉花包裝用聚酯捆扎帶》），其極限剪切強(qiáng)度［τ］=5 MPa，則所需輸出力FS≥[τ]·A=133 N。本研究采用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)剪帶頭旋轉(zhuǎn)刀具的旋轉(zhuǎn)剪切動(dòng)作，設(shè)旋轉(zhuǎn)刀具的有效工作長(zhǎng)度為60 mm，則旋轉(zhuǎn)氣缸輸出轉(zhuǎn)矩M應(yīng)滿足M≥FS×0.06=7.98 (N·m)。為此，選用CHELIC RTB100 型旋轉(zhuǎn)氣缸，其主要參數(shù)：扭 矩9.8 N·m，轉(zhuǎn) 動(dòng) 角 度0°～180°，氣 缸 缸 徑32 mm，工作壓力0.15 MPa～0.70 MPa。

3 剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)選型

剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)的任務(wù)為承載剪帶頭完成上下移動(dòng)。上移過(guò)程的工作負(fù)載主要為剪帶頭及附屬部件的重力，下移過(guò)程的工作負(fù)載主要為剪帶頭與纖維包之間的摩擦力與剪帶頭重力的差值。剪帶頭及附屬部件的質(zhì)量約為3 kg，一般電機(jī)的質(zhì)量為25 kg，則上移過(guò)程的工作負(fù)載F1=(3+25)×9.8=274.4 (N)，剪帶頭實(shí)現(xiàn)剪帶工作的前提是使剪帶頭的固定刀具進(jìn)入捆扎在纖維包外的打包帶與纖維包之間，這要求剪帶頭壓入纖維包一定深度。參照GB 6975—2013《棉花包裝》，塑料包裝袋的拉伸強(qiáng)度在25 MPa 左右，取纖維包被塑料包裝袋包裹而產(chǎn)生的內(nèi)部壓強(qiáng)為塑料包裝袋拉伸強(qiáng)度的10%，即2.5 MPa，則剪帶頭壓入棉包一定深度所需要的正壓力FN約為21 250 N。設(shè)塑料包裝袋為聚乙烯材料，其與鋼材間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1，計(jì)算得到剪帶頭與棉包間的滑動(dòng)摩擦力Ff=FN·μ=2 125(N)。因此，下移過(guò)程中剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載F2=Ff-F1=1 850.6(N)。

剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)采用電機(jī)配合齒輪齒條作為驅(qū)動(dòng)，因此，電機(jī)的最大工作負(fù)載即為F2。根據(jù)電機(jī)最大工作負(fù)載計(jì)算電機(jī)輸出功率，見公式（2）。

式中：Pd為電機(jī)所需的輸出功率（kW），Pw為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的工作功率（kW），η為電機(jī)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間傳動(dòng)裝置的總效率，F(xiàn)為最大工作負(fù)載（N），v為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度（m/s）。

查詢相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，選取傳動(dòng)裝置的總效率為η=0.95，剪帶頭移動(dòng)速度為0.3 m/s，最大工作負(fù)載為F2，代入式（2）則電機(jī)工作的輸出功率Pd=0.584 4(kW)。為此，選取型號(hào)為Y80M2-2的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，其主要參數(shù)：額定功率1.1 kW，轉(zhuǎn)速2 830 r/min，效率0.77，質(zhì)量18 kg。

3.2 齒輪齒條設(shè)計(jì)

根據(jù)齒輪齒條的工作環(huán)境和要求，選擇齒輪齒條的精度等級(jí)為8 級(jí)精度，齒輪的材料為40Gr，硬度250HBS；齒條材料為45 鋼，硬度220HBS。初定齒輪齒數(shù)Z=30，按照接觸強(qiáng)度計(jì)算齒輪的公稱直徑，見式（3）～式（5）。按照彎曲強(qiáng)度校核齒輪強(qiáng)度，見式（6）和式（7）。

式中：d1為齒輪公稱直徑（mm），K為載荷系數(shù)，T1為齒輪傳遞的扭矩（N·mm），φd為齒寬系數(shù)，u為齒數(shù)比，zH為區(qū)域系數(shù)，zE為齒輪材料的彈性系數(shù)，［σH］為齒輪材料的許用接觸應(yīng)力（MPa）；其中，kHN1為齒輪材料的接觸疲勞壽命系數(shù)，σHlim1為齒輪材料的接觸疲勞強(qiáng)度，sH為安全系數(shù)。式（3）～式（5）中相關(guān)參數(shù)查詢機(jī)械手冊(cè)如下：K=1.2，φd=0.5，u=∞，zH=2.5，zE=189.8，kHN1=1.2，σHlim1=550，sH=1。代入?yún)?shù)求得齒輪的公稱直徑為d1≥47.9 mm，再根據(jù)齒數(shù)計(jì)算得齒輪模數(shù)m≥1.6，因此取齒輪模數(shù)m=2，則齒輪公稱直徑d1=60 mm。

式中：σF為彎曲應(yīng)力（MPa），b為齒寬（mm），YFa為齒形系數(shù)，YSa為應(yīng)力修正系數(shù)，［σF］為齒輪的許用彎曲應(yīng)力（MPa）；其中，kFN1為齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)，σFlim1為齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，sF為安全系數(shù)。式（6）、式（7）中相關(guān)參數(shù)查詢機(jī)械手冊(cè) 為：K=1.2，b=30，m=2，d=60，YFa=2.52，YSa=1.625，kFN1=1，σFlim1=580，sF=1.4。代入?yún)?shù)得σF=151.5 MPa ≤[σF]。因此，齒輪的彎曲應(yīng)力小于其彎曲應(yīng)力極限，齒輪齒根彎曲強(qiáng)度滿足要求。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)為：齒數(shù)30，模數(shù)2，直徑60 mm，齒寬30 mm，精度等級(jí)8，材料40Gr。齒條參數(shù)為：長(zhǎng)度1 500 mm，模數(shù)2，齒寬30 mm，精度等級(jí)8，材料45 鋼。

4 箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的任務(wù)為承載整個(gè)剪帶裝置完成橫向水平移動(dòng)，并使剪帶頭壓入纖維包一定深度。因此，箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載為剪帶裝置移動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦力和使剪帶頭壓入纖維包一定深度所受到的正壓力。

箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)所承載的總質(zhì)量約為110 kg，底部滑塊與滑軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù)理論值在0.01～0.02，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于安裝平行度、為消除間隙采取的預(yù)緊等因素，其值會(huì)比理論值大很多，因此，通常按照0.15 進(jìn)行核算。則剪帶裝置移動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦力Ff=110×9.8×0.15=161.7 N，則箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載F=Ff+FN=161.7+21 250=21 411.7(N)。

箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)同樣采用電機(jī)配合齒輪齒條作為驅(qū)動(dòng)，因此，電機(jī)與齒輪齒條的選型設(shè)計(jì)與剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)中電機(jī)與齒輪齒條的選型設(shè)計(jì)大體一致，計(jì)算過(guò)程在此不再贅述。最終選擇型號(hào)為Y132S2-2型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，電機(jī)參數(shù)：額定功率7.5 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，效率0.862，質(zhì)量72 kg。設(shè)計(jì)計(jì)算得到的齒輪參數(shù)為：齒數(shù)60，模數(shù)2.5，直徑150 mm，齒寬75 mm，精度等級(jí)8，材料40Gr。齒條參數(shù)為：長(zhǎng)度1 220 mm，模數(shù)2.5，齒寬75 mm，精度等級(jí)8，材料45 鋼。

5 結(jié)論

本研究介紹了一種面向直行往復(fù)式自動(dòng)抓棉機(jī)的纖維包拆袋機(jī)的鉤帶裝置和剪帶裝置的結(jié)構(gòu)，對(duì)剪帶裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)氣缸所需輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)其進(jìn)行了具體選型；通過(guò)剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載和工作速度作出了運(yùn)載機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型，根據(jù)工作要求分別設(shè)計(jì)了剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)和箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)的齒輪齒條參數(shù)。該裝置為有效替代傳統(tǒng)的人工除帶工作提供了解決方案，得到的結(jié)論如下。

（1）剪帶頭旋轉(zhuǎn)氣缸選用CHELIC RTB100型旋轉(zhuǎn)氣缸，其扭矩為9.8 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°～180°，氣缸缸徑為32 mm，工作壓力為0.15 MPa～0.70 MPa。

（2）剪帶頭運(yùn)載機(jī)構(gòu)電機(jī)選取Y80M2-2 型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)；齒輪齒數(shù)為30，齒條長(zhǎng)度為1 500 mm，兩者模數(shù)和齒寬分別為2 和30 mm。

（3）箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)電機(jī)選取Y132S2-2 型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)；齒輪齒數(shù)為60，齒條長(zhǎng)度為1 220 mm，兩者模數(shù)和齒寬分別為2.5 和75 mm。