鋼絲編織機杠桿式摩擦錠子的設(shè)計與分析

曹傳劍，曹愛霞，呂曉東，法元梅，宋 慧

（1.青島黃海學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266427；2.青島黃海學(xué)院 交通學(xué)院，山東 青島 266427；3.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著科技的發(fā)展，重型工程機械被廣泛應(yīng)用于礦山和建筑等行業(yè)。起重機和液壓支架等工程機械多采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，其顯著特點是載質(zhì)量大。鋼絲編織膠管作為液壓系統(tǒng)輸送液壓油的主要通道，被廣泛應(yīng)用于工程機械中。由于工程機械的應(yīng)用條件通常比較惡劣，對液壓系統(tǒng)的壓力要求較高，因此對鋼絲編織膠管的耐壓性能要求也很高[1]。鋼絲編織機錠子在鋼絲編織過程中的功能為調(diào)節(jié)張力和放線。鋼絲編織機錠子張力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性關(guān)系到鋼絲編織層的質(zhì)量。鋼絲編織機錠子的容量關(guān)系到鋼絲編織機連續(xù)作業(yè)時間的長短，進(jìn)而影響鋼絲編織膠管的產(chǎn)量。容量大且放線穩(wěn)定是鋼絲編織機錠子的發(fā)展趨勢。

本工作設(shè)計一種杠桿式摩擦錠子，并運用有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)制動方式不同，鋼絲編織機錠子主要分為棘爪式和摩擦式兩類。

棘爪式錠子的工作原理是棘輪與棘爪結(jié)合制動，線梭停止放線，拉動鋼絲，張力變大，提拉滑塊上升，滑塊壓縮滑塊桿上的彈簧以增加鋼絲的張力，當(dāng)滑塊上升到一定高度，鋼絲的張力達(dá)到所需的控制值時，滑塊便會觸碰該位置的拉桿，使其向上提拉棘爪，使棘輪與棘爪脫離開始放線，如此通過滑塊不斷升降實現(xiàn)鋼絲張力的控制。該結(jié)構(gòu)的缺點在于棘輪與棘爪的制動方式為硬性制動，放線方式為間歇式放線，容易斷線，張力調(diào)節(jié)不夠穩(wěn)定，并且錠子所承受的沖擊載荷比較大，導(dǎo)致錠子使用壽命較短[2-3]。傳統(tǒng)摩擦式錠子的提拉裝置與棘爪式錠子的原理相同，唯一不同的是制動裝置采用摩擦片[4]。相比棘輪與棘爪制動，摩擦片制動屬于柔性制動，而非完全制動，可以根據(jù)張力的大小調(diào)節(jié)放線的速度，放線連續(xù)，穩(wěn)定性好。此外，摩擦錠子與棘爪錠子底座的肋板由于長期與鋼絲編織機軌道盤進(jìn)行滑動摩擦，磨損非常嚴(yán)重。

綜合兩種錠子的優(yōu)缺點，在保留摩擦錠子優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對鋼絲編織機錠子的提拉機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，精簡該裝置，使其占用空間更小，擴大錠子線梭的空間，進(jìn)而達(dá)到提高錠子容量的目的。將底座肋板的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，降低其磨損程度[5]。

1.2 工作原理

為了增大錠子的容量，將提拉裝置改為杠桿裝置，如圖1所示。

圖1 錠子結(jié)構(gòu)示意

由杠桿裝置替代拉桿控制摩擦離合器。通過調(diào)節(jié)滑塊桿上彈簧壓片10的位置來壓縮彈簧，達(dá)到設(shè)定初始調(diào)節(jié)張力的目的。線梭2上的鋼絲先繞過彈簧壓片10上的小車9，再向下繞過滑塊7上的小車8，然后向上分別穿過彈簧壓片10和頂端固定板1中間的線咀，最終出線。經(jīng)過兩級繞線和兩級線咀，出線更加穩(wěn)定。頂端固定板1使錠子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。當(dāng)鋼絲線的張力大于初始彈簧壓力時，滑塊7上提，杠桿5右端失去壓力，在彈簧4的作用下杠桿5右端上移，左端下移并與小型滑塊相連，摩擦離合器3的下摩擦片安裝板上設(shè)有小型滑塊跑道。杠桿5左端下移帶動下摩擦片下移，與上摩擦片脫離，線梭加快放線，從而導(dǎo)致鋼絲張力減小。相反，當(dāng)鋼絲線的張力小于初始彈簧壓力時，滑塊7在彈簧的作用下下壓杠桿5右端，杠桿5左端抬起，上下摩擦片結(jié)合，完成制動，線梭減慢放線，鋼絲張力增大。為減小鋼絲編織機錠子與軌道盤間的摩擦和碰撞，在鋼絲編織機錠子底座的肋板上加設(shè)滾子6，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦。

2 有限元分析

鋼絲編織機錠子支架部分主要由3個細(xì)長的桿件組成，承擔(dān)了鋼絲傳動過來的大部分作用力，因此，對鋼絲編織機錠子支架進(jìn)行有限元分析，檢驗該設(shè)計是否滿足實際生產(chǎn)需要。

有限元模型的建立主要包括建立幾何模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束4個部分。

采用SolidWorks和ANSYS軟件建立幾何模型，可以實現(xiàn)無縫連接，保證模型的完整性和計算準(zhǔn)確。

在劃分網(wǎng)格之前需要制定分析對象的特征，設(shè)置單元類型、幾何參數(shù)、材料屬性和單元形成時所處的坐標(biāo)系系統(tǒng)[6]。鋼絲編織機錠子支架為鑄鋼材料，定義的材料屬性為：楊氏模量 180 GPa；泊松比 0.3；密度 7.85 Mg m-3。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定計算結(jié)果和計算時間，劃分過細(xì)會增加網(wǎng)格的數(shù)量，從而增加計算機運算量；網(wǎng)格太少會導(dǎo)致計算精度低。網(wǎng)格劃分的方法有自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分以及掃略生成體網(wǎng)格劃分3種方法。鋼絲編織機錠子支架結(jié)構(gòu)簡單，采用對單元形狀無限制、無特定規(guī)則的自由網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼絲編織機錠子支架網(wǎng)格模型

鋼絲編織機錠子的張力約為100 N，在完全制動的情況下鋼絲線將對線車施加100 N的力，為了保證生產(chǎn)的安全性，在施加載荷時按極限值進(jìn)行計算。因此，在線梭支柱上施加一個大小為100 N、沿X軸負(fù)方向的力。兩個拉桿上鋼絲線的放線方向發(fā)生變化，因此，施加一個沿著Z軸正方向的100 N的力。杠桿支架起控制張力的作用，其受力大小為張力調(diào)節(jié)的最大值100 N，方向沿著Y軸正方向。底座短軸受到的撥齒輪的作用力約為200 N，方向為X軸正向。鋼絲編織機錠子支架頂端靠連接板連接，相對運動較小，因此對頂端的3個圓柱底面施加固定約束。船型塊的上下面夾持著軌道盤，無法在Z軸方向上運動，因此對上下底面施加Z軸方向的約束。船型塊肋板被軌道盤夾持，只能在X和Z軸方向運動，因此對肋板側(cè)面施加Y軸方向的約束。

3 結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)力學(xué)結(jié)果分析

通過ANSYS分析得到鋼絲編織機錠子支架應(yīng)力與位移的分布，如圖3所示。通過圖3可以看出最大應(yīng)力為9.4 MPa，位于杠桿座的銷軸孔處，滑塊桿上的最大應(yīng)力為3.5 MPa。鋼絲編織機錠子支架采用鑄鋼制造，鑄鋼的許用應(yīng)力為360 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錠子支架所受應(yīng)力的最大值。最大位移為0.92 10-4mm，位于兩個滑塊桿的中間位置。而計算要求位移精度為0.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錠子支架上位移的最大值。通過對位移和應(yīng)力分析得知，鋼絲編織機錠子支架均能達(dá)到生產(chǎn)要求。

圖3 錠子支架應(yīng)力和位移分布

3.2 模態(tài)結(jié)果分析

由于鋼絲編織機工作時振動比較劇烈，因此需要對鋼絲編織機錠子進(jìn)行模態(tài)分析，防止共振現(xiàn)象產(chǎn)生。鋼絲編織機振動幅度大，頻率相對較低，正常運轉(zhuǎn)時的振動頻率為500 Hz，因此在進(jìn)行模態(tài)分析時取前4階模態(tài)進(jìn)行分析，固有頻率分別為846.55，846.85，847.08和847.39 Hz，分 析 結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，第1階模型變形最為明顯，但第1階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼絲編織機正常運轉(zhuǎn)時的振動頻率，因此不會發(fā)生共振。

圖4 前4階模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)鋼絲編織機錠子的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行研究，針對其在實際生產(chǎn)中存在的斷線、張力調(diào)節(jié)范圍小、不穩(wěn)定和錠子座磨損嚴(yán)重等缺餡，對鋼絲編織機錠子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到高效、高質(zhì)生產(chǎn)鋼絲編織膠管的目的。將有限元分析法運用到鋼絲編織機錠子結(jié)構(gòu)設(shè)計中，能有效檢測鋼絲編織機錠子的可靠性，節(jié)約設(shè)計成本。