一種新型滑動(dòng)螺旋升降式自鎖緊定尺機(jī)的應(yīng)用

楊平 李永峰 楊佃平

摘 要：為了提高后整理區(qū)域的收集效率，實(shí)現(xiàn)在定尺材中的通尺材自動(dòng)分離，研發(fā)出了一款操作維護(hù)方便的“滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)”。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)螺旋;螺旋自鎖;定尺機(jī)

1、新型棒線滑動(dòng)螺旋升降式自鎖緊定尺機(jī)的應(yīng)用背景

萊鋼棒材廠小型車間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹脂錨桿鋼筋為主要產(chǎn)品的棒材生產(chǎn)線，由于上游坯料的離散誤差，經(jīng)冷剪剪切后的成品定尺材中往往會(huì)摻雜著部分通尺，要依靠人工來挑揀通尺并包裝物流，造成人力資源的浪費(fèi)和現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患。由于軋線定尺率為98%左右，生產(chǎn)過程中難免產(chǎn)生2%左右的通尺軋廢，且通尺材的噸鋼價(jià)格將比定尺材低300元左右，按車間年產(chǎn)30萬噸計(jì)算將產(chǎn)生0.6萬噸左右的通尺軋廢，這些廢品低價(jià)出售，且需要專業(yè)人員在線人工挑揀，對(duì)車間產(chǎn)生極大的人力物力資源的浪費(fèi)。

為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，車間根據(jù)滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高、軸向載荷大及具備自鎖緊功能的特點(diǎn)，研發(fā)出了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便的“滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)”。

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

滑動(dòng)螺旋自鎖緊定尺機(jī)采用2.1KW電機(jī)做動(dòng)力源，由i=48.57減速機(jī)拖動(dòng)滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)螺桿旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動(dòng)進(jìn)給工作臺(tái)做往復(fù)軸向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng);定尺擋板安裝在進(jìn)給工作臺(tái)上，由氣缸帶動(dòng)來配合剪切機(jī)的定尺剪切動(dòng)作。

進(jìn)給工作臺(tái)采用了滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力源的徑向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)進(jìn)給工作臺(tái)的軸向位移，以調(diào)換不同規(guī)格的擋板定尺。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且噪音小、旋合精度高、傳動(dòng)比大，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周螺母只前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程，因此電機(jī)采用較小的功率扭矩，便可以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到很大的軸向推力，特別是當(dāng)螺旋副設(shè)計(jì)的螺旋線螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的“自鎖緊”，尤其適用于定尺機(jī)這種既要求機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位，又承受大軸向水平?jīng)_擊載荷的工況。

考慮滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)的效率，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，在螺旋副牙型設(shè)計(jì)上我們采用了30度牙型角的梯形螺紋。這種螺紋可承受雙軸向載荷，牙底強(qiáng)度高，螺紋對(duì)中型好，不易晃動(dòng)，磨損后間隙可以得到適當(dāng)補(bǔ)償，特別是其牙型設(shè)計(jì)基本已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的機(jī)械加工工藝性能，容易保證螺旋副的加工制造精度。

4、滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇及校核

4.1最大沖擊載荷計(jì)算

車間加工最大品種的鋼材為Φ22左旋錨桿鋼，冷床倍尺45m，下卸鋼一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸鋼輸送輥道所輸送的鋼材最大質(zhì)量為：3.14×（11×10-3）2×45×7.8×103×24=3200Kg。

下卸鋼輸送輥道輥身直徑Φ250，所配B型皮帶輪節(jié)圓直徑Φ210，輥道電機(jī)轉(zhuǎn)速550rpm，電機(jī)所配皮帶輪節(jié)圓直徑Φ126，輥道機(jī)構(gòu)傳動(dòng)速比為210÷126=1.66，輥道轉(zhuǎn)速為550÷1.66=330rpm，因此下卸鋼輥道輥身線速度（即倍尺材在輸送輥道中線速度）為3.14×330×250÷（60×1000）=4.3m/s

定尺機(jī)在工作狀態(tài)下，活動(dòng)擋板在重力的作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，質(zhì)量為3200Kg的鋼材以4.3m/s的初速度撞擊輸送輥道上的活動(dòng)擋板，配合冷剪進(jìn)行定尺剪切。撞擊作用的時(shí)間很短，鋼材在0.01秒時(shí)間內(nèi)速度由4.3m/s降為0，由動(dòng)量定理可知，作用在定尺機(jī)上的沖擊載荷為

4.2螺桿的抗壓穩(wěn)定性校核

長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿在承受大軸向力時(shí)容易失穩(wěn)，應(yīng)根據(jù)材料力學(xué)的穩(wěn)定性公式校核，

（Fc 為螺桿的臨界載荷，F(xiàn)為作用于螺桿上的軸向載荷，經(jīng)動(dòng)量定理計(jì)算，此處最大軸向載荷為1376000N，[S] 為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)）。

傳動(dòng)絲杠采用滑動(dòng)軸承兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)查得受壓螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)為μ=0.5 ，螺桿危險(xiǎn)斷面慣性半徑為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?mm，

受壓螺桿的計(jì)算長(zhǎng)度取進(jìn)給工作臺(tái)螺母處于最短極限定尺位置時(shí)螺母寬度中心線到螺桿最大行程位置的距離? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?由以上參數(shù)可知受壓螺桿的柔度為

對(duì)淬火鋼，λ<85 時(shí)螺桿的臨界載荷為：

實(shí)際螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，符合螺

桿穩(wěn)定性要求，該螺旋機(jī)構(gòu)具備可靠的抗壓穩(wěn)定性能。

4.3螺旋副自鎖能力校核

滑動(dòng)螺旋定尺機(jī)在工作狀態(tài)下要承受1376KN的軸向沖擊載荷，防止活動(dòng)擋板在沖擊載荷作用下滑移而影響定尺精度，要對(duì)螺旋副的自鎖性進(jìn)行校核。有自鎖能力要求的滑動(dòng)螺旋副必須滿足螺旋線螺紋升角小于等于當(dāng)量摩擦角，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為確保螺旋自鎖的可靠性，取Ψ≤ρ-1° 。

定尺機(jī)螺旋副設(shè)計(jì)使用的是梯形螺紋，Tr160x16，外螺紋大徑d=160mm，中徑d2=152mm，小徑d1=142mm，螺距p=16mm，導(dǎo)程s=pn=16x1=16mm（采用單頭螺旋線設(shè)計(jì)），牙型角α=30°，淬火鋼螺桿與青銅螺母配合的摩擦系數(shù)取f=0.08。由以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知：

螺旋線的螺紋升角為

螺旋線的當(dāng)量摩擦角為

因?yàn)?.92°≤4.73°-1°=3.73° ，螺旋線的螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角，所以該螺旋機(jī)構(gòu)具備可靠的自鎖性能。

5、零件設(shè)計(jì)及制造

5.1主傳動(dòng)絲杠

進(jìn)給工作臺(tái)的主傳動(dòng)絲杠做為傳力螺桿，是一種細(xì)長(zhǎng)的桿狀零件，其長(zhǎng)徑比較大，承受大沖擊載荷，極易出現(xiàn)受壓失穩(wěn)、撓曲變形的問題?？紤]到螺桿的抗壓失穩(wěn)性，螺桿的總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為不超過螺紋副公稱直徑的20-50倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需調(diào)整定尺長(zhǎng)度，主傳動(dòng)絲杠Tr160的螺紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5390mm，5390/160=33.6<50，符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求GB5796.3-86。材質(zhì)選用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi并采用滲碳淬火處理的熱處理工藝，（硬度值HRC45-50）。

5.2 滑動(dòng)螺旋螺母

由于滑動(dòng)螺旋副存在較大的摩擦轉(zhuǎn)矩，螺紋副易出現(xiàn)過快磨損，因此對(duì)螺母材質(zhì)的力學(xué)性能及機(jī)加工工藝性能有一定的要求。為了抗膠合磨損，螺母不能與傳動(dòng)絲杠選用相同的材質(zhì)（傳動(dòng)絲杠選用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi）螺母材質(zhì)必須摩擦系數(shù)低，減磨性和耐磨性好，同時(shí)具備一定的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。此定尺機(jī)的螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3材質(zhì)。這種材質(zhì)摩擦系數(shù)低、減磨性好、耐磨性高而且具有足夠的抗壓疲勞強(qiáng)度。由于其具備低硬度、小彈性模量的特點(diǎn)。因此其磨合性、順應(yīng)性較好，對(duì)零配件的安裝同軸度誤差及加工幾何形狀誤差不太敏感，尤其適宜于低速重載及偏載的使用工況。但在承受重沖擊變載荷時(shí)存在黏著傾向，因此對(duì)其配合的軸頸表面硬度、光潔度、機(jī)械加工精度要求較高，傳動(dòng)絲杠（20CrMnTi）必須進(jìn)行滲碳淬火處理（HRC45-50），螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3。

6、結(jié)論語

冷床后部整理區(qū)域通過上述定尺機(jī)的研發(fā)，已投入上線使用半年左右，極大的改善了現(xiàn)場(chǎng)收集工作效率及產(chǎn)品質(zhì)量，原后整理平臺(tái)區(qū)域需要3人同時(shí)作業(yè)，1人點(diǎn)數(shù)，2人挑揀通尺材，通過上述方案的實(shí)施可將降低人員的勞動(dòng)量，提高工作效率，將挑揀短尺的人員壓減為1人，同時(shí)改善了成品材的打捆包裝質(zhì)量，減少質(zhì)量異議的發(fā)生。由于通尺材可通過該定尺機(jī)直接輸入到通定尺分離平臺(tái)，省去了中間人為的手工挑揀環(huán)節(jié)，加快了后整理區(qū)域的收集節(jié)奏，收集效率比原來提高20%左右。