吳明輝，都敏生，劉先進，劉念培

(1.蕪湖楚江合金銅材有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

大拉連退是現(xiàn)階段黃銅拉絲行業(yè)領域中運用較為廣泛的一種自動化設備，是目前企業(yè)中實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率的機械設備，該設備相比于以往設備，不僅提高了產(chǎn)品的工藝參數(shù)指標，還在獲得高產(chǎn)量的同時，降低了工人的勞動強度，為企業(yè)帶來更多利潤。

在我國銅絲材行業(yè)領域中，隨著客戶對產(chǎn)品質量的要求越來越高，相應的促使絲材生產(chǎn)企業(yè)不斷尋求具有更高技術水平的拉絲設備以生產(chǎn)出高精度、高性能的絲材產(chǎn)品。本文根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗對本公司用于生產(chǎn)切割線的大拉連退設備進行技術改造，研發(fā)設計了一種新的定速輪軸結構，以解決銅絲表面出現(xiàn)的花紋、劃痕、掉銅粉的現(xiàn)象，產(chǎn)品的品質得到較大提升，同時設備的運行也更加平穩(wěn)。

1 原軸結構的分析

1.1 大拉連退簡介及定速輪作用

本機為SNH-9M-HT-15粗線伸線機，動力部分使用西門子變頻器張力穩(wěn)定試控制，可在0～550MPM內(nèi)進行調(diào)節(jié)，通過測速電機反饋信息調(diào)節(jié)，使退火電壓與拉絲線速度保持同步，保證退火質量。本機主要作用是將本公司生產(chǎn)用于制造切割線的Φ8.0mm的銅線材拉至Φ3.0mm，并在拉伸之后接退火，對銅線進行軟化處理，本設備性能相對可靠，運行比較平穩(wěn)，對工人而言操作起來方便，利于生產(chǎn)。其中，設備中的定速輪主要用于確定拉絲的最高線速，將拉伸后的銅絲傳到退火區(qū)進行退火，期間要保證銅絲緊貼于輪體，防止銅絲松動出現(xiàn)滑差現(xiàn)象，以及銅絲在輪體上易位產(chǎn)生夾絲，損壞銅絲表面。所以，定速輪能否穩(wěn)定運行直接決定著產(chǎn)品質量的高低。

1.2 原軸結構的缺陷

通過多次現(xiàn)場實際勘察，發(fā)現(xiàn)設備在運行過程中，定速輪軸部件極易出現(xiàn)損壞，使定速輪在運行過程中，輪體本身產(chǎn)生晃動，無法穩(wěn)定運行，導致銅絲受力不均，忽松忽緊，不能緊貼輪體，使產(chǎn)品表面出現(xiàn)嚴重的滑差。將定速輪拆開后，發(fā)現(xiàn)軸上安裝軸承的位置(圖1中標注100處位置)，出現(xiàn)清晰的壓痕，使其直徑略有縮小，使之與軸承的尺寸無法吻合，導致輪體不再是圍繞中心點轉動，并且由于定速輪是采用半浸泡式，水對輪體的腐蝕加快了輪體損壞的程度，使產(chǎn)品的質量受到了很大影響。

1.3 原軸的工作能力計算

對于出現(xiàn)的問題，經(jīng)過團隊的多次探討，決定從原軸的工作能力計算入手，驗證該結構設計是否合理，其結構如圖2所示。該軸使用的材料為鋼材(Q235)，結合圖1，對實心圓軸的扭轉強度進行驗證：

式中，τT為許用扭剪應力，MPa；P為軸傳遞的功率，kW；n為軸的轉速，r/min；d為軸的直徑，mm；接著檢驗該軸的直徑尺寸是否合理，對軸的基本直徑進行驗證：

式中，d為軸的直徑，mm；C為計算常數(shù)，取決于軸的材料和受載情況。將數(shù)值代入，經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)軸本身的強度符合標準，以及相應的扭轉剛度條件Φ≤[Φ]，彎曲剛度條件y≤[y]，θ≤[θ]。對此，從實際應用方面再進行探究，發(fā)現(xiàn)軸上軸承安裝的位置(軸頸)，相離過近，兩個軸承，圖1中標注100處滾動軸承(自定位)和101處圓柱滾動軸承，軸頸之間相距140mm以內(nèi)，而101處軸頸與定速輪之間的最遠距離約為220mm。在短期的運轉中，101軸頸處受到的壓力過大，軸承與軸之間產(chǎn)生極大的磨損，使定速輪不能穩(wěn)定運行，如何調(diào)整軸頸的位置以及軸身的尺寸，使軸的受力合理，是解決該問題的關鍵所在。

2 軸結構改造方案

為了使本公司的大拉連退設備運行更加穩(wěn)定，產(chǎn)品表面質量更加可靠，經(jīng)過科研團隊商議，決定對設備的定速輪軸結構重新設計，使軸上作用力的大小和分布情況更加合理，軸上零件的布置位置更加準確，讓定速輪運轉更加穩(wěn)定，使銅絲完美貼合輪體表面上，對銅絲質量不再產(chǎn)生影響。

通過對軸結構設計和工作能力計算兩方面認真分析，在軸結構重新設計的研發(fā)內(nèi)容上分為以下幾部分來探討：(1)原軸結構對產(chǎn)品產(chǎn)生的不良影響；(2)對原軸結構進行圖紙繪制并進行工作能力計算；(3)根據(jù)設備實際運行設計軸的新結構；(4)對新軸結構進行設計并進行測試；(5)對新軸結構進行微調(diào)并完善。

3 新軸結構的設計與測試

3.1 軸的結構設計

由于軸最終設計的目的是用于實際設備運行當中，所以軸的結構會受多方面因素的影響，且它的結構形式還要隨著具體情況的不同而產(chǎn)生相應的改變，所以軸沒有標準的結構形式。但是軸要滿足的要求還是大同小異，最重要的就是軸和軸上零件要有準確的工作位置；其次軸的受力要合理，以提高整體的強度和剛度，最后軸的形狀以及尺寸有利于減小應力集中。為了能盡快讓設備進入正常的生產(chǎn)運行，經(jīng)團隊商議決定，改變現(xiàn)階段軸身的尺寸，增加軸頸之間的距離，使軸頸處的負荷力減小，使兩處軸頸承受的載重力達到平衡，避免出現(xiàn)兩處軸頸一處受力過大、一處受力偏小的不合理現(xiàn)象。

根據(jù)設備本身的實際情況，決定將軸頸之間的距離增加到280mm，增大軸頸之間距離的同時，也直接加長了軸身的尺寸，使得101處軸頸作為一個支點位置，讓軸承承受的力度大大減小。軸承的最基本作用就是用于支撐軸進行旋轉運動或者靜止，這種改動就使軸承的載荷在標準范圍內(nèi)，保證其強度和剛度；減小現(xiàn)階段的摩擦力矩，使轉動比以往更加靈活，并且良好的支承精度，可以保證支承零件的回轉精度。

由于軸身及軸頸距的增大，使得原安裝方式(圖3)不再適用，100軸頸位置超出設備后箱體。為使定速輪保持原有位置，不破壞箱體內(nèi)部機械結構，保障設備正常運行，在后箱體設計及安裝一個全新的軸套，并固定在后箱體上，固定位置運用水平測量裝置定位，要保證軸在安裝后的絕對水平，不可出現(xiàn)傾斜，以免延誤工期。在增加新軸套的同時，改進箱體內(nèi)部軸套的結構，增大軸套的直徑，通過對軸套方面的調(diào)整，最大程度上減少軸和座的磨損，延長使用壽命，由于定速輪在運作中會產(chǎn)生高溫，所以定速輪是采用半浸泡式安裝，軸套的改進也使得密封更加良好，降低了水對軸的腐蝕，變得更加耐用。定速輪在高速運轉時，軸套的改進降低軸體的震動，增強穩(wěn)定性，能使軸承承受更大的負荷。

由圖3可以看出，定速輪與減速機之間是通過同步帶實現(xiàn)傳動，由于軸身的整體尺寸加長，同步齒輪也產(chǎn)生后移，而這時需要對減速機重新定位，定位的原則大致有兩方面：一方面要保證減速機在找到新位置時，保證自身的水平，期間可以使用水平尺進行測量，輔助工人定位；另一方面要使兩個齒輪在同一豎直面，使同步帶在運作中，避免產(chǎn)生偏移現(xiàn)象使設備停止運行，以及減少對同步帶的損壞。其中，對于減速機的重新定位，由于空間狹小及地面不平整，導致工程量較大，需要在后期對設備機械結構進一步優(yōu)化。

3.2 新軸結構的運行測試

軸結構的設計以及對相關設備的改動，最終目的是為了使定速輪運行更加穩(wěn)定，產(chǎn)品的質量得到提升。在對該軸進行重新制作時，盡可能保證原有直徑，而只改動軸身長度，并確定新的軸頸位置，故軸的扭轉強度τT以及基本直徑d符合標準，接著核算當量彎矩：

式中，α為考慮轉矩與彎矩性質不同而設的應力校正系數(shù)，若轉矩不變，α=0.3；若是脈動循環(huán)的轉矩，α=0.6；若是對稱循環(huán)的轉矩，α=1。最后對圓軸進行強度校驗：

式中，W為危險截面的抗彎截面系數(shù)，mm3；σ-1為材料在對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲力，MPa。

經(jīng)過驗證，該軸的設計符合上述標準，但軸的設計更多是要符合實際情況的需求，不能只追求理論，而忽略實際應用，對于軸的實際應用測試，主要分為以下幾個方面：

(1)定速輪的運行是否穩(wěn)定。設備運行時，通過人眼觀測以及百分表測量，查看定速輪在轉動過程中，百分表的跳動數(shù)值，每天測量3次，記錄平均數(shù)據(jù)，為期15d，力求每次測量的數(shù)值偏差在20絲以內(nèi)，若超過20絲，要進行適當調(diào)整，保證設備的高精度。

(2)軸與軸承的運轉情況。設備運行15d、30d時，對設備進行維護，拆卸定速輪，觀察軸上是否存在壓痕，或軸承是否嚴重損壞，對觀察的結果進行記錄，若出現(xiàn)相關問題，對軸的位置進行微調(diào)，或更換質量更好的軸承，再觀察其運轉情況。

(3)產(chǎn)品的表面質量。改造后，使用該設備生產(chǎn)的銅絲比改造前的表面更加光滑，消除了銅絲表面出現(xiàn)的花紋、劃痕、掉銅粉的現(xiàn)象。

經(jīng)對設備原軸結構的分析計算，在考慮不影響設備其他機構的基礎上，通過增加軸身尺寸，改變軸頸位置，在后箱體安裝全新軸套，以及改進原有軸套，對軸進行重新定位，最大化增加定速輪的穩(wěn)定性，并對減速機和同步帶做出適當調(diào)整，保證傳動機構的正常運行，使設備整體運行平穩(wěn)，產(chǎn)品質量得到較大提升，達到了預期目的。

4 結論與展望

本文根據(jù)設備的實際運行情況，研發(fā)設計了一種全新的定速輪軸結構，改善設備的現(xiàn)有機械結構，穩(wěn)定定速輪運行，生產(chǎn)的銅絲比改造前的表面更加光滑，消除了銅絲表面出現(xiàn)的花紋、劃痕、掉銅粉的現(xiàn)象。通過本次改造，由于受實際情況影響，時間、資源有限，除了上述工作外，設備上仍有一些理論和實際問題需要進一步探討：

(1)將現(xiàn)階段定速輪的冷卻方式由半浸泡式改為噴淋式，使定速輪不用長期處于水中作業(yè)，降低水對輪體的腐蝕，增加輪子的使用壽命。改為噴淋式結構，更能減輕工人的穿線勞動強度，獲得更佳的降溫效果。

(2)由于定速輪和減速機不在同一高度，所以二者之間通過同步帶實現(xiàn)傳動，而帶來的問題就是減速機的安放位置不利于定位校準，使同步帶容易偏移，若能將減速機提高到與定速輪同一高度，省去中間環(huán)節(jié)，直接同軸轉動，這不僅提高了傳動效率，節(jié)約了維護成本，更能保證定速輪運行的穩(wěn)定性，力度分布更加均衡。

(3)很多設備在實際應用中，因為作業(yè)環(huán)境、安裝空間、企業(yè)本身要求等多方面原因，仍然存在眾多問題，充分了解設備在市場中的情況，針對某一領域，設計出專用或通用的經(jīng)濟實用型設備，必然會對未來該領域的設備研發(fā)有很大的推動作用。