鄧良豐，張 鐳，余 濤

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

0 前言

板帶材的后處理生產(chǎn)過(guò)程中，需生產(chǎn)不同規(guī)格和不同內(nèi)徑的卷材，以滿足市場(chǎng)要求。然而一條生產(chǎn)線上的開(kāi)卷機(jī)或卷取機(jī)卷筒規(guī)格或者漲縮范圍并不能覆蓋不同規(guī)格或不同內(nèi)徑的卷材，需要對(duì)開(kāi)卷機(jī)(或者卷取機(jī))的卷筒進(jìn)行快速更換。

目前，開(kāi)卷機(jī)(或卷取機(jī))的卷筒快換裝置大多需要人工參與，由操作工手持扳手或者專用工具在箱體和卷筒的連接處松動(dòng)固定螺栓，然后將卷筒抽出進(jìn)行更換。其操作過(guò)程繁冗，更換時(shí)間長(zhǎng)，工作效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在安全隱患。因此，亟需一種全新卷筒快換裝置，避免人工參與，只需依靠設(shè)備自身機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)卷筒全自動(dòng)化、高效、快速及可靠地更換。

1 設(shè)備組成及工作原理

1.1 設(shè)備組成

全自動(dòng)快換卷筒裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備由旋轉(zhuǎn)漲縮油缸、螺桿、卡套、連接架、鋼球、拉桿、壓蓋、壓板、鋼珠、滑塊、油缸、油缸座、尾部隔套、尾部軸承蓋、機(jī)架、尾部軸承、軸套、卷筒、螺母壓環(huán)、大齒輪、頭部隔套、頭部軸承、頭部軸承蓋、鍵等組成。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)漲縮油缸通過(guò)螺栓與連接架連接，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸和卡套通過(guò)螺桿連接，卡套通過(guò)鋼球與拉桿聯(lián)結(jié)，壓蓋安裝在連接架上?；瑝K安裝在油缸上，滑塊可伸入在卷筒尾部的凹槽內(nèi)，鋼珠通過(guò)壓板安裝在滑塊上。油缸安裝在油缸座上，油缸座安裝在機(jī)架上，尾部隔套安裝在軸套上，尾部軸承蓋安裝在機(jī)架上，尾部軸承安裝在機(jī)架上。軸套安裝在頭部軸承和尾部軸承的內(nèi)孔中，卷筒安裝在軸套的內(nèi)孔中，卷筒與軸套通過(guò)鍵相聯(lián)結(jié)。大齒輪安裝與軸套上，螺母壓環(huán)安裝在軸套上，頭部隔套安裝在軸套上，頭部軸承安裝在機(jī)架上，頭部軸承蓋安裝在機(jī)架上。

1.2 卷筒的快換工作原理

當(dāng)卷筒工作時(shí)，油缸伸出，推動(dòng)滑塊卡入卷筒的凹槽內(nèi)，大齒輪帶動(dòng)軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，軸套通過(guò)鍵帶動(dòng)卷筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)來(lái)料生產(chǎn)規(guī)格變動(dòng)，需要更換卷筒時(shí)，大齒輪停止旋轉(zhuǎn)，油缸縮回拉動(dòng)滑塊退出卷筒的卡槽，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸向外推出，推動(dòng)卷筒向外運(yùn)動(dòng)，卷筒尾部的凹槽脫離與滑塊配合位置，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸繼續(xù)向外推出，直至鋼球運(yùn)動(dòng)至連接架內(nèi)壁環(huán)槽處，如圖2所示。

圖2 卷筒的拆裝示意圖

拉桿和卷筒一起向外拉動(dòng)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸保持不動(dòng)，鋼球在拉桿的擠壓下，運(yùn)動(dòng)至連接架內(nèi)壁處的環(huán)槽內(nèi)，此時(shí)拉桿與卡套完全脫離分開(kāi)，卷筒和拉桿可以完全自由地退出裝配位。當(dāng)安裝新卷筒時(shí)，上卸卷小車或天車將卷筒推進(jìn)軸套內(nèi)，并保證卷筒的鍵槽位置與軸套鍵槽位置對(duì)齊。旋轉(zhuǎn)漲縮油缸將卡套推至連接架的環(huán)槽處并保持不動(dòng)，保證卡套的槽孔中心對(duì)齊連接架的環(huán)槽中心，油缸保持縮回位置。卷筒連同拉桿繼續(xù)向軸套內(nèi)裝入，當(dāng)拉桿運(yùn)動(dòng)至卡套內(nèi)與鋼球接觸時(shí)，拉桿擠壓鋼球向外運(yùn)動(dòng)，鋼球進(jìn)入連接架的環(huán)槽內(nèi)，如圖2所示。繼續(xù)向內(nèi)轉(zhuǎn)入卷筒和拉桿，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸配合縮回運(yùn)動(dòng)，鋼球在卡套的擠壓下，鋼球脫離連接架的環(huán)槽，進(jìn)入拉桿的環(huán)槽處，此時(shí)卷筒繼續(xù)裝入軸套，直至卷筒上的卡槽與滑塊位置對(duì)齊。此時(shí)油缸伸出，滑塊進(jìn)入卷筒的卡槽，卷筒安裝完畢。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 整體化和模塊化結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大齒輪一般直接安裝在卷筒上，由于大齒輪安裝在開(kāi)卷機(jī)或卷取機(jī)密閉的箱體中，使得卷筒不能整體沿著卷筒軸線方向抽出，當(dāng)需要拆卸更換卷筒時(shí)，先打開(kāi)開(kāi)卷機(jī)或卷取機(jī)箱體，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。卷筒設(shè)計(jì)成分段式結(jié)構(gòu)，開(kāi)卷機(jī)或卷取機(jī)箱體內(nèi)的卷筒為一個(gè)整體模塊，箱體外的卷筒為一個(gè)整體模塊，卷筒之間通過(guò)法蘭連接，拆卸更換卷筒時(shí)，需要拆卸掉法蘭連接處的螺栓，其勞動(dòng)強(qiáng)度也很大。

本文提出卷筒結(jié)構(gòu)通過(guò)軸套將大齒輪與卷筒分開(kāi)，大齒輪安裝在軸套上，卷筒通過(guò)鍵安裝在軸套的內(nèi)孔中，使得箱體內(nèi)外的卷筒可做為一個(gè)整體模塊。該整體模塊可以從箱體中整體抽出，實(shí)現(xiàn)拆卸更換，且其拆裝更換過(guò)程無(wú)需人工參與拆卸螺栓，杜絕了人工安全隱患，降低甚至消除了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了生產(chǎn)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)卷筒全自動(dòng)化、高效、快速及可靠地更換。

除卷筒做成整體化模塊外，用于固定卷筒并且防止卷筒軸向串動(dòng)的定位滑塊也可做成整體模塊式。如圖3所示，壓板、鋼珠、滑塊可組合成一個(gè)整體進(jìn)行更換。

圖3 模塊化結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 卷筒的快速安裝定位技術(shù)

傳統(tǒng)的快換卷筒結(jié)構(gòu)，通過(guò)拆裝法蘭處螺栓和定位銷來(lái)達(dá)到更換卷筒的目的，在安裝新卷筒過(guò)程中，需要旋轉(zhuǎn)卷筒，使得法蘭處的螺栓孔和銷孔對(duì)齊，然后擰緊多個(gè)螺栓，并打入銷軸，更換耗時(shí)大。

本文設(shè)計(jì)一種新型卷筒結(jié)構(gòu)，只需將卷筒軸上的鍵槽位置對(duì)齊軸套上鍵槽位置，將卷筒向箱體內(nèi)推入，直至卷筒軸和軸套相配合的斜面相吻合，此時(shí)軸套上的斜面阻止卷筒繼續(xù)向箱體內(nèi)推入，此時(shí)油缸推動(dòng)滑塊進(jìn)入卷筒上相應(yīng)的滑槽，卷筒的安裝過(guò)程結(jié)束。其安裝定位過(guò)程簡(jiǎn)捷、快速、精準(zhǔn)。

2.3 拉桿和漲縮缸間的快拆技術(shù)

如圖4所示為鋼球布置圖，鋼球均勻地布置在卡套的周向槽孔內(nèi)，槽孔底部為圓形結(jié)構(gòu)，托住鋼球，防止在拉桿抽出后，鋼珠由于重力作用向下自由(圓心)掉落。拉桿的外側(cè)周向開(kāi)設(shè)環(huán)槽，卡套和拉桿通過(guò)鋼球聯(lián)結(jié)。

圖4 鋼球布置圖

連接架的上端開(kāi)設(shè)出入孔，方便鋼球更換，壓蓋安裝在連接架的出入孔上。當(dāng)安裝新卷筒時(shí)，卷筒推進(jìn)軸套內(nèi)。旋轉(zhuǎn)漲縮油缸將卡套推至連接架的環(huán)槽處，保證卡套的槽孔中心對(duì)齊連接架的環(huán)槽中心，油缸保持縮回位置，卷筒連同拉桿繼續(xù)向軸套內(nèi)裝入，當(dāng)拉桿運(yùn)動(dòng)至與卡套內(nèi)的鋼球接觸時(shí)，拉桿擠壓鋼球向外運(yùn)動(dòng)，鋼球進(jìn)入連接架的環(huán)槽內(nèi)，當(dāng)拉桿的環(huán)槽中心與卡套的槽孔中心對(duì)齊時(shí)，繼續(xù)裝入卷筒和拉桿，鋼球在卡套的擠壓下，脫離連接架的環(huán)槽，進(jìn)入拉桿的環(huán)槽處。因此，拉桿的旋轉(zhuǎn)漲縮油缸之間的聯(lián)結(jié)是通過(guò)擠壓鋼球，使鋼球進(jìn)入不同相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)拉桿和漲縮缸間的快拆技術(shù)。

2.4 旋轉(zhuǎn)漲縮缸動(dòng)態(tài)行程

當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿完全縮回時(shí)，卡套與拉桿之間存在間隙，其間隙尺寸為a，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)漲縮缸的動(dòng)態(tài)行程分析

如圖5所示，拉桿上開(kāi)設(shè)有環(huán)槽，環(huán)槽寬度略大于與其裝配的鋼球接觸寬度，卡套連同鋼球可沿拉桿上的環(huán)槽作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離為b，b>a。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿從零位(油桿完全縮回位置)伸出時(shí)，推動(dòng)卡套向前運(yùn)動(dòng)，卡套推動(dòng)鋼球向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿從零位伸出距離a時(shí)，卡套推動(dòng)鋼球向前運(yùn)動(dòng)距離a，此時(shí)卡套已接觸上拉桿，由于b>a，鋼球前端面尚未接觸拉桿卡槽的后端面，在此過(guò)程中，卷筒外徑?jīng)]有變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿繼續(xù)伸出時(shí)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿推動(dòng)卡套，卡套推動(dòng)拉桿向前運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，鋼球和拉桿之間此時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生擠壓力，卷筒開(kāi)始縮徑，卷筒外徑變小。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿開(kāi)始縮回時(shí)，拉動(dòng)卡套向后運(yùn)動(dòng)，卡套拉動(dòng)鋼球向后運(yùn)動(dòng)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿縮回距離a時(shí)，卡套拉動(dòng)鋼球向后運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程中拉桿沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，卡套與拉桿距離a，且卡套內(nèi)的鋼球開(kāi)始接觸拉桿的凹槽面，此過(guò)程中，卷筒外徑?jīng)]有發(fā)生變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿繼續(xù)縮回時(shí)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿拉動(dòng)卡套向后運(yùn)動(dòng)，卡套擠壓鋼球向后運(yùn)動(dòng)，卡套通過(guò)擠壓鋼球推動(dòng)拉桿向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)卷筒外徑開(kāi)始發(fā)生改變，卷筒外徑開(kāi)始變大。

旋轉(zhuǎn)漲縮缸的動(dòng)態(tài)行程中，鋼球在卷筒漲縮過(guò)程中只承受單向壓力；卷筒漲徑時(shí)，鋼球承受擠壓力；卷筒縮徑時(shí)，鋼球始終不受力，一定程度上減少了鋼球的磨損，從而延長(zhǎng)了鋼球的使用壽命，減少了設(shè)備的維修時(shí)間。

如圖5所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸的油桿伸出行程為a+c時(shí)，卷筒外徑縮至最小，此時(shí)拉桿開(kāi)始頂上卷筒，卷筒外徑不能夠繼續(xù)縮小，油缸拉動(dòng)滑塊退出卷筒的凹槽，與傳統(tǒng)快換卷筒相比，省去了使用扳手等工具拆卸螺栓，使卷筒脫離把合等過(guò)程；旋轉(zhuǎn)漲縮油缸繼續(xù)向前推出時(shí)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸就能向外頂出卷筒，與傳統(tǒng)快換卷筒相比，無(wú)需額外的輔助工具往外拉拔卷筒。當(dāng)旋轉(zhuǎn)漲縮油缸推動(dòng)卡套向前運(yùn)動(dòng)至鋼球與連接架內(nèi)部的環(huán)槽處時(shí)，旋轉(zhuǎn)漲縮油缸繼續(xù)向前推出時(shí)，鋼球被擠壓進(jìn)入連接架內(nèi)部的環(huán)槽處，卷筒連同拉桿可自由地退出裝配。與傳統(tǒng)的快換卷筒相比，省去了拆卸拉桿的過(guò)程。

卷筒的裝配過(guò)程與此過(guò)程相逆，也無(wú)需額外的輔助工具。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種全自動(dòng)卷筒快換裝置結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有開(kāi)卷機(jī)的卷筒快換裝置大多需要人工參與，操作過(guò)程繁冗，更換時(shí)間長(zhǎng)，工作效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，使得開(kāi)卷機(jī)的卷筒更換能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化操作，能夠高效、快速和可靠地更換卷筒，避免人工參與，杜絕了操作安全隱患問(wèn)題。