劉海洋

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

金剛石繩鋸作為一種高精柔性切割工具，已歷經(jīng)了近50余年的發(fā)展[1]。隨著中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的開展，石材已經(jīng)成為我國(guó)建材行業(yè)的重要材料之一[2]。作為石材加工的重要工具，金剛石組合繩鋸切割花崗巖大板具有鋸切石材利用率高、對(duì)環(huán)境友好、板材表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高及綜合成本低等特點(diǎn)[3]。隨著金剛石繩鋸機(jī)械及金剛石繩鋸切割技術(shù)的快速推廣使用，我國(guó)石材荒料開采已進(jìn)入金剛石繩鋸時(shí)代[4]。隨著金剛石繩鋸制造工藝優(yōu)化[5]，金剛石繩鋸的性能不斷提高，金剛石繩鋸工具快速發(fā)展[6]。與其配套使用的組合繩鋸機(jī)需求量及使用頻率加大，從而造成組合繩鋸機(jī)各工作輪壓膠條的工作量也隨之增加。由于組合繩鋸機(jī)設(shè)備體積大，使用現(xiàn)有的人工敲擊安裝保護(hù)膠條的方式，更換效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響了使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)組合繩鋸機(jī)的使用和組合繩鋸機(jī)的生產(chǎn)效率。因此，本文通過設(shè)計(jì)一款成本低、操作簡(jiǎn)單、工作效率高、體積小便于移動(dòng)的針對(duì)組合繩鋸機(jī)工作輪保護(hù)膠條的安裝、更換的壓膠條裝置，以此來解決目前人工手動(dòng)安裝保護(hù)膠條存在的問題。

1 金剛石組合繩鋸機(jī)膠條相關(guān)結(jié)構(gòu)

1.1 滾輪結(jié)構(gòu)

組合繩鋸機(jī)的滾輪在設(shè)計(jì)之初多采用一體包膠式結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用中因外部包膠容易磨損，繩槽磨損后引起繩鋸抖動(dòng)，切割出的石板薄厚不均，嚴(yán)重影響了石板的質(zhì)量，且一體式包膠輪無法對(duì)單獨(dú)某條繩槽進(jìn)行修復(fù)，往往因個(gè)別繩槽的磨損，需要更換整個(gè)滾輪，維修費(fèi)用過高，且維修時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度與企業(yè)效益。為了解決上述問題，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出了安裝膠條式滾輪。安裝膠條式滾輪從結(jié)構(gòu)上分為一體式、分組式、分體式三種結(jié)構(gòu)。其中一體式結(jié)構(gòu)滾輪體采用整根圓管或整塊鋼板卷制成圓(直徑過大沒有標(biāo)準(zhǔn)圓管)，然后在車床上加工膠條卡槽，因在后期維護(hù)方面一體式結(jié)構(gòu)滾輪維護(hù)成本偏高，所以又分別設(shè)計(jì)出了分組式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)。分組式結(jié)構(gòu)與分體式結(jié)構(gòu)是將整個(gè)滾輪體分為若干個(gè)單元，在后期維護(hù)時(shí)單獨(dú)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行維修或更換，大大降低了維護(hù)成本。但因其結(jié)構(gòu)原因，多單元獨(dú)立運(yùn)動(dòng)不利于作為主動(dòng)輪，同時(shí)因裝配原因不如一體式加工各繩槽間距精準(zhǔn)，因此多應(yīng)用在從動(dòng)輪上。而一體式結(jié)構(gòu)各繩槽為一次車出，間距非常精準(zhǔn)。且因整個(gè)滾輪為一個(gè)整體，方便作為主動(dòng)輪，所以一體式結(jié)構(gòu)更多地應(yīng)用在主動(dòng)輪與導(dǎo)輪上。

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)滾輪的使用情況，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了兩種不同的膠條卡槽結(jié)構(gòu)。一體式及分體式膠條卡槽結(jié)構(gòu)一致，多采用圖1所示結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成V型口與平底槽結(jié)構(gòu)，既方便膠條的安裝又可以防止膠條脫出。因分體式膠條與膠條之間不能相互依靠，所以膠條卡槽多采用圖2所示結(jié)構(gòu)。相比于卡槽1，此結(jié)構(gòu)增加了兩個(gè)擋邊，可以保證膠條不會(huì)發(fā)生左右移動(dòng)。

圖1 卡槽1Fig.1 Card slot 1

圖2 卡槽2Fig.2 Card slot 2

1.2 膠條結(jié)構(gòu)

為對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的膠條卡槽，膠條設(shè)計(jì)出兩種結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。其中圖3結(jié)構(gòu)多應(yīng)用在分體從動(dòng)輪。圖4多應(yīng)用于主動(dòng)輪、導(dǎo)輪、分組從動(dòng)輪。

圖3 膠條1Fig.3 Rubber strip 1

圖4 膠條2Fig.4 Rubber strip 2

2 半自動(dòng)壓膠條裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)研發(fā)思路

安裝膠條需要一定的壓力，考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及使用便捷性，選用氣缸作為執(zhí)行元件。壓緊膠條后，為實(shí)現(xiàn)一圈的膠條自動(dòng)壓入，前段壓持部分設(shè)計(jì)兩個(gè)壓輪，由電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)。為防止打滑，壓輪端面開齒增大摩擦力。為適用于不同直徑滾輪，需要設(shè)計(jì)角度調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)壓輪角度。根據(jù)上述研發(fā)思路，研究人員在大型三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks中完成半自動(dòng)壓膠條裝置的三維建模工作，對(duì)各個(gè)零件的尺寸進(jìn)行確認(rèn)，借助計(jì)算機(jī)尋找配合關(guān)系[7]。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的半自動(dòng)壓膠條裝置包括：1壓持裝置、2動(dòng)力裝置、3角度調(diào)節(jié)桿3個(gè)部分，如圖5所示。壓持裝置包括固定支架、位置調(diào)節(jié)桿、伸縮支架、氣缸等部分。固定支架固定在位置調(diào)節(jié)桿上，通過氣缸帶動(dòng)伸縮支架移動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓力輸出。動(dòng)力裝置包括電機(jī)、鏈輪、支架、壓輪等部分。電機(jī)提供動(dòng)力并通過鏈輪帶動(dòng)壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)。角度調(diào)節(jié)桿通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母改變壓輪角度，使裝置可以適用于不同直徑的滾輪。

圖5 半自動(dòng)壓膠條裝置Fig.5 Semi-automatic rubber pressing device

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.3.1 氣缸選取

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得膠條完美壓入的壓力F0最小需要940 N，現(xiàn)場(chǎng)氣壓P為0.6 MPa。

(1)

(2)

根據(jù)氣缸的負(fù)載率(表1)：

表1 負(fù)載率Table 1 Load rate

(3)

因此選擇63 mm缸徑的氣缸，同時(shí)利用 Solidworks尋找配合關(guān)系，得出行程100 mm的氣缸可以滿足使用，綜上選取了行程100 mm、缸徑63 mm的亞德客SC63X100S型氣缸。

2.3.2 電機(jī)選取

已知組合繩鋸機(jī)工作輪的慣量J為4990 kg·m2，壓膠條線速度v要求為0.082 m/s，工作輪直徑2.3 m，工作輪從靜止到壓膠工作轉(zhuǎn)速的加速時(shí)間t為0.5 s，取安全系數(shù)k=2，效率η等于0.6。則：

(4)

(5)

(6)

工作輪所需扭矩：T=J·β=4990×0.14=698.6 N·m

(7)

選用轉(zhuǎn)速N電等于1400 r/min的電機(jī)，則：

(8)

(9)

電機(jī)理論功率：P=T電·N電/9550=0.34×1400÷9550=0.05 kW

(10)

(11)

因此選用功率0.18 kW的電機(jī)。壓輪直徑設(shè)計(jì)為0.12 m，利用相同大小鏈輪傳動(dòng)，則減速機(jī)的傳動(dòng)比等于1911.8÷2.3×0.12=99.7(取100)。

綜上所述，選用轉(zhuǎn)速1400 r/min、額定功率0.18 kW、減速機(jī)傳動(dòng)比為100的NMRV050-100-0.18-4型減速電機(jī)。

2.3.3 壓輪設(shè)計(jì)

為了更容易將膠條壓入組合繩鋸機(jī)工作輪，設(shè)計(jì)兩個(gè)壓輪同時(shí)壓持膠條，兩個(gè)壓輪一前一后排放，前面壓輪對(duì)膠條進(jìn)行預(yù)壓緊，后面壓輪將膠條壓到指定位置。為適用不同形狀的膠條，設(shè)計(jì)壓輪為臺(tái)階式結(jié)構(gòu)(圖6)。為防止壓輪與膠條打滑，在壓輪四周開齒增大摩擦力(圖7)。

圖6 側(cè)圖Fig.6 Lateral view

圖7 齒形圖Fig.7 Tooth shape map

2.3.4 角度調(diào)節(jié)桿

角度調(diào)節(jié)桿的作用是調(diào)節(jié)兩個(gè)壓輪與工作輪的角度，使其適用于不同直徑的組合繩鋸機(jī)工作輪，使整個(gè)壓膠條過程更加容易。角度調(diào)節(jié)桿由中間的調(diào)節(jié)桿跟兩端的連接桿組成，調(diào)節(jié)桿兩端螺紋一邊為左旋、一邊為右旋，兩端連接桿螺紋與調(diào)節(jié)桿對(duì)應(yīng)，達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿時(shí)兩端連接桿同時(shí)伸出或同時(shí)收縮的目的。調(diào)節(jié)桿外表面銑扁位，方便使用扳手進(jìn)行調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 角度調(diào)節(jié)桿Fig.8 Angle adjusting lever

3 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試分析

在實(shí)際應(yīng)用中，首先將半自動(dòng)壓膠條裝置固定在位置調(diào)節(jié)桿上，接通電源、氣源，調(diào)節(jié)半自動(dòng)壓膠條裝置位置，使其與組合繩鋸機(jī)工作輪槽口對(duì)齊，轉(zhuǎn)動(dòng)角度調(diào)節(jié)桿使兩個(gè)壓輪面與組合繩鋸機(jī)工作輪面大致處于相同距離，將膠條放置在槽口處，向前推動(dòng)氣動(dòng)開關(guān)使壓持支架伸出，將膠條壓入槽口，觀察膠條壓入位置，如位置未達(dá)到要求，通過調(diào)節(jié)氣缸壓力及角度調(diào)節(jié)桿使其達(dá)到要求，然后打開電機(jī)開關(guān)，使壓輪通過膠條帶動(dòng)繩鋸機(jī)工作輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成一圈壓膠條工作(可根據(jù)不同硬度壓膠條的壓入情況，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)，最后關(guān)閉電機(jī)開關(guān)，向后扳動(dòng)氣動(dòng)開關(guān)，收回壓持支架，完成一個(gè)槽口的壓膠條任務(wù)，整個(gè)安裝過程方便快捷。與之相對(duì)的，以往采用大錘敲擊安裝方式，在膠條的安裝過程中，工人需要一只手固定膠條，另一只手持錘進(jìn)行敲擊，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在一定的安全隱患。并且因不同安裝人員的習(xí)慣不同，膠條安裝后質(zhì)量參差不齊，得不到保障。膠條采用敲擊方式安裝，在敲擊過程中，膠條對(duì)膠條卡槽有一定的沖擊力，隨著更換膠條次數(shù)的增多，卡槽遭到破壞，無法卡緊膠條，在滾輪旋轉(zhuǎn)過程中，膠條容易脫落，存在一定的安全隱患。采用半自動(dòng)壓膠條裝置安裝膠條是使膠條被緩慢壓入卡槽，對(duì)卡槽沒有沖擊力，可以大大增加卡槽的使用壽命。

分別對(duì)前后兩種膠條安裝方式進(jìn)行跟蹤及工時(shí)統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 工時(shí)對(duì)比Table 2 Comparison of working time

根據(jù)表2數(shù)據(jù)對(duì)比可知，半自動(dòng)壓膠條裝置的使用可大大提高工人的工作效率，其中導(dǎo)輪安裝膠條工時(shí)為此前的1/2，主動(dòng)輪安裝膠條工時(shí)為此前的1/4，分體從輪安裝膠條工時(shí)為此前的1/3，為企業(yè)節(jié)約了大量的人工成本，縮短了整個(gè)組合繩鋸機(jī)的生產(chǎn)周期。大錘敲擊方式安裝膠條，每安裝1 m膠條，現(xiàn)場(chǎng)工人需要敲擊10次以上，以ZJP72組合繩鋸機(jī)為例，單單安裝主動(dòng)輪的膠條，工人就要敲擊7000多次，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極大，使用半自動(dòng)壓膠條裝置后，工人只需要控制氣缸和電機(jī)開關(guān)就可以輕松完成膠條安裝，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的半自動(dòng)壓膠裝置的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，投入成本低，體積小，操作簡(jiǎn)單，安裝及更換膠條效率高，位置偏差度小，且同時(shí)能夠適用于不同結(jié)構(gòu)的膠條以及不同直徑的組合繩鋸機(jī)工作輪。此裝置的使用，讓膠條的安裝效率提高了50%以上，簡(jiǎn)單的按鈕撥動(dòng)代替了成千上萬次的大錘敲擊，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)氣動(dòng)壓持裝置部分的設(shè)計(jì)可以對(duì)組合繩鋸機(jī)工作輪的保護(hù)膠條進(jìn)行固定、壓緊，使得保護(hù)膠條能夠安裝得更加精準(zhǔn)，保證了組合繩鋸機(jī)工作輪與保護(hù)膠條的緊密結(jié)合，從而降低偏差度，更好地保護(hù)組合繩鋸機(jī)工作輪。而電機(jī)傳送裝置部分確保了安裝、更換膠條的效率，操作簡(jiǎn)單、方便快捷。