劉 琰 胡文斌 莊 輝 裴澤光

（1.東華大學(xué)，上海，201620；2.軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站濟(jì)南質(zhì)量監(jiān)督站，山東濟(jì)南，250022）

當(dāng)前紡紗生產(chǎn)過(guò)程中，纖維包的運(yùn)輸、拆包和排包等流程均由工人進(jìn)行手工操作，人工操作不僅效率較低，且操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。在目前我國(guó)勞動(dòng)力成本不斷上漲、制造業(yè)向自動(dòng)化智能化轉(zhuǎn)型的背景下，急需采用自動(dòng)化的機(jī)械裝置代替人工實(shí)現(xiàn)纖維包的拆包、搬運(yùn)及排包工作，以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本［1-2］。纖維包的割袋工作具體是指通過(guò)側(cè)面割袋裝置與底面割袋裝置將包裹在纖維包外面的塑料包裝袋割破。與之相似的工作在其他行業(yè)中也有需求［3-5］，但在紡織工業(yè)中與纖維包自動(dòng)化割袋與回收裝置有關(guān)的設(shè)備鮮有報(bào)道。在我們團(tuán)隊(duì)的前期研究中，提出了一種適用于直行往復(fù)式自動(dòng)抓棉機(jī)的纖維包除帶及拆袋機(jī)設(shè)計(jì)方案［6-7］。在該設(shè)備中，塑料包裝袋的去除和收集主要由底面割袋裝置、側(cè)面割袋裝置、除袋裝置配合完成（如圖1 所示），其中底面割袋裝置和側(cè)面割袋裝置是去除包裝袋的核心裝置。底部割刀將棉包底部沿底面對(duì)角線割開(kāi)包裝袋，側(cè)面割刀沿棉包直立的兩條棱線割開(kāi)包裝袋，利用側(cè)面割刀對(duì)面的夾爪將割開(kāi)的包裝袋從棉包上扯去并集中回收。為此，本研究對(duì)上述裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)及計(jì)算。

圖1 塑料包裝袋去除和收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1 塑料包裝袋去除回收裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 底面割袋裝置

如圖2 所示，底面割袋裝置由臺(tái)面主體和底部割袋裝置組成。臺(tái)面主體主要負(fù)責(zé)棉包的承載傳送，底部割袋裝置負(fù)責(zé)在棉包底面將塑料包裝袋沿底面對(duì)角線割開(kāi)一個(gè)十字開(kāi)口，并將棉包頂起一定高度，以便除袋裝置將塑料包裝袋從棉包上除去。

如圖3 所示，臺(tái)面主體包含割包臺(tái)、臺(tái)面上的皮帶、滾輪、電機(jī)、齒輪、軸承及軸承底座等部分。割包臺(tái)表面設(shè)置若干矩形凹槽，軸承底座安裝在凹槽兩端，軸承安裝在軸承底座上，滾輪通過(guò)兩端與軸承配合安置于臺(tái)面上的凹槽內(nèi)，用于支撐皮帶并為其傳遞動(dòng)力，動(dòng)力由電機(jī)提供，并通過(guò)齒輪嚙合傳遞。另外，臺(tái)面上還設(shè)置有異形孔，供底部割袋裝置透過(guò)，異形孔夾角為α，設(shè)有限位板以限制棉包行進(jìn)過(guò)程中的位置及姿態(tài)。臺(tái)面兩端各設(shè)置有5 條皮帶負(fù)責(zé)棉包的傳送，以一端為例，5 條皮帶平行放置，一端繞在同一個(gè)主動(dòng)滾輪上，另一端各自繞在相對(duì)應(yīng)的滾輪上。臺(tái)面中央還設(shè)置有兩個(gè)無(wú)動(dòng)力的皮帶輪，以起到承接的作用。整體上，皮帶傳送平鋪于臺(tái)面上除異形孔以外的地方。至此，臺(tái)面主體通過(guò)設(shè)置在割包臺(tái)表面的皮帶傳送機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)棉包的傳送工作。

圖3 臺(tái)面主體

底部割袋裝置的組成如圖4 所示，包含電機(jī)、行星減速器、斜齒輪、深溝球軸承、止推軸承、圓形底盤(pán)、油缸、頂包架和鋸齒刀具裝置。其中電機(jī)安裝在割包臺(tái)底部，電機(jī)輸出軸連接一個(gè)行星減速器，減速器輸出軸連接斜齒輪，圓形底盤(pán)安裝在割包臺(tái)的下部圓形槽上，圓形底盤(pán)下部安裝有止推軸承、斜齒輪以及兩個(gè)深溝球軸承，止推軸承與割包臺(tái)下部圓形槽底面接觸，支撐整個(gè)底部割袋裝置的旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)深溝球軸承與割包臺(tái)下部圓形槽的圓柱面接觸，用以保證底部割袋裝置旋轉(zhuǎn)的徑向穩(wěn)定。第一油缸安裝在圓形底盤(pán)上，第二油缸和頂包架都安裝在第一油缸的輸出桿上，頂包架的夾角α=75°，鋸齒刀具裝置安裝在第二油缸的輸出桿上，并且與頂包架保持α/2 的夾角。至此，底部電機(jī)可以通過(guò)齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)整個(gè)底部割袋裝置的旋轉(zhuǎn)，第一油缸可以驅(qū)動(dòng)頂包架的上下移動(dòng)，第二油缸可以驅(qū)動(dòng)鋸齒刀具裝置的上下移動(dòng)。

圖4 底部割袋裝置

鋸齒刀具裝置的組成如圖5 所示，包含刀具、齒形帶、鋸齒刀架、電機(jī)、齒形輪、皮帶以及皮帶輪等。其中刀具通過(guò)刀具底座安裝在齒形帶上，齒形輪安裝在鋸齒刀架兩端，電機(jī)安裝在鋸齒刀架的中央，大皮帶輪安裝在電機(jī)輸出軸上，小皮帶輪安裝在鋸齒刀架一端的齒形輪軸上。綜上所述，電機(jī)通過(guò)皮帶輪驅(qū)動(dòng)齒形輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒形帶轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)切割功能。

圖5 鋸齒刀具裝置

1.2 側(cè)面割袋裝置

側(cè)面割袋裝置由3 部分組成，如圖6 所示，包含割袋裝置、滑動(dòng)裝置和腳架。割袋裝置主要負(fù)責(zé)在棉包側(cè)面沿棉包兩條棱線將塑料包裝袋割開(kāi)，滑動(dòng)裝置主要負(fù)責(zé)割袋裝置在底面上的移動(dòng)。

圖6 側(cè)面割袋裝置的組成

側(cè)面割袋裝置的割袋裝置組成如圖7 所示，包含裝置主體、兩個(gè)絲杠模組、刀具、刀具底座和兩個(gè)限位桿。兩個(gè)絲杠模組安裝在裝置主體兩側(cè)，刀具通過(guò)刀具底座安裝在絲杠模組上，以完成上下移動(dòng)割開(kāi)棉包的塑料包裝袋的工作，限位桿安裝在裝置主體上，用以輔助割袋裝置與棉包的定位。

圖7 側(cè)面割袋裝置的割袋裝置

側(cè)面割袋裝置的滑動(dòng)裝置如圖8 所示，包含底板、中間底板、絲杠模組、中間底板連接件、底板連接件、齒條、齒輪、電機(jī)、滑軌和滑塊等。其中，絲杠模組安裝在底板中央的凹槽內(nèi)，兩組滑軌也安裝在底板上，中間底板通過(guò)滑塊與底板上的滑軌相連接，又通過(guò)中間底板連接件與絲杠模組相連；同時(shí)，中間底板上安裝有齒條和兩組滑軌，割袋裝置通過(guò)滑塊與中間底板上的滑軌相連接。電機(jī)安裝在割袋裝置的裝置主體上，電機(jī)輸出軸上安裝齒輪并與安裝在中間底板上的齒條相嚙合。最后，底板通過(guò)底板連接件與腳架相連接。至此，底板上的絲杠模組可以驅(qū)動(dòng)中間底板進(jìn)行縱向平移，電機(jī)通過(guò)齒輪齒條的嚙合可以驅(qū)動(dòng)割袋裝置橫向平移，即割袋裝置能夠完成兩個(gè)方向的平動(dòng)。

圖8 側(cè)面割袋裝置的滑動(dòng)裝置

1.3 除袋裝置

除袋裝置的組成如圖9 所示，包含支架主體、滑臺(tái)氣缸、滑動(dòng)板、手指氣缸、夾板、滑軌以及滑塊等。其中，兩組滑軌安裝在支架主體的內(nèi)部側(cè)面，滑臺(tái)氣缸安裝在支架主體的背部頂面，滑動(dòng)板通過(guò)滑塊與兩組滑軌相連接，同時(shí)與滑臺(tái)氣缸的活動(dòng)部件相連接，手指氣缸安裝在滑動(dòng)板的前面，夾板安裝在手指氣缸的活動(dòng)部件上，以完成夾持動(dòng)作，最后支架主體通過(guò)螺栓連接在皮帶機(jī)上。至此，滑臺(tái)氣缸能夠驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)板和手指氣缸前后移動(dòng)，手指氣缸能夠驅(qū)動(dòng)夾板完成夾持。

圖9 除袋裝置

2 鋸齒刀具的設(shè)計(jì)

2.1 鋸齒刀具同步帶的選型設(shè)計(jì)

鋸齒刀具安裝在同步帶上，跟隨同步帶運(yùn)動(dòng)，故對(duì)同步帶計(jì)算選型。同步帶設(shè)計(jì)功率Pd的計(jì)算公式如下。

式中：KA為工況系數(shù)，F(xiàn)為工作負(fù)載（N），v為同步帶速度（m/s），m為鋸齒刀具轉(zhuǎn)動(dòng)部件的總質(zhì)量（kg），a為鋸齒刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度（m/s2），u為考慮刀具與棉包之間摩擦力和切割力的安全因子。式（1）~式（3）中相關(guān)參數(shù)查詢(xún)機(jī)械手冊(cè)如下：KA=1.6，v=6 m/s，m=5 kg，a=6 m/s2，u=1.5?？汕蟮猛綆гO(shè)計(jì)功率Pd=288 W。

根據(jù)以上求得的同步帶設(shè)計(jì)功率與轉(zhuǎn)速，查詢(xún)機(jī)械手冊(cè)，選擇L 型帶：節(jié)距為9.525 mm，基準(zhǔn)寬度為25.4 mm。鋸齒刀具同步帶的兩個(gè)帶輪應(yīng)大小一致，故初選帶輪齒數(shù)為18，節(jié)圓直徑為54.57 mm。帶長(zhǎng)L0的計(jì)算公式如下。

式中：a0為軸間距（mm），d1、d2分別為兩帶輪節(jié)圓直徑（mm）。其中，軸間距a0初定950 mm。代入?yún)?shù)得到L0=2 071.44 mm。查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，選取帶長(zhǎng)代號(hào)為840 的L 型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)LP=2 133.60 mm，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)z=224。實(shí)際軸間距a=a0+（LP-L0）/2，代入?yún)?shù)得到實(shí)際軸間距為a≈981.08 mm。

基本額定功率P0計(jì)算如下。

式中：P0為額定功率（kW），Ta為基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力（N·m），m為基準(zhǔn)寬度同步帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（kg/m），v為同步帶轉(zhuǎn)速。相關(guān)參數(shù)查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)如下：Ta=244.46 N·m，m=0.095 kg/m，v=6 m/s。 計(jì) 算 得 到P0=1.446 24 kW。

所需帶寬計(jì)算公式如下。

式中：bs為實(shí)際帶寬（mm），bs0為基準(zhǔn)帶寬（mm），kz為修正系數(shù)。式（6）中相關(guān)參數(shù)查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)如下：bs0=25.4 mm，kz=1。帶入?yún)?shù)求得同步帶帶寬bs≥6.17 mm，一般還要求bs

綜上所述，同步帶主要參數(shù)：節(jié)距9.525 mm，軸間距981.08 mm，帶寬25.4 mm，帶長(zhǎng)2 133.60 mm，齒數(shù)為224。同步帶輪主要參數(shù)：齒數(shù)18，節(jié)圓直徑54.57 mm。

2.2 V 帶及電機(jī)選型

鋸齒刀具采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件、普通V 帶作為傳動(dòng)部件，將動(dòng)力傳遞給同步帶。首先計(jì)算電機(jī)所需的輸出功率，依據(jù)式（5），執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的工作功率即為同步帶的額定功率，即Pw=P0=1.446 24 kW，查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，V 帶傳動(dòng)效率為0.96。代入即可得到電機(jī)所需的輸出功率為Pd=1.506 5 kW。因此，選擇Y90L-2 型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，額定功率Pe=2.2 kW，轉(zhuǎn)速n1=2 840 r/min，效率η=0.805，質(zhì)量m=25 kg。

V 帶的設(shè)計(jì)功率計(jì)算如下。

式中：PC為設(shè)計(jì)功率（kW），KA為工況系數(shù)，Pe為V 帶傳遞的功率（kW）。相關(guān)參數(shù)查詢(xún)機(jī)械手冊(cè)如下：KA=1.2，Pe=2.2 kW。代入?yún)?shù)計(jì)算得到V 帶的設(shè)計(jì)功率PC=2.64 kW。

根據(jù)V 帶的設(shè)計(jì)功率P以及主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)可知，選擇Z 型普通V 帶。Z 型普通V 帶的最小基準(zhǔn)直徑為50 mm。因此取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為dd1=63 mm。從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd2的計(jì)算公式如下。

式中：n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速（r/min），n2為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速（r/min），v為同步帶速度（m/s），d為同步帶齒輪節(jié)圓直徑（mm）。由2.1中可知d=54.57 mm。帶入?yún)?shù)計(jì)算得到從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2=2 100 r/min，從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd2=85.2 mm。查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，取直徑為標(biāo)準(zhǔn)值，dd2=85 mm，則實(shí)際傳動(dòng)比為經(jīng)計(jì)算V 帶同步帶速度在5m/s~25m/s，故帶速合適。

初選中心距a0的要求如式（10）所示。V 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度L0的計(jì)算公式如式（11）所示。實(shí)際中心距a的計(jì)算公式如式（12）所示。小帶輪包角α1計(jì)算如式（13）所示。式中：Ld為標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)長(zhǎng)度（mm）。

根據(jù)式（10），初選中心距a0=475 mm，則可得L0=1 182.73 mm。查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)［8］取標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=1 080 mm，計(jì)算實(shí)際中心距a≈423.635 mm，小 帶 輪 包 角α1=177.02°>120°。包角滿(mǎn)足V 帶設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，Z 型V 帶的主要參數(shù)：小帶輪直徑63 mm，大帶輪直徑85 mm，傳動(dòng)比1.35，中心距423.635 mm，基準(zhǔn)長(zhǎng)度1 080 mm。

3 底部割袋裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

底部割袋裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的工作為驅(qū)動(dòng)鋸齒刀具與頂包架上下移動(dòng)以及底部割袋裝置旋轉(zhuǎn)。具體來(lái)說(shuō)，鋸齒刀具與頂包架的上下移動(dòng)由一個(gè)二級(jí)油缸驅(qū)動(dòng)，底部割袋裝置的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用齒輪作為傳動(dòng)部件。

3.1 油缸選型

鋸齒刀具的驅(qū)動(dòng)被稱(chēng)為第二油缸，其工作負(fù)載主要為鋸齒刀具整體的重力，鋸齒刀具的質(zhì)量約為10 kg，則第二油缸的工作負(fù)載F0=98 N。第二油缸的參數(shù)要求負(fù)載98 N，行程200 mm，安全系數(shù)n=1.25，負(fù)載率β=0.75。第二油缸輸出力FP計(jì)算如式（14）所示。

由式（14）計(jì)算得第二油缸輸出力FP=163.3 N。初選設(shè)計(jì)壓力P0為0.2 MPa；初選缸徑與桿徑比為0.5，即d=0.5D。

缸徑D計(jì)算如式（15）所示，重新校核第二油缸工作壓力Pn2計(jì)算如式（16）所示。

由式（15）計(jì)算得到缸徑D=32.28 mm，圓整為D=32 mm，因此桿徑d=16 mm。由式（16）可得第二油缸工作壓力Pn2=0.270 7 MPa。

頂包架的驅(qū)動(dòng)被稱(chēng)為第一油缸，其工作負(fù)載主要為鋸齒刀具與頂包架的總重力，鋸齒刀具與頂包架的總質(zhì)量約為30 kg，則第一油缸的工作負(fù)載F=m×g=30×9.8=294（N）。第一油缸的參數(shù)要求：負(fù)載294 N，行程120 mm，安全系數(shù)1.25，負(fù)載率0.75。計(jì)算得到第一油缸輸出力FP=490 N。初選設(shè)計(jì)壓力P0為0.2 MPa；初選缸徑與桿徑比為0.5，即d=0.5D?？傻肈=55.93 mm，圓整到標(biāo)準(zhǔn)缸徑D=50 mm，因此d=25 mm。重新校核其工作壓力，得第一油缸工作壓力Pn1=0.332 7 MPa。

綜上所述，第一油缸的最小工作壓力0.332 7 MPa，缸徑50 mm，行程120 mm~200 mm。第二油缸的最小工作壓力0.270 7 MPa，缸徑32 mm，行程200 mm~280 mm。

3.2 電機(jī)選型

底部割袋裝置的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作負(fù)載主要為安裝在圓形底盤(pán)下止推軸承自身的摩擦力。查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，取止推軸承的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.001 5；產(chǎn)生摩擦力的正壓力為底部割袋裝置的重力，底部割袋裝置的質(zhì)量約為150 kg，則重力G=1 470 N，底部割袋裝置所受摩擦力F=2.205 N；止推軸承半徑約為200 mm，因此電機(jī)的工作負(fù)載M=0.441 N·m。

根據(jù)電機(jī)工作負(fù)載（最大負(fù)載）計(jì)算電機(jī)輸出功率Pd，如公式（17）所示。

式中：Pd為電機(jī)所需的輸出功率（kW），Pw為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的工作功率（kW），η為電機(jī)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間傳動(dòng)裝置的總效率，M為最大工作負(fù)載（N·m），ω為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度（r/min）。查詢(xún)相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，選取傳動(dòng)裝置的總效率為η=0.90，底部割袋裝置轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω=120 r/min，最大工作負(fù)載M=0.441 N·m，則電機(jī)工作的輸出功率Pd=0.006 1 kW。

最終選擇型號(hào)為5IK40RGN-CF 型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，電機(jī)額定功率0.040 kW，轉(zhuǎn)速1 400 r/min，效率0.75，質(zhì)量8 kg。采用速比為6 的行星齒輪減速器；大齒輪參數(shù)：齒數(shù)40，模數(shù)1.5，直徑60 mm，齒寬30 mm，精度等級(jí)8，材料40Gr。小齒輪參數(shù)：齒數(shù)20，模數(shù)1.5，直徑30 mm，齒寬30 mm，精度等級(jí)8，材料45 鋼。

4 側(cè)面割袋裝置的滑動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

滑動(dòng)裝置的工作為承載整個(gè)側(cè)面割袋裝置完成水平移動(dòng)。因此，滑動(dòng)裝置的工作負(fù)載為側(cè)面割袋裝置移動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦力。

滑動(dòng)裝置所承載的總質(zhì)量約為125 kg，滑塊與滑軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù)取0.15 進(jìn)行核算，則側(cè)面割袋裝置移動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦力，也即滑動(dòng)裝置的工作負(fù)載F=125×9.8×0.15=183.75(N)。

箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)同樣采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，行星減速器、齒輪齒條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電機(jī)的選型設(shè)計(jì)與底部割袋裝置的電機(jī)選型設(shè)計(jì)大體一致，計(jì)算過(guò)程在此不再贅述。最終選擇6IK250RA-C 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，電機(jī)額定功率0.250 kW，轉(zhuǎn)速1 350 r/min，質(zhì)量6 kg。

5 結(jié)論

本研究介紹了一種面向直行往復(fù)式自動(dòng)抓棉機(jī)的纖維包自動(dòng)除帶及拆袋機(jī)割袋裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)割袋裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)割袋鋸齒的負(fù)載對(duì)同步帶、V 帶及電機(jī)進(jìn)行了具體選型；通過(guò)鋸齒機(jī)構(gòu)和頂包架的工作負(fù)載及工作速度作出了油缸與電機(jī)選型。該裝置為有效替代傳統(tǒng)的人工除帶工作提供了解決方案，得到的結(jié)論如下。

（1）鋸齒刀具同步帶的節(jié)距9.525 mm，軸間距981.08 mm，帶寬25.4 mm，帶長(zhǎng)2 133.60 mm，齒數(shù)為224。同步帶輪主要參數(shù)：齒數(shù)18，節(jié)圓直徑54.57 mm。

（2）鋸齒刀具的傳動(dòng)采用Z 型V 帶其小帶輪直徑63 mm，大帶輪直徑85 mm，中心距423.635 mm，基準(zhǔn)長(zhǎng)度1 080 mm。

（3）底部割袋裝置頂包架第一油缸的最小工作壓力0.332 7 MPa，缸徑50 mm，行程120 mm~200 mm。第二油缸的最小工作壓力0.270 7 MPa，缸徑32 mm，行程200 mm~280 mm。

（4）底部割袋裝置旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的電機(jī)選取5IK40RGN-CF 型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。大齒輪齒數(shù)40，模數(shù)1.5 mm，齒寬30 mm。小齒輪齒數(shù)20，模數(shù)1.5 mm，齒寬30 mm。

（5）側(cè)面割袋裝置箱體運(yùn)載機(jī)構(gòu)電機(jī)選取6IK250RA-C 型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。