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钢桶生产线弧形辊道输送线稳定性研究

聚星 产品设备 2020-01-28 570 0

  辊道输送线在自动化生产线中广泛应用,本文通过从原理上分析钢桶生产在弧形辊道上输送不稳定的原因,确定影响钢桶输送稳定性的关键因素,研究这些因素对钢桶输送稳定性的影响,依据研究结果优化弧形辊道输送线的设计参数,提高钢桶输送的稳定性。

  钢桶生产线工艺复杂,工序繁多,常伴有辐射、有毒有害等污染物,为了人员隔离防护,提高工作效率,自动化生产线被广泛使用。在钢桶自动化生产线中,辊道输送线贯穿制造的整个生产过程,是衔接多道工序的纽带,是钢桶在不同工序间相互转运协作必不可少的设备。

  在钢桶自动化输送线中,由于受场地环境限制和各工艺段布局的需要,使得生产输送线不能成为一条完整的直线,需要由多段相交或平行的辊道组成,不断旋转迂回,这就要求辊道输送线能够实现经常变化钢桶的输送方向。为了减少相关转向设备的使用量、降低制造成本和对空间的占用要求,通常采用弧形辊道输送线来变换钢桶的输送方向。

  钢桶输送时为了远程操控并提高生产效率,希望输送速度尽可能得快,但在输送过程发现输送速度越快,钢桶在弧形辊道处产生的离心力越大、振动越厉害,导致出现跳动、滑移,甚至偏离原既定输送轨迹等不稳定现象,阻碍钢桶在输送线上的正常连续运行。影响钢桶输送稳定性的因素有很多,既包括设计参数因素,也包括制造精度因素。

  设计参数包括:锥型辊子锥度、辊子小径、弧形辊道内径、辊子节距等参数;制造精度包括:锥形辊子的直线度、同轴度、圆跳动度,弧形辊道辊子安装的平面度等。以往对弧形辊道的输送精度没有很高要求,很多设计参数依据生产经验确定,在设计过程中留有足够的余度。随着市场竞争的日趋激烈,为了进一步提高生产效率、控制生产成本,对钢桶生产线中辊道输送的速率及精度提出了更高要求。因此在机械制造精度达到一定水平的情况下,通过进一步优化弧形辊道的设计来提高钢桶输送的稳定性,即通过对弧形辊道主要设计参数与其稳定性之间联系的研究,优化弧形辊道输送线的设计参数,确保钢桶在弧形辊道上快速、稳定输送。2 弧形辊道稳定性分析

  钢桶在运行过程中变换输送方向时,从直段辊道进入弧形辊道,在弧形辊道上,钢桶只有受到足够的向心力才能沿着弧形轨迹运动,否则将直接偏离辊道,与护栏碰撞、摩擦,妨碍钢桶的正常连续稳定前行。为了获得足够向心力,平稳实现钢桶输送方向的转换,弧形辊道输送线由锥形辊子安装于护板上组成,安装时,将锥形辊子的所有上母线调整在同一水平面上,形成承载面,以保证钢桶在其上平稳输送。

  为了直观量化地研究钢桶在弧形辊道上的输送过程,我们建立理想弧形辊道数学模型(图2),研究钢桶输送稳定性与辊道主要参数间的相互关系。如图2所示,假设钢桶在理想水平直角弧形辊道上输送,钢桶直径为Dl,弧形辊道内侧半径为Rn,弧形辊道由M 个锥形辊子组成,辊子间距为P0锥形辊子示意图如图3所示,锥形辊子长度为L,小端直径为Dm,辊子锥度为δ,钢桶经过弧形辊道时输送方向实现90°转弯,由横向直段辊道进入纵向直段辊道。图2 弧形辊道数学模型图

  理论上,弧形辊道内侧半径Rn≥3Dl,且转弯半径Rn越大钢桶输送运行越稳定。但通常情况下,Rn受场地空间约束,因此假定其为定值。

  通过分析钢桶在弧形辊道处输送时每个辊子的受力情况和钢桶产生的位移可知:锥形辊子受钢桶压力作用;钢桶在辊道上输送动力靠摩擦力提供,钢桶与辊子外母线贴合,钢桶的运动方向与辊子的线速度一致。另外由图2可以看出,钢桶的速度方向与运行轨迹间总有一定夹角,而且钢桶在经过弯道时受离心力作用,存在向外脱离的趋势;且钢桶在经过弧形辊道向前输送的过程中既作整体平动又作自身转动,同时发生了整体位置的前移和自身角度的旋转,钢桶在输送过程中一直存在加速度。这些因素都将影响钢桶在弧形管道上运行的稳定性,我们通过对上述因素逐一分析研究,找出其与钢桶输送稳定性间的相互关系。2.1 锥辊子强度与稳定性的关系

  通过图4可知,辊道在输送钢桶时,辊子两端轴承支撑辊子承受中间钢桶载荷,载荷均匀施加在辊子母线上,辊子受力模型可简化为均布载荷的简支梁结构。假设钢桶的重量为G,理论上至少由3个辊子同时承受载荷,每个锥形辊子受力为1/3G;

  为了简化计算,把锥形辊子理想化为圆柱形辊子,辊子的长度为L,通常情况下L=Dl+ΔB(ΔB为富裕度),锥形辊子外中径为D,内中径为d,辊子的最大变形量为ymax。式(1)为理想状态下的计算结果,为了验证其准确性,通过有限元对锥形辊子进行模拟受力分析加以验证。

  先对锥形辊子网格分化,如图5所示,然后依据锥形辊子的实际受力情况施加与式(1)相同的初始约束条件(相同辊子结构、相同约束、相同载荷),得到锥形辊子受力形变图,如图6所示。

  通过图6可以形象看出,当辊子承受钢桶压力时产生一定的弯曲变形,最大形变发生在辊子中间偏向锥形辊子小端,最大变形量为y’max。通过代入多次不同的计算参数比较,ymax≈y’max,且ymax 略大于y’max,因此将锥形辊子理想为圆柱形辊子的假设合理可行,即式(1)可以用于对锥形辊子最大弯曲变形量的研究。图5 锥形辊子网格分化图

  通过式(1)可以看出,当钢桶增大时,钢桶重量G增加,直径Dl变大,辊子长度L 随之变长,跨距增长,使得最大变形量ymax增大。辊子的弯曲变形量直接影响着钢桶输送的平稳性,因此设计时应适当增大锥形辊子直径,以增加辊子的强度和刚性,控制锥形辊子的变形量,保证钢桶在弧形辊道处输送的稳定性。

  弧形辊道是由多个锥形辊子组成,辊子与辊子间存在间隙。通过图2可见,由于辊子间存在节距P,使得钢桶承载面并非一个连续平面,导致速度的方向的转变也不连续,钢桶在经过辊子间隔时,钢桶运动轨迹向外偏离了弧形辊道设计的输送轨迹,每段间隔的偏移量为ΔH,偏移量ΔH越大,钢桶滑移越严重,稳定性越差。

  当弧形辊道内侧半径为Rn侧为定值时,c为常数;钢桶输送方向变化的角度确定时(90°),C为常数,即辊子的数量M与辊子间节距P成反比。

  为了保证钢桶正常输送,节距P≤1/2Dl,即至少同时需要3个辊子支撑钢桶,通常为了节省制造成本,令P=1/2Dl。但通过式(2)可以看出,辊子数量M越多,节距P越小,当节距P趋向无穷小时,偏移量ΔH趋向0,钢桶输送轨迹越顺滑,钢桶输送速度变换续,无速度突变。

  假设钢桶在两种不同辊子数量的弧形辊道上输送,一种假设辊子数量为4,一种辊子数量为7,观察它们的运行轨迹,如图2所示。比较两种运行轨迹可以清楚看出,当棍子数M=4时,钢桶刚好碰到辊道边缘,当M=7时,钢桶顺利通过弧形辊道,而且还有较大余量,经计算ΔH7≈1/4ΔH4。另外弧形辊道辊子间节距P越小,链轮之间的夹角越小,链条跳动越少,链轮传动越平稳;当辊子间节距P减少,同时承载钢桶的辊子数量增加,每个锥形辊子承受的载荷随之降低,在辊子的刚性强度不变的情况下,锥形辊子弯曲变形量降低。因此设计弧形输送辊道时,在辊子保证辊子强度、经济性合理的情况下应适当的增加锥形辊子数量,减少节距,可以提高钢桶在弧形辊道处输送的稳定性。2.3 辊子锥度与稳定性的关系

  在弧形辊道中,锥形辊子的小端位于弯道内侧,大端位于弯道外侧,钢桶在其上移动时,同一根锥形辊子的角速度ω相同,锥型辊子的小端与大端存在位移差,取一根上母线,其在水平面上的运动轨迹覆盖面为一扇形面,详见图7。因为钢桶下面与辊子的上母线贴合,所以钢桶由于锥度δ的原因,在做平动的同时也在做转动。

  从图7中,我们可以看出,当钢桶通过弧形辊道时,钢桶产生的转角为θ ,L大为锥辊子大端展开弧长,L小为小端展开弧长,L为辊子长度。

  通过式(3)可以看出,当辊子小端直径Dm一定时,锥形辊子的锥度角δ 越大,钢桶旋转角度θ就越大,钢桶自身转动越厉害。

  因此在设计弧形辊道时,锥形辊子锥度角δ不宜过大,应根据钢桶实际需要转动的角度θ来计算锥形辊子锥度角δ。

  钢桶的输送是在弧形辊道输送线的承载面上进行的,承载面的平面度将直接影响钢桶运行的稳定性。弧形辊道输送线的承载面是由安装在机架护板上的M个锥形辊子组成,由于护板直线度误差、安装精度误差等原因,每3个相邻辊子间存在一定的高度差Δh,如图8所示。

  ①锥形辊子间存在的高度差Δh导致整个弧形辊道输送线承载面高低不平,当钢桶在其上输送时产生不断跳动,高度差Δh越大,钢桶的跳动幅度越大。

  ②理论上钢桶在弧形辊道上输送时,钢桶的下平面与承载面贴合,即每根辊子的母线都与钢桶面一直保持贴合;但因为高度差Δh导致承载钢桶锥形辊子不在同一平面,不能同时承载钢桶,随着钢桶的移动,承载钢桶的辊子数量时多时少,承载面积不断变化,导致钢桶载荷不能平均分配在每根辊子上,同时导致同一根辊子上的载荷也在不断变化,因而每根辊子的弯曲变形量不尽相同,影响钢桶输送的稳定性。

  ③不同截面处高度差Δh不同,因为从在安装误差,每根辊子的轴线并不完全在同一个平面上,因而导致钢桶的同一位置在不同辊子处与辊子接触的截面位置不同,因为锥形辊子不同截面位置的直径不同,运行线速度也就不同,从而导致钢桶同一位置在经过不同辊子时的速度不同,使得钢桶产生加速度,当加速度达到一定程度时,钢桶会发生偏移,脱离输送轨迹。

  ①影响弧形辊道钢桶输送稳定性主要因素有:辊子的刚性、弧形辊道辊子间的节距、锥形辊子的锥度角和辊子间的高度差。

  3)在向心力满足设计需要的情况下,同过钢桶速度方向转换的角度计算锥形辊子的锥度。间的高度差。

  随着科技的不断进步,生产机械化、自动化程度的越来越高,辊道输送线被广泛应用于机械、化工、冶金、医药、食品、仓库和物资分配等各个领域的流水生产线中。本文通过对弧形辊道处钢桶运行稳定性研究,确定影响弧形钢桶稳定性的主要因素,并得出它们之间的相互关系,提出提高钢桶输送稳定性的设计优化方法,也为其他相关弧形辊道输送线设计优化提供依据和参考。

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