技术 | 纤维包自动除带及拆袋机剪带装置设计
一、引 言
前期我们提出了一种面向直行往复式抓棉机的纤维包除带及拆袋机设计（见图1），其主要由第一和第二抱夹车、纤维包输送机、钩带装置、剪带装置、废带收集装置（2个）、割袋装置、夹袋装置等构成。
其主要工作步骤为：第一抱夹车将打包带与包装袋未除去的纤维包放置在纤维包输送机上，将其输送至除带工位；钩带装置与剪带装置配合工作，将纤维包上的全部打包带剪断并由废带收集装置收集；纤维包输送至割袋装置，后者将纤维包包装袋的底面及侧面割开；夹袋装置将已被割开的包装袋取下并由废袋收集装置进行收集；第二抱夹车将纤维包搬运至排放位置。
1-第一抱夹车，2-纤维包输送机，3-钩带装置，4-剪带装置，5-废带收集装置，6-割袋装置，7-夹袋装置，8-废袋收集装置，9-第二抱夹车。
图1 纤维包除带及拆袋机总体结构示意图
为将纤维包外部的包装袋去除，必须先将捆扎在纤维包外部的打包带去除和收集。打包带的去除和收集主要由纤维包输送机、钩带装置、剪带装置和废带收集装置配合完成（见图2），其中钩带装置和剪带装置是去除打包带的核心装置。为此，本文对其进行了设计。
1-废带收集箱，2-废袋输送机，3-钩带装置，4-纤维包输送机，5-剪带装置。
图2 打包带去除和收集装置结构示意图
二、钩带装置与剪带装置的结构
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(a) | (b) |
1-箱体运载机构，2-箱体，3-钩带头运载机构，4-钩带头，5-卷簧，6-勾玉状扳机开关，7-勾玉状扳机开关连接件，8-钩带压板，9-拨叉，10-滑台气缸
图3（a）钩带装置与（b）钩带头
图3示出了钩带装置的结构，其包括钩带头、钩带头运载机构、箱体和箱体运载机构等。其中，钩带头用于钩取打包带，其由钩带压板、滑台气缸、拨叉、卷簧、分隔板、勾玉状扳机开关及其连接件等构成。滑台气缸安装在钩带压板上顶面上，拨叉安装在钩带压板内侧面，勾玉状扳机开关连接件安装在滑台气缸的滑动体上，以实现自身的横向移动。勾玉状扳机开关安装在勾玉状扳机开关连接件上，同时，开关闸位于拨叉中间位置，卷簧安装在勾玉状扳机开关上，以实现开关的自动复位。至此，滑台气缸能够通过勾玉状扳机开关连接件带动勾玉状扳机开关以及卷簧横向移动，以使拨叉拨落勾玉状扳机开关闸上的打包带。
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(a) | (b) |
14-底板，13-滑轨，12-齿条，4-钩带头连接件，11-滑块，10-电机，9-电机底座，15-齿轮
图4（a）钩带头运载机构与（b）箱体运载机构
钩带头运载机构和箱体运载机构的结构如图4所示。钩带头运载机构包括底板、钩带头连接件、滑轨、滑块、齿条、齿轮、电机底座以及电机（含减速器，下同）。钩带头运载机构用于带动钩带头上下移动，其中，滑轨和齿条安装在底板上，电机底座通过滑块安装在滑轨上，以辅助其上下移动，电机安装在电机底座上，齿轮安装在电机的输出轴上，并与齿条相啮合。至此，电机带动齿轮旋转，继而沿齿条上下移动，即带动电机底座、钩带头连接件及钩带头等上下移动。箱体运载机构用于带动箱体横向移动，完成钩带装置靠近、远离纤维包的功能。箱体运载机构包括底板、滑轨、滑块、齿条、齿轮、电机底座及电机。其中，滑轨和齿条安装在底板上，钩带装置箱体通过滑块安装在滑轨上，以辅助其横向移动，电机底座安装在箱体内部，电机安装在电机底座上，齿轮安装在电机输出轴上并与齿条相啮合。至此，电机带动齿轮旋转，继而沿齿条横向移动，即带动电机底座、箱体等横向移动。钩带头运载机构通过底板安装在箱体上，因此也实现了横向移动功能。
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(a) | (b) |
1-剪带头，2-剪带头运载机构，3-箱体，4-箱体运载机构，5-旋转刀具，6-固定刀具，7-剪带头罩体，8-旋转气缸，9-气缸连接件
图5（a）剪带装置与（b）剪带头
图5示出了剪带装置的结构，其包括剪带头、剪带头运载机构、箱体和箱体运载机构等。其中，剪带头用于剪断打包带，其由固定刀具、旋转刀具、剪带头罩体、旋转气缸及其连接件等构成。旋转气缸安装在剪带头罩体上，气缸连接件一端连接旋转气缸的输出轴，另一端与旋转刀具连接，旋转刀具与固定刀具的表面贴合。至此，旋转气缸通过气缸连接件带动旋转刀具旋转，旋转刀具与固定刀具相配合完成剪切功能。剪带头运载机构和箱体运载机构的组成与钩带头运载机构和箱体运载机构的组成一致，剪带头运载机构用于带动剪带头上下移动，箱体运载机构用于带动箱体横向移动，完成剪带装置靠近、远离纤维包的功能。
三、剪带头旋转气缸选型
由于绝大多数材料的抗剪强度均小于抗压强度，因此本设计中采用剪切而非压溃的方式实现打包带的剪断。本设计选取旋转刀具与固定刀具配合、旋转刀具绕刀柄上一点旋转完成剪切的方案。由剪应力计算式：
式中，τ为剪应力，FS为作用在剪切面上的外力，A为剪切面面积。设打包带宽度为19 mm，厚度为1.4 mm，出于计算简便与安全性考虑，在计算剪带动作所需的输出力时，剪切面面积按照A=1.9 mm×1.4 mm=26.6 mm2计算。设打包带为聚酯材料，其极限剪切强度[τ]=5 MPa，则所需输出力为：
本文采用旋转气缸驱动剪带头旋转刀具的旋转剪切动作，设旋转刀具的有效工作长度为60 mm，则旋转气缸输出转矩应满足：
为此，本文选用CHELIC RTB100型旋转气缸，其主要参数如表1所示。
四、剪带头运载机构设计
4.1 电机选型
剪带头运载机构的任务为承载剪带头完成上下移动。上移过程的工作负载主要为剪带头及附属部件的重力，下移过程的工作负载主要为剪带头与纤维包之间的摩擦力与剪带头重力的差值。
剪带头及附属部件的质量约为3 kg，一般电机的质量为25 kg，则上移过程的工作负载为：
剪带头实现剪带工作的前提是使剪带头的固定刀具进入捆扎在纤维包外的打包带与纤维包之间，这要求剪带头压入纤维包一定深度。参照GB 6975-2007《棉花包装》国家标准，塑料包装袋的拉伸强度在25 MPa左右，取纤维包被塑料包装袋包裹而产生的内部压强为塑料包装袋拉伸强度的10%，即2.5 MPa，则剪带头压入棉包一定深度所需要的正压力约为：
设塑料包装袋为聚乙烯材料，其与钢材间的滑动摩擦系数为：μ=0.1，计算得到剪带头与棉包间的滑动摩擦力为：
因此，下移过程中剪带头运载机构的工作负载为：
剪带头运载机构采用电机配合齿轮齿条作为驱动，因此，电机的最大工作负载即为F2。根据电机最大工作负载计算电机输出功率的公式为：
式中：Pd为电机所需的输出功率（kW），Pw为执行机构所需的工作功率（kW），η为电机到执行机构间传动装置的总效率，F为最大工作负载（N），v为执行机构的工作速度（m/s）。
查询相关机械手册，选取传动装置的总效率为η=0.95，剪带头移动速度为0.3 m/s，最大工作负载为F
2，则电机工作的输出功率为：
为此，选取型号为Y80M2-2的标准电机，电机参数如表2所示。
4.2 齿轮齿条设计
（1）根据齿轮齿条的工作环境和要求，选择齿轮齿条的精度等级为8级精度，齿轮的材料为40Gr，硬度250HBS、齿条材料为45钢，硬度220HBS；
（2）初定齿轮齿数Z=30；
（3）按照接触强度计算齿轮的公称直径：
式中，d1为齿轮公称直径（mm），K为载荷系数，T1为齿轮传递的扭矩（N·mm），φd为齿宽系数，u为齿数比，zH为区域系数，zE为齿轮材料的弹性系数，[σH]为齿轮材料的许用接触应力（MPa），其中，
式中，kHN1为齿轮材料的接触疲劳寿命系数，σHlim1为齿轮材料的接触疲劳强度，sH为安全系数。上述相关参数查询机械手册如表3所示：
代入参数求得齿轮的公称直径为d1≥47.9 mm，再根据齿数计算得齿轮模数m≥1.6，因此取齿轮模数m=2，则齿轮公称直径d=60 mm。
（4）按照弯曲强度校核齿轮强度：
式中，σF为弯曲应力（MPa），b为齿宽（mm），YFa为齿形系数，YSa为应力修正系数，[σF]为齿轮的许用弯曲应力（MPa），其中，
式中，kFN1为齿轮的弯曲疲劳寿命系数，σFlim1为齿轮的弯曲疲劳强度，sF为安全系数。上述相关参数查询机械手册如表4所示：
代入参数有：
因此，齿轮的弯曲应力小于其弯曲应力极限，齿轮齿根弯曲强度满足要求。
综上所述，所设计的齿轮齿条的参数如表5和表6所示。
五、箱体运载机构设计
箱体运载机构的任务为承载整个剪带装置完成横向水平移动，并使剪带头压入纤维包一定深度。因此，箱体运载机构的工作负载为剪带装置移动时的动摩擦力和使剪带头压入纤维包一定深度所受到的正压力。
箱体运载机构所承载的总质量约为110 kg，底部滑块与滑轨之间的动摩擦系数的理论值在0.01-0.02之间，但在实际应用中，由于安装平行度、为消除间隙采取的预紧等因素，其值会比理论值大很多，因此，通常按照0.15进行核算。则剪带装置移动时的动摩擦力为：
则箱体运载机构的工作负载为：
箱体运载机构同样采用电机配合齿轮齿条作为驱动，因此，电机与齿轮齿条的选型设计与剪带头运载机构中电机与齿轮齿条的选型设计大体一致，计算过程在此不再赘述。最终选择型号为Y132S2-2标准电机，电机参数如表7所示。设计计算得到的齿轮齿条的参数如表8所示和表9所示。
六、结 语
本文介绍了一种面向直行往复式自动抓棉机的纤维包拆袋机的钩带装置和剪带装置的结构，对剪带装置进行了设计，包括剪带头旋转气缸选型、剪带头运载机构设计、箱体运载机构设计等。该装置采用自动化的机械装置完成纤维包的除带工作，为有效替代传统的人工除带工作提供了解决方案。
作者：裴泽光 刘琰 陈俊鹏 东华大学机械工程学院
编辑：中国纱线网新媒体团队
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