自动切管机的软带式送料机构的设计选型★

徐 锋， 朱 健

（南京工业职业技术学院， 江苏 南京 210023）

引言

各种形状和规格的管材是许多企业常用的原材料，而不同的产品零件需要的管材型号、尺寸都不相同。切管机作为半成品加工工具，使用频率非常高，他的效率会直接影响成品的加工效率。一般的厂家需要很多种不同大小、形状、长短、材料等的管材，往往都是人工去操控切管机加工不同的管材。现有切管机没有自动送料部分，需要人工将管料送入切管机并且校零，不仅需要人工全程值守，而且速度慢，劳动强度高。应企业要求对现有切管机进行自动化改造，升级部件分为3个部分，送料部分、定位部分和分拣部分。自动送料部分负责将管材送到切管机并且具备储料功能，上料方式为叉车上料。

1 送料部分技术要求

送料部分机构不仅可以兼容直径22 mm以下的管材，还可兼容最高55 mm管径的管材，管材截面形状不限。送料速率和切管机匹配，最高速度可达每分钟输送10根管材。如表1所示，列出了该公司需要在管切机上加工的管料种类及大小参数。

表1 各类管材基本参数

2 软带式送料料仓方案

管料不同于普通物料，由于管料长、质量大，且形状各异，在料仓中很难通过自身重力依次从出料口出料。如果设计成堆叠形式的料仓，就不可能通过间歇机构将管料分离，管料想要一根根分离，最好让其排成一排，没有堆叠，这样管料既能依次下落，又不至于互相摩擦影响外观质量。在这里采用软袋提升料仓的底部，使管料“满”出料仓，管子就会一根根滚进进料口，送到切管工位[1]。如图1所示，软带一端固定在支撑点上，另一端由电机减速器牵引，软带中间有支撑辊轮支撑成V形料仓。

图1 整体方案图

3 总承重估算及底座结构选择

根据设计要求，以料仓放置一次最多30根圆管为例，按照最大管径50 mm、厚度1.2 mm、长度6 m、钢材密度7.85 g/cm3计算。

根据无缝钢管质量m计算公式：

得：

式中：d为钢管厚度；L为管长；R为外径；r为内径。

带入数据得：m≈8.664 kg。

所以单根圆管的质量约8.664 kg，则30根大约260 kg，其他机构预计合约100 kg。合计约360 kg，安全系数1.5，则设计称重为540 kg。同理可得其他种类的管料单根重量和最大根数，如下页表2所示。

根据计算，圆管管径不大于25 mm的和方管、矩形管长宽和不大于40 mm的可以放置60根；圆管管径大于25 mm和方管、矩形管长宽和大于40 mm且不大于76 mm的可以放置30根；方管、矩形管长宽和大于76 mm的可以放置20根。

表2 各型号管料质量及最大放置根数

由于负重不足1 t，属于轻量级，所以采用普通机架机构。为了便于焊接和安装，采用矩形管作为主体材料。管长6 m，至少4个支撑点才能保证管材不变形，考虑到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料仓，采用4组相似的支撑架作为料仓[2]。

4 料仓上料软带部分设计计算

上料部分采用软带拖动式，软带近似受力如图2所示。由于负重不足1 t，属于轻量级，所以采用普通机架机构。为了便于焊接和安装，采用矩形管作为主体材料。管长6 m，至少4个支撑点才能保证管材不变形，考虑到有方管和矩形管，不能使用完整面形式料仓，采用4组相似的支撑架作为料仓[3]。

图2 软带近似受力示意图

软带受管材重力，两端分别连接机架和电机，受力点两端力的合力等于管料总重力，当管料被抬升，所需的力越大，直到管料被送入斜面料仓，30根直径50 mm圆管自然堆叠大约高250 mm，简化模型后即管材下端上升到距离斜面250 mm时力最大。此时需要计算软带与水平面的夹角[4]，简化后的数学模型如图3所示。

左端机架高度为1 500 mm，右端斜面高度约1 130 mm，所以提升后右边高度为1 500-1 130+250=620 mm。

根据三角函数得:

图3 软带受力数学模型

计算得 x=712.6。则有：tanα≈0.87，sinα≈0.65。

又有

带入数据得F=3 000 N。

两根软吊带受主要力，每根主软带承受力约为1.5 kN。为确保安全，选择2 t的尼龙软带。

根据图2，计算软带长度，直接让软带沿着机架，约为3 760 mm。所以选择4 m长软带，宽度为50 mm，厚度为12 mm的尼龙软吊带。

5 电机减速器选型

上料电机是用来牵引软带，使管料提升，所以电机所需要提供的力等于所有软带受到的力，每根1.5 kN，所以电机需提供最大6 kN的力[5]。

设计上料速度为10 s每次，10 s内电机绞完约2 m的软带，所以电机需要绞动软带以约0.2 m/s速度运行。那么所需功率P=6×0.2=1.2 kW，滚筒直径设计为100 mm，周长100×3.141 5=314.2 mm，按照200 mm/s，转速应为38.1 r/min。选择普通三相异步交流电机，4极电机，额定转速为1 440 r/min，则减速比为1 440/38.1≈38。

变速箱效率约85%，所以电机额定功率至少应为1.5 kW。

下面计算扭矩，滚筒直径100 mm，软带全部绞上的直径约R，则得

式中：R1为滚筒受最大扭矩时的半径；r1为滚筒半径；x为软带长度，为图3中两个斜边长度的和，即：

将数据代入式（4）得R1≈87 mm。

力3 kN，则单轴扭矩为261 N·m。因此减速电机要提供522 N·m扭矩，那么按照上文减速比倒推电机扭矩，为13.8 N·m。

依据扭矩需求，从中选择2.2 kW电机，由于工业三相电频率是50 Hz，所以该电机转速1 420 r/min，转矩 15.6 N·m，可选择电机型号东力GL40-2200-40S3-M-G1-LB。滚筒直径100 mm，电机转速1 420 r/min，减速机同样选择减速比为40的减速机，该减速机在380 V三相电机带动下输出转速为37.5 r/min，在2.2 kW电机驱动下可以提供最高530 N·m的转矩，符合要求。

5 结论

该自动切管机的软带式送料机构适合多种型材的自动上料，同时最大限度地保证了管料到表面质量，实用性强。软带式送料机构上四根软带的一端被固定在支撑点上，另一端由电机减速器牵引，软带中间有支撑辊轮支撑成V形料仓。该软带式送料机构能自动将各类型的管材送至切管机并且运行平稳，满足设计要求。