成圈包膜设备成圈头的结构设计和分析

王新宇，武 凯，王 强，周 迟

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

1 引言

电线电缆行业在国家经济建设中占据了极为重要的地位，作为仅仅位于汽车工业之后的第二大机械产业，其产值达到了中国电工行业产值的1/4，其年总产值更是占据了国内生产总值的（1～2）%[1]。全球的包装机械的需求量每年大致以5.3%的速度增加[2]，欧美等国包膜技术采用的是全包装冷塑包膜，韩国、泰国等国家则更青睐于扎带替代包装膜，而我国则主要采用环绕包膜[3-4]。

针对成圈头的成圈过程，从上世纪八十年代以来我国有很多知名学者和专家对成圈头进行了大量的研究和改进，取得了显著成果。文献[5]设计了一种折叠式成圈头，并在此基础上进行改进[6]。文献[7]设计了一种偏心轮式成圈头。但是总体水平和欧美等先进国家相比还存在不小的差距，并且成圈效率并不高，不能满足现代化设备的成圈要求，并且在成圈阶段浪费了大量的人工和成本，并且检测合格率一直处于很低的水平。因此重新设计电线电缆成圈包膜设备的成圈头装置对其产品乃至行业的发展都具有重要意义。我们此次设计了一种新型成圈头，使其提高成圈效率，并且实现自动化成圈。结合Solid Works软件，建立成圈头的三维模型，并且依据实际使用和操作情况对其关键部件进行强度校核，为电线电缆的全自动成圈包膜生产提供帮助。

2 成圈头模型建立

目前全自动化成圈包膜生产线中成圈头要肩负着越来越多的使用要求，其中主要要实现成圈包膜过程中压线、高速成圈、自动脱离等功能，经过反复研究对比，研发了由卡爪、活动盘、转轴、定位筒、导轨等部件组成的新型成圈头。参与完成自动成圈包膜工作的成圈，打饼等几个环节的工作。

新型成圈头的三维建模模型，如图1所示。本设计的成圈头有两种状态，一种是原始状态，一种是出线状态，如图2、图3所示，其分解爆炸视图，如图4所示。

图1 成圈头模型Fig.1 Round Head Model

图2 成圈头原始状态Fig.2 Original State of Round Head

图3 成圈头出线状态Fig.3 Outlet Status of Round Head

图4 成圈头模型爆炸视图Fig.4 Exploded View of Round Head

3 新型成圈头工作原理

主轴1上端与伸缩气缸相连，如图5所示。通过主轴可以带动整个成圈头进行竖直方向的伸缩运动，紧钉螺钉7和套筒9与主轴直接相连。定位盘12，定位筒4，调节环6，饼盘主体13相互固定。饼盘主体13通过铰链5与连接块3相连，而连接块3和活动板2相连。上卡爪10通过弹簧间接与饼盘主体相连。

成圈开始时，气缸带动整个成圈头向下运动，此时由于重力作用上卡爪10与紧钉螺钉相接触，主轴承载整个成圈头的重量。当活动板底部和工作平面接触，上卡爪和隐藏在工作台下面的下卡爪相啮合时，弹簧受到工作台的挤压，导致上卡爪10和紧钉螺钉分离，此时主轴也和整个成圈头主体分离，在接下来的工作中将不再运动，直到复位阶段。由于重力作用一方面电线的头部会被压在成圈头活动板2的下方并且与活动板几乎不会产生相对位移，另一方面活动板2的口径会由于挤压向外扩张（此时铰链5由于压力作用而张开），本设计通过铰链连接实现调节线圈口径和线圈自动脱出功能。下卡爪和电机相连，带动上卡爪旋转，此时上卡爪带动除主轴1，紧钉螺钉7，套筒9以外的部件旋转，达到电线成圈的目的，调节环6的设计会有效保证电线圈的宽度在预先设定的数值之内。当成圈过程结束后，电机停止转动，气缸带动主轴1乃至整个成圈头向上复位，整个成圈头的重量再次通过上卡爪10和紧钉螺钉11的接触由主轴承载。此时由于活动板2和工作台不再有相互作用力，由于重力作用铰链5不再张开，而是自然下垂，活动板2的口径变小，线圈自然的从活动板外围脱落。到此为止线圈成圈完成，由此实现全自动的成圈功能。

图5 成圈头工作原理图Fig.5 Working Principle of a Round Head

4 成圈头主要部件强度校核

4.1 成圈头上层轴承的选择与校核

成圈头有两处需要轴承连接，全部集中在其转动主轴上分析轴承的作用与受力特点，参考[8]《机械设计手册》（第4版）表7-2-2给轴承选型。主轴底部的轴承经过分析主要承受径向载荷，径向载荷主要来源于成圈头成圈时产生的收线力，一般小于100N，主轴几乎不承载轴向载荷，轴向载荷十分微小，且轴向载荷的来源主要来自成圈头转动部件的自重，一般小于80N。在满足使用需求的前提下，以使用单位的经济性为出发点，选用深沟球轴承，参考[9]《机械设计手册》（第4版）表7-2-53，初步选取代号为6906-2Z的深沟球轴承其参数为：

d=30mm，Cr=30mm，C0r=30mm，

根据设计选择电机额定的转速为：n=1500r/min

承受径向载荷为：Fr=100N

额定使用寿命：Lh=5000h

下面对试选轴承进行校核计算：

查阅手册得相对轴向载荷公式为：

式中：Ca—相对轴向载荷；Fa—轴向载荷（N）；i—轴承中滚动体的列数；Z—单列轴承中的滚动体数；Dw—滚动体直径（mm）。

（1）Fa=80N

（2）i=1；

（3）Z=14；

（4）Dw=4.762mm

将（1）～（4）数据代入式（1）计算得：

参照《机械设计手册》（第4版）表7-2-51得：

径向当量动载荷公式

数据放入式（2）得：Pr=XFr+YFa=0.56×100+2.1×80=224N

参考[10]《机械设计手册》（第4版）表7-2-8～表7-2-11得：

查阅手册得轴承额定动载荷公式为：

数值带入式（3）得：

6906-2Z轴承Cr=7200N＞1885.27N，因此预选成功。

查手册得轴承径向当量静载荷公式

把相应数据带入式（4）得：

在计算选型回转支撑的过程中，需要计算出折臂式铁钻工在工作过程中的静载荷和动载荷，并需要将计算得出的回转支承当量中心轴向载荷Fa与回转支承当量倾覆力矩M转化为量载荷F'a和M'。

因此深沟球轴承6906-2Z满足使用需求。

4.2 成圈头下层轴承的选择与校核

依据成圈头的成圈原理，主轴另一处轴承将承受径向力以及比较大的轴向力，分析轴承的受力特点参考《机械设计手册》（第4版）表7-2-48对轴承选型，选用推力球轴承与深沟球轴承配合的方法，两轴承间使用隔套互相连接，隔套与深沟球轴承接触一端只与深沟球轴承外圈接触，因此，成圈部件的轴向力全部由推力球轴承承受，径向力全部由深沟球轴承承受。成圈头的轴向力来源于气缸的推力，径向力来源于成圈绕线时的剪切力。根据预先选择的气缸类型，轴承承受的理论轴向载荷Fa=3141N，径向载荷为，Fr=100N根据主轴结构，参照《机械设计手册》（第4版）表7-2-53和表7-2-82，试选深沟球轴承代号6006-2Z，推力球轴承代号51206，下面对试选的轴承进行校核计算：

由于轴承采用组合方式，参照轴承特性，施加给深沟球轴承的轴向力全部集中于外圈上，因此深沟球轴承不受轴向力的作用，仅受径向力的作用，深沟球轴承的径向载荷为Fr=100N，依照《机械设计手册》（第4版）表7-2-53知6006-2Z深沟球轴承的额定静载荷C0r=8.3KN，额定动载荷C0r=13.2KN，均大于轴承所承受的径向载荷Fr=100N，极限转速n=11000r/min＞1500r/min，因此深沟球轴承6006-2Z满足使用要求。

推力球轴承只受轴向力作用，实际生产过程中简化假设：

轴向力恒定为：Fa=3141N

转速：n=1500r/min

轴承寿命：Lh=5000h

参考《机械设计手册》（第4版）表7-2-8～表7-2-11得：

带入式（3）得：

选用51206型轴承：Ca=28000N＞26435.82N，极限转速n=3200r/min＞1500r/min，满足要求。

式中：Famin—载荷最小值（kN）；

A—最小载荷常数（kN）；

n—转速（r/min）。

参考《机械设计手册》（第4版）表7-2-81得A=0.016，且已知n=1500r/min，带入式（5）得：F≥0.016× （15 0 0）2=0.036=36Namin1000

轴承在工作中始终承受轴向载荷P（r3141N）大于Fam（in36N），轴承不需要预紧，轴承承载力满足要求。

5 结论

（1）设计了一种符合自动化高速生产的新型成圈头，可以满足现阶段生产的需要，迎合未来发展的趋势。（2）依照《机械设计手册》（第4版）对所设计成圈头所需核心部件轴承进行预选型，并且对其进行强度校核，在保证经济性的前提下得到强度在许用范围内且满足使用需求的轴承型号，为实际生产提供理论保证。本设计为电线电缆行业全自动成圈包膜设备成圈头的设计提供了一种新思路，对于提高电线电缆成圈包膜设备的工作效率和成圈精度具有一定的指导意义，有利于电线圈的实际生产。