一种橡胶管环切机的设计

魏苏皖,刘 婧,马宇飞,邵殿飞

(巢湖学院 机械工程学院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

中国机械制造行业已经使用数亿吨的橡胶，随着我国工业现代化的高速发展,橡胶切割加工效率和质量也必须不断提高，我国橡胶产业正处于快速发展时期，橡胶加工业略显落后，主要表现为加工效率低、加工精确度不足，加工成本高等。例如，在对橡胶棒料的切割加工时多采用激光切割设备、等离子切割设备等，这类机械切割设备大多需要从外国引进[1]。目前专业切割橡胶管切割机的需求越来越迫切，橡胶机械制造行业要实现可持续发展，应该积极促进橡胶切割加工科研开发技术，尽快满足橡胶切割加工行业发展需求。

针对传统切割设备切割橡胶毛料，加工成本普遍较高，切割效率低问题，笔者在前人研究基础上提出一种橡胶管快速切割机设计方案，通过介绍此橡胶管环切机的工作原理，电机选择,切割系统设计和轴有限元分析，验证了此设计的可行性方案，解决现有问题，为降低生产成本和提高生产效率提供一种新的方法。

1 橡胶管环切机总体结构设计方案

如图1所示，橡胶管环切机构包括箱体，箱体内设有输入轴，输入轴伸出箱体与电机的输出轴固定，并与箱体通过轴承连接，远离电机的一端与主动锥齿轮固定；箱体内竖直设有转轴和固定轴，转轴的两端分别与箱体通过轴承连接，且分别与从动锥齿轮和主动直齿轮的中心固定；从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合连接；固定轴下端与箱体内壁固定，固定轴外套设有从动直齿轮，从动直齿轮与固定轴通过轴承连接，与主动直齿轮啮合连接；从动直齿轮上端对称固定有旋转架，旋转架上端固定有铁制刀具的刀架、电磁铁；固定轴上端固定有电磁吸盘，电磁吸盘上端设有圆柱铁芯；从动直齿轮的轮毂外缘套设固定有电刷铜环和绝缘木环，箱体内底部固定有电刷的电刷支架。

图1 橡胶管环切机的结构图1.箱体 2.放置孔 3.输入轴 4.主动锥齿轮 5.转轴 6.固定轴 7.从动锥齿轮 8.主动直齿轮 9.从动直齿轮 15.圆柱铁芯 16.定位孔 17.电刷铜环 18.绝缘木环 19.电刷支架 21.橡胶管

此次设计要求重点是所设计的装置需连接圆柱大齿轮和刀具并完成同步旋转，如图2所示的旋转架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用4个平头螺钉进行连接。同时刀具的安装采用螺栓进行约束，由于本设计刀具的下刀和还刀动作分别由电磁铁提供吸附力和排斥力来实现，故螺栓仅用于轴向和径向约束。

图2 橡胶管环切机中旋转架的结构图1.旋转架 2.刀架 3.刀具 4.电磁吸盘 5.锥形定位柱 6.电磁铁

2 橡胶管环切机的工作原理

环形切割机的工作流程为：以电动机作为设备原动机，通过联轴器连接圆锥齿轮副改变动力输出方向，经过一级减速装置后带动装配在固定轴上的齿轮，从而刀架旋转带动刀具对橡胶管进行环形切割。刀具下刀和还刀动作主要由刀架上端的电磁铁改变电极所控制。通过以上两组动作相互配合来完成对橡胶管环绕切割的目的。

3 电动机的选择

3.1 电动机计算

查阅文献[2]并根据实际工作要求选定Y系列电机，电机参数见表1。

经查阅文献[3]，选取本设计的切割系统的转速n=90 r/min。

工作机所需功率为：

式中：Pw为切割系统所需功率，kW；T为切割系统阻力矩，N·m；n为切割系统的转速，r/min。

电动机所需功率为：

式中：Pd为动力源所需功率，kW；η为传动组总效率。

传动装置总效率为：

η=η1η25η3η4

由文献[2]中取得传动效率，联轴器η1=0.99、滚动轴承η2=0.99、圆锥齿轮η3=0.97、圆柱齿轮η4=0.98。

η=0.99×0.995×0.97×0.98=0.89

根据常见机械切割设备，取刀具以及主轴上零件的总质量为1250 g,取切割刀片的工作区域为0.5 m。

由文献[2]中选择电动机额定功率：

Pεd=7.5 (kW)

由切割设备转速为90 r/min。

式中：i1′为圆齿轮合理传动比范围2～3；i2′为圆柱齿轮合理传动比范围3～5。

nd=540～1 350 (r/min)

经查阅文献[2]，选定电机型号为Y160M-6，额定功率Pεd=7.5 kW，同步转速n=1 000 r/min。技术参数见表1。

表1 电机主要技术参数

3.2 齿轮设计结论

齿数z1=23，z2=93，模数m=3 mm，齿宽B1=75 mm，B2=70 mm，中心距a=174 mm。

4 切割系统设计

4.1 电磁吸附装置设计

电磁吸附装置用于吸附固定与橡胶管配合后的圆柱铁芯，其组成为铁芯、底壳和线圈，根据实际工作要求确定底壳和铁芯的尺寸，按照工艺要求缠绕相应匝数的线圈，之后完成密封工作。

根据本设计的工作要求选择由文献[4]选择XH-P65型吸盘电磁铁作为主要吸附装置，其参数为D=65 mm，d=26 mm，H=30 mm，L=300 mm，P=13 W，F=800 N，自重600 g。

在安全的使用范围内，通过控制系统使电磁铁完成充磁和退磁的工作，在圆柱铁芯中心开槽，产生其与电磁吸盘配合后的径向约束，提高切割胶管的精确度。电磁吸附装置结构设计如图3所示。

图3 电磁吸盘

4.2 供电装置设计

切割系统的工作方式为环绕切割，采用传统供电方式会产生电线环绕的问题，因此采用电刷系统供电来解决供电问题。电刷系统主要组成为绝缘木、铜环、铁环和电刷。安装位置为大圆柱齿轮凸缘外围。绝缘架由绝缘木制成，由两个铜环内嵌绝缘木内部，并引出导线。结构设计如图4所示。

图4 电刷供电铜环

为保证供电系统稳定，需设计电刷支架支撑电刷，保证电刷与供电铜环稳定连接，设计将电刷支架用螺钉固定在箱体底部，为保证电刷支架稳定，底部设计为圆形，通过四个螺钉进行固定。结构设计如图5所示。

图5 电刷支架结构设计

4.3 旋转刀架部分

根据本设计的实际工作要求，需设计一种装置来连接圆柱大齿轮和刀具并完成同步旋转，故设计了如图6所示的旋转刀架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用4个平头螺钉进行连接。同时刀具的安装采用螺栓进行约束，由于本设计刀具的下刀和还刀动作分别由电磁铁提供吸附力和排斥力来实现，故螺栓仅用于轴向和径向约束。结构设计如图6、7所示。

图6 旋转刀架主视图

图7 旋转刀架俯视图

5 轴有限元分析

使用Solidworks软件的Simulation模块对传动系统中的中间转轴进行静力学分析和疲劳分析。中间轴的三维模型如图8所示。

图8 中间轴三维模型 图9 中间轴有限元模型

在Simulation模块中创建一个新算例并选择类型为静应力分析。

选择材料属性为E=2.05×1011Pa，ε=0.29，ρ=7 850 kg/m3，σ=530 MPa的45#钢为定义轴材料。添加正确的夹具约束以模拟转轴的受力情况，点击夹具顾问选择固定几何体夹具并添加至小圆柱齿轮安装位置及长键槽处，完成约束以完成边界条件的设置。由表2得知中间轴输入扭矩TⅡ=166.49 N·m，将扭矩添加置大圆锥齿轮安装位置及短键槽处。选择网格控制调整局部网格细化添加至短键受力面，定义整体网格密度为良好，雅可比点为4点，采用高品质网格单元，生成网格，网格单元大小为2.931 1 mm，节点数为165 879，单元总数为115 901。生产有限元模型如图9所示。

表2 各轴动力参数

6 试验效果

橡胶管环切机采用旋转双刀架，刀架用于安装固定刀具，并约束刀具的工作范围，工作时电磁铁吸附刀架使刀具压紧待切割橡胶管，完成下刀动作，通过齿轮的旋转带动旋转刀架进行环绕式切割的方法，从而相较于传统切割机提高了效率及切割过程稳定性。电磁吸附装置用于吸附固定与橡胶管配合后的圆柱铁芯，实际工作过程中，用顶尖螺柱对铁芯进行径向约束，同时将电磁吸盘与固定心轴组合固定，在这一过程中，验证了电磁吸盘固定切割件，无需专用夹具的问题。由于在切割系统的工作方式为环绕切割，如果采用传统供电方式会产生电线环绕的问题，而此设计将导线内嵌与电刷系统的绝缘架内并固定于箱体底部，从而避免了电线缠绕的问题。

7 结 语

我国橡胶机械产品加工生产量与销售额均呈现逐步增长趋势，在国际市场竞争激烈加剧的背景下，提升橡胶机械加工产品的质量、等级、档次是重中之重。因此提高设备技术水平及精度是促进橡胶生产更新换代的必经之路[5]。

通过此次对橡胶管环切机的试验，达到了操作过程简化的目标，提高了切割机的加工效率。新型橡胶管环切机结构简单，不仅生产成本低，采用双刀进行环绕式切割，还大大提高了切割过程稳定性，同时电磁吸盘固定吸附切割件，无需专用夹具，电刷系统为电磁铁供电，避免电线缠绕问题，为以后橡胶切割领域提供技术参考。