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新一代磨針機的研制

陸前明、陸坤彬 

金輪針布（江蘇）有限公司

0      前言

磨針機是生產(chǎn)紡織梳棉機用彈性蓋板針布的主要設(shè)備之一，用于將彈性蓋板針布磨出鋒利度，磨出平整度，磨針機運行的精度和穩(wěn)定性直接影響到彈性蓋板針布的平整度和鋒利度。我公司對磨針機的研制十分重視，從1998年開始研制第一代多磨頭磨針機以來，已經(jīng)連續(xù)研制了三種型號的磨針機，本文就最新一代（第4代）磨針機作一簡要的介紹。

1      新一代磨針機的主要特點

磨針機采用多磨頭同時工作，大大縮短了磨針工序的時間，同時減輕了工人的勞動強度。在裝備上采用了多種先進技術(shù)。新一代磨針機機械部分主要做了以下改進：（1）增加了相互連接的機架底框，使機架的剛度有了較大的提高；（2）取消了導(dǎo)軌上磨頭換向的齒輪箱，改成了電動機正反換向，減少了導(dǎo)軌的重量，使傳動更加穩(wěn)定、可靠；（3）導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)改用球形浮動頭，使調(diào)整更加方便；（4）壓磨頭傾斜安裝在側(cè)磨頭上，并設(shè)計了較好的吸塵罩，改善了工作環(huán)境。多磨頭磨針機示意圖如圖1、2所示。

圖1    磨針機的正面示意

圖2    磨針機的側(cè)面示意

大滾筒的傳動采用變頻減速電機直接帶動大滾筒，采用變頻驅(qū)動的形式。該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、大滾筒不受徑向拉力。同時還具有：（1）降低設(shè)備啟停時的電流沖擊；（2）降低直接啟動造成的突然的加減速對設(shè)備機構(gòu)的影響，提高了設(shè)備的精度穩(wěn)定性；（3）實現(xiàn)了高效率的無級變速能力，拓寬了設(shè)備的工藝靈活性。

由于大滾筒是一個高慣量部件，為了提高工作效率，在停車時采用能耗制動外加液壓盤式制動器聯(lián)合制動的方式。在高轉(zhuǎn)速時采用能耗制動，將大滾筒的轉(zhuǎn)速降低到一個較低的速度后，再啟動機械制動。采用這種制動方式降低了高轉(zhuǎn)速時機械制動產(chǎn)生的較大沖擊。提高了設(shè)備精度穩(wěn)定性。

上下磨頭拖板的橫移控制是通過直接安裝在導(dǎo)軌頭部的兩臺變頻減速電機來實現(xiàn)的。具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動效率高，速度控制精度高?？筛鶕?jù)工藝需要十分方便的改變速度配比。

在上下導(dǎo)軌的磨頭拖板上安裝的磨頭具有平磨、粗側(cè)磨、精側(cè)磨、壓磨等多功能磨頭，可以在不停機的情況下一次磨完整卷針布?？梢栽诰€修磨頭/磨片，大大提高了工作效率。原來老磨針機磨完一卷針布需要大約8個小時，采用新磨針機后，只需4個小時即可完成一卷針布的磨礪。磨頭電機的驅(qū)動也全部實現(xiàn)了變頻傳動，可根據(jù)磨片的直徑、粒度等情況選擇不同的轉(zhuǎn)速。提高了工藝控制的靈活性、精細度。

同時我們對磨頭的進給控制也嘗試性的采用了伺服進給，能遙控磨頭的進給，提高了進給的精度，在緊急情況下可快速后退，保護了針布。

安裝了自動糾偏裝置。保證針布在磨礪時的游移距離小于20 mm，有效地避免了針布游移造成的魚鱗狀花紋和尖劈角的左右不對稱。

2      主要傳動部件的設(shè)計計算

磨針機滾筒直徑2 m、最大重量1.8 t，最高轉(zhuǎn)速28 r/min。

2.1     大滾筒的傳動計算

2.1.1    大滾筒傳動功率計算

傳動功率^［1］：P=Mω_α   （1）

式中：ω_α為角加速度；M為大滾筒的質(zhì)量。

設(shè)大滾筒以1秒的時間從0加速到28 r/min。

則傳動功率：P₁=1800×2.93=5.3  kW

選用功率5.5 kW的三相異步電機帶動。

2.1.2    制動轉(zhuǎn)矩的計算

大滾筒的慣量為^［2］：

J=(m/2)×(R²₀+R²₁)         （2）

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；m為滾筒質(zhì)量；R₀為滾筒內(nèi)徑；R1為滾筒外徑。

計算得：J=1.4×10⁷（kg/cm²）=1.4×10³（kg/m²）

制動時，當從較高轉(zhuǎn)速停止時，首先采用能耗制動。將大滾筒轉(zhuǎn)速在6 s內(nèi)從28  r/min降低到3 r/min，則能耗制動的制動轉(zhuǎn)矩為^［3］：  

式中：M₁為能耗制動轉(zhuǎn)矩；J為大滾筒轉(zhuǎn)動慣量；n₁為能耗制動后轉(zhuǎn)速；n₂為能耗制動前轉(zhuǎn)速；t₁為能耗制動時間。

根據(jù)經(jīng)驗公式和市場上的制動電阻規(guī)格計算和選擇合適的制動電阻，選擇75 Ω/1 kW的電阻。

當大滾筒轉(zhuǎn)速低于3 r/min時，直接采用機械制動。此時要求大滾筒能在1秒內(nèi)迅速停止，則制動轉(zhuǎn)矩為^［3］：

式中：M₂為大滾筒機械制動轉(zhuǎn)矩；J為大滾筒轉(zhuǎn)動慣量；n₃為滾筒機械制動前速度；n₄為滾筒機械制動后速度；t₂為機械制動時間。

制動盤直徑900 mm，選用兩個制動鉗，則每個制動鉗制動力^［4］為：

式中：F₁為制動鉗的制動力；M₂為大滾筒的機械制動轉(zhuǎn)矩；K₁為安全系數(shù)；d為制動盤的直徑。

根據(jù)市場上的成熟產(chǎn)品選擇制動器。

2.2     上下導(dǎo)軌的傳動計算

絲桿螺母之間的摩擦系數(shù)取μ₁=0.09；拖板與導(dǎo)軌均為鑄件，滑動摩擦系數(shù)取μ₂=0.3；拖板部分總重f₁=1000 kg，其他阻力忽略不計；最高轉(zhuǎn)速n_max=28 r/min，機械效率取η=0.5。

運動阻力^［5］：

F₂=μ₂×f₁×g=0.3×1000×9.8=3000 N （5）

螺旋升角^［6］：

λ=arctg［S/(π×d₁)］= arctg［36/(3.14×54)］=11.98    （6）

當量摩擦角^［7］：

θ=arctg［μ₁/cos(α/2)］= arctg［0.09/cos(30/2)］=5.33       （7）

驅(qū)動轉(zhuǎn)矩^［8］：

M₃=［d₁×F₂×tg(λ+θ)］/2=［54×3000×tg(11.98+5.33)］/2=25.3N·m    （8）

驅(qū)動功率^［9］：

上述各式中各字母的含義如下：S為絲杠導(dǎo)程；d₁為絲杠直徑；α為絲杠螺紋角度。

由于磨針工作時，產(chǎn)生的橫向阻力無法計算，因此根據(jù)經(jīng)驗值和在現(xiàn)有機器設(shè)備上的實際測量，選擇驅(qū)動電動機的功率。

3     糾偏原理

在磨針機的一側(cè)安裝光電檢測探頭，見圖3、4。

圖    3

圖    4

用于檢測底布的邊沿，采用A、B兩個光電開關(guān)，實現(xiàn)對邊控制。當光電開關(guān)A、B均被遮擋，說明底布向左偏移。通過伺服電機控制張緊輥左側(cè)的調(diào)節(jié)絲桿，使底布左側(cè)的張力增大。經(jīng)過一定的時間后，底布會逐漸向右移動，達到正常位置。如果A、B兩個光電開關(guān)均未被遮擋，說明底布偏右側(cè)，需要將右邊的張力加大。伺服電機選用具有轉(zhuǎn)矩輸出功能的伺服，即以伺服的輸出轉(zhuǎn)矩為保護措施，如當左側(cè)的張緊力超過伺服設(shè)置的輸出轉(zhuǎn)矩時，左側(cè)的伺服電機停止運轉(zhuǎn)，右側(cè)的伺服電機運轉(zhuǎn)，降低右側(cè)的張緊力。這樣，底布自然會往張力低的一側(cè)移動，達到糾偏控制。同時也安裝了位置限位保護開關(guān)。

另外，在控制上，設(shè)置手動/自動切換開關(guān)。在手動模式下，仍然可以手動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)絲桿?；蛘咄ㄟ^控制按鈕，手動控制伺服電機張緊或放松。

通過在現(xiàn)場的不斷摸索調(diào)試，得到了±10mm的控制精度。

4      運行效果

新一代磨針機的設(shè)備實際安裝調(diào)試精度達到了較高的水平，如大輥筒徑向跳動小于0.01 mm；導(dǎo)軌對大輥筒的平行度小于0.01 mm；磨片套徑向跳動小于0.01 mm；導(dǎo)軌面中凸小于等于0.03 mm。

采用新一代磨針機磨礪的針布也取得了較好的質(zhì)量效果，如針布整卷平整度小于0.02 mm，尖劈角圓弧曲率半徑0.7~0.9 mm，側(cè)磨粗糙度Ra<0.4μm。

參考文獻：

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