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水平直驱式矿岩棉摆锤式布棉机的原理和力学分析


技术开发

陈宗来,等:水平直驱式矿岩棉摆锤式布棉机的原理和力学分析

中图分类号:TQ171.77+6

文献标识码:A

水平直驱式矿岩棉摆锤式布棉机的原理和力学分析
陈宗来,刘志恒,王海坡,周建敏 (上海新型建材矿棉厂,上海 201703)

摘  要:本文对矿岩棉

生产专用摆锤式布棉机的工作原理、驱动方式、圆弧补偿方法等内容进行简要介绍,着重对水平直 驱式布棉机的驱动原理、驱动优势进行介绍和详细的动力学分析。 关键词:摆锤式布棉机;工作原理;水平直驱式驱动;动力学分析

Working Principle and Dynamic Analysis of Horizontally Driven Pendulum for Distributing Slag/Rock Wool Fibers
CHEN Zonglai,LIU Zhiheng,WANG Haipo,ZHOU Jianmin (Shanghai Advanced Building Materials Mineral Wool Factory,Shanghai 201703)

Abstract:An introduction to the working principle, driving system and arc compensation of pendulum units for distributing slag/rock wool fibers is given here,with stresses on the function and advantage of a horizontal and direct driving system and its dynamic analysis. Key words:pendulum type distributor;working principle;horizontal and direct drive;dynamic analysis

1  摆锤式布棉机简介
    摆锤式布棉机,是矿岩棉生产线中的关键设备。 其原理是将从集棉机收集的未成型棉毡,重新堆叠 与排列,避免集棉机集棉不匀所造成最终产品的密 度不均匀,并使棉结构上层次清晰,为成型段进行 打褶等加工创造有利条件。摆锤式布棉机是受纺织

厂设备的启发,由欧洲的岩棉厂在上世纪80年代开 发成功的,它显著提高棉板均匀度和机械性能。     摆锤式布棉机是由2个垂直于地面可左右摆动的 皮带垂直输送机,水平的堆叠输送机以及摆锤、升 降设备等构成,具体见示意图1。集棉机收集的棉毡, 通过若干输送机,送达摆锤;进入垂直输送机,在 输送过程中,被两条垂直输送机夹持,在垂直输送

收稿日期:2009-2-20 修改日期:2009-8-14 作者简介:陈宗来,男,1967年出生,上海新型建材矿棉厂,工 程师。主要从事机械设计方面的研究。 《玻璃纤维》2009年 第5期      26

机出口处,棉毡被铺在堆叠输送机上。垂直输送机 的运行速度与集棉机等的速度相同,而堆叠输送机 则与成型、固化、切割等后段设备同步。由于垂直 输送机和堆叠输送机的速度不同步,产品中棉毡层

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的堆叠的层数不同,一般为3层到10多层。
集棉机到摆锤输送机 垂直皮带输送机 旋转90度 摆锤 集棉机

r=900 w 8 4 1 3 6 2 5 7

R=2 500 摆角θ=24o 摆角θ=24o

水平堆叠输送机 图1  摆锤式布棉机示意图 S=2 000 1.上滚筒  2.下滚筒  3.竖杆  4.上横梁 5.下横梁  6.橡胶皮带  7.小车  8.悬锤 图2  摆锤式布棉机的摆锤力学分析图

2  摆锤式布棉机驱动方式
    摆锤式布棉机的摆动动力,理论上可以从摆锤 旋转轴(即摆锤最上端)提供转动扭矩,提供摆动 动力。但如需在此处提供摆动动力,摆锤垂直输送 机机架的上部需传递的力很大,为防止机架变形, 需加大机架尺寸,从而使整个设备重量增加,旋转 惯量也会很大,因此技术难度很大,所以目前没有 这样驱动的实例。     目前常用的驱动方式是采用水平直驱式驱动。 主要由垂直输送机的侧面用推杆往复运行来提供摆 动动力,这样可以减少机架的承力。推杆的动力可 以由曲柄、链轮链条等机械装置提供,也有少数用 油压或气动力提供的实例。

2.2.2  运动学关系式     根据运动学关系式

设计一个理想的摆动,规律如下:摆动频率为30,Hz, 则摆动周期T为2 ,s。下滚筒从左极限位置移到右极 限位置的总时间t=T/2=1,s,假定在摆动周期中, 在两端各10%S行程部分为匀加速和匀减速段,在中 间80%S的行程上为匀速段。下面三幅小图分别为其 , ,,、 ,,、,, 曲线。
V Vmax A B C E F 0 V Vmax X1=0.1 S X2=0.9 S S

2.1  水平直驱式驱动的原理
    水平直驱式驱动是用直线电机为动力,在摆底 位置装有导轨和滑轮,由直线电机直接拖动摆锤往 复运动。摆锤的顶部垂直方向也有导轨和滑轮,可 自由上下,并有配重装置以抵消摆锤的大部分自重。 水平直驱式驱动,其底部运动轨迹为水平线,不需 要进行圆弧补偿。基于直线电机的控制性能好,自 身功率/重量比高等优势,可显著减小驱动装置的外 形尺寸,并有效降低机构的惯量。该方式结构简单 轻巧,检修方便。
0 X



T/2



2.2  水平直驱式驱动的力学分析
    下面我们以产品宽度1.9,m,最大摆宽2,m,摆锤 半径2.5,m为例,对水平直驱式摆锤进行力学分析。 2.2.1  摆锤式布棉机的摆锤力学分析图
0 t1 t2 S T/2 t

图3  速度(行程)、速度(周期)、行程(时间)曲线图 《玻璃纤维》2009年 第5期      27

技术开发     我们可以计算出这种运动的最大线速度,匀速 段的开始和结束时刻  及  。     按上面给出的规律有:                                           (1)

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时,由于摆臂长度不可变化,此时其中心必将上移, 并使摆锤的固定点上移,而这一固定点的变化在整 个过程中是不断发生的。     摆臂的下端滑车沿水平线摆动,带动摆臂绕上 部转轴的摆动和转轴的垂向起伏。摆角与下端位移

                                          (2)       由(1)式得:                                            (3)     代入(2)得:

的关系满足下列一组关系式:                                           (5)                                           (6)                                           (7) 式中            

                                            (4)

2.2.3  动力学方程     由于摆臂上轴的垂向运动幅度不大(约0.2,m), 我们粗略地将它简化为摆臂绕固定轴的摆动问题。

    将(4)代入(3)得:

这时的动力学方程只有一个,就是对转轴的力矩平 衡方程:

                             又        所以从时间分配来讲,变速段共占     ,匀速 段共占      。     匀变速段的加速度为:

                                          (8)     式中 为摆架对转轴的转动惯量, 为阻尼系数, 
,,,,,,

为各外力矩。 值应根据其结构尺寸、重量计算,

也可以在完工后通过试验测定。计算式为:                                            (9)       为每个部件对自身重心的转动惯量,  g为各

    上述计算建立在一系列假定的基础上:     (1)  在左右极限位置处,忽略了摆锤转动方向 的变化过程对整体转动的影响。而这一过程转动惯 量的变化是最大的,而且作用时间非常短,在实际 中对推动机械核动力装置的影响起到十分关键的作 用。     (2)  将摆动周期中在两端部分行程作为匀加速 和匀减速段的大小亦对整个摆锤的设计起重要作用。 如果选择过大,将直接导致其速度变化阶段在整个 摆动周期中所占的比例增大,进一步造成棉层在水平 方向上的分布不均匀影响最终产品的密度均匀性;如 果过小,将会对机械动力装置,如功率的大小、动 力的效率等形成较大的挑战。     (3)  忽略了摆动周期中,摆锤在垂直方向上的 外形影响因素。按照该假定,摆锤在运动至最低点
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部件质量, 为其重心到转轴的距离。它们的估算值 见表1。                                          (10)     其中:       2×部件1、2的质量×部件自身 的回转半径=2×3.06×0.0462=0.013,kgm2(因管 径初步定为  100,另加上两端封头、中间支撑等, 部件1、2的自身的回转半径估算为0.046,m。)                   部件3、6的质量×2.52/12=(4.59× 2+10.2)×2.52/12=10.094,kgm2(上述公式为左右 竖杆及橡胶带的转动惯量计算方法            , 此处把       简化为一直杆来计算惯量,其中2.5 为摆动力臂长度)。              3.57×0.052=0.009,kgm2(上下横梁 的估算回转半径为0.05,m)         2×2.04×0.052=0.010,kgm2(上轴承座的

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表1 序号 1,2 3 4,5 6 7 8 装置部件名称 上下滚筒(共4只) 左右竖杆(共2根) 上下横梁(共2根) 橡皮带 上轴承座(共2个) 下小车等(共2个) 尺寸/mm

Mi  /kg
3.06/只×4只 4.59/根×2根 3.57/根×2根 10.20 2.04/个×2个 4.08/个×2个

ri 部件重心到转轴的距离  /m r1 =0.07;  =2.5  r2
1.25

φ100*3*2 m
80*60*4方管*2 80*60*4方管*2 11 m *5


r3 r4  =0.1;  =2.4 
1.25 0 2.5

估算回转半径为0.05,m)         2×4.08×0.15 =0.184,kgm (下小车的估 算回转半径为0.15,m)          =0.013+10.094+0.009+0.009+0.01+ 0.184=10.319,kgm                                         =2×3.06× (0.07 +2.5 )+3.57×(0.1 +2.4 )+(2× 4.59+10.2)×1.25 +4.08×2.5 =112.287,kgm     按(9)式计算得:                           10.319+112.287= 122.606,kgm
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

大,否则会影响悬锤的灵活性,从而容易造成消耗 和磨损。

4  结语
    对于大型生产线,当主生产线宽度达2.4,m以上, 产量6,t/h以上时,若使用传统的推杆式驱动,推杆 行程很长,机构惯量大,摆频高,转向力矩非常大, 其圆弧补偿量也很大。而采用水平直驱式驱动,其 底部运动轨迹为水平线,不需要进行圆弧补偿。基 于直线电机的控制性能好,自身功率/重量比高等优 势,可显著减小驱动装置的外形尺寸,并有效降低 机构的惯量。该结构简单轻巧,检修方便。

    各外力矩:     根据初步估算摆臂整体质量为500,kg,摆锤在轨 道上的承受的重力为50,kg(因上部配重,致使摆锤 压在轨道上的重力可以变得很轻,见图2中的件8);     假设P为驱动源的直线推力。     摆臂的重力矩:M1=500×1.25      轨道对小车的推力矩:M2=-50×2.5      动力源的推(拉)力矩:M3=P×2.5      则M1+M2=500        M3=2.5P         (11)     上述计算建立在一个假定的前提下,就是忽略 摆锤在垂直方向上的运动,在对摆锤的动力学基础 运算结束后,就要回过头来考虑垂直向的静力学平 衡问题,以解决摆锤在运动过程中垂直向补偿,使 得摆锤可以在摆动过程中自由平衡地完成垂直向的 运动。可以通过加挂等重悬锤的方法初步解决这一 问题,而此种方案的前提是摆锤的整体重量不能过
参考文献 [1] 范祖尧.非标准机械设备设计手册[M].北京:机械工业出版社,     2002. [2] 吕庸厚.组合机构设计机械设计[M].上海:上海科学技术出版     社,1996. [3] 颜鸿森.机械装置的创造性设计[M].北京:机械工业出版社,     2002.  [4] 孟宪源,姜琪.机构构型与应用[M].北京:机械工业出版社,     2004. [5] 殷鸿梁.间歇运动机构设计[M].上海:上海科学技术出版社,     1996. [6] 张济川.机械最优化设计及应用实例[M].新时代出版社,1990. [7] 陈荣波,范乃文.结构力学[M].北京:中国建筑工业出版社,     1981. [8] BIRD,J.Engineering Mathematics (4th ed.) [M],2003. 《玻璃纤维》2009年 第5期      29


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