新一代磨针机的研制

本文发表在2009年出版的第16期《梳理技术》杂志上，更多好文章期待您的投稿。投稿/赠阅咨询邮箱：[e-mail]

新一代磨针机的研制

陆前明、陆坤彬 

金轮针布（江苏）有限公司

0      前言

磨针机是生产纺织梳棉机用弹性盖板针布的主要设备之一，用于将弹性盖板针布磨出锋利度，磨出平整度，磨针机运行的精度和稳定性直接影响到弹性盖板针布的平整度和锋利度。我公司对磨针机的研制十分重视，从1998年开始研制第一代多磨头磨针机以来，已经连续研制了三种型号的磨针机，本文就最新一代（第4代）磨针机作一简要的介绍。

1      新一代磨针机的主要特点

磨针机采用多磨头同时工作，大大缩短了磨针工序的时间，同时减轻了工人的劳动强度。在装备上采用了多种先进技术。新一代磨针机机械部分主要做了以下改进：（1）增加了相互连接的机架底框，使机架的刚度有了较大的提高；（2）取消了导轨上磨头换向的齿轮箱，改成了电动机正反换向，减少了导轨的重量，使传动更加稳定、可靠；（3）导轨的调节改用球形浮动头，使调整更加方便；（4）压磨头倾斜安装在侧磨头上，并设计了较好的吸尘罩，改善了工作环境。多磨头磨针机示意图如图1、2所示。

图1    磨针机的正面示意

图2    磨针机的侧面示意

大滚筒的传动采用变频减速电机直接带动大滚筒，采用变频驱动的形式。该方案的优点是结构紧凑、传动效率高、大滚筒不受径向拉力。同时还具有：（1）降低设备启停时的电流冲击；（2）降低直接启动造成的突然的加减速对设备机构的影响，提高了设备的精度稳定性；（3）实现了高效率的无级变速能力，拓宽了设备的工艺灵活性。

由于大滚筒是一个高惯量部件，为了提高工作效率，在停车时采用能耗制动外加液压盘式制动器联合制动的方式。在高转速时采用能耗制动，将大滚筒的转速降低到一个较低的速度后，再启动机械制动。采用这种制动方式降低了高转速时机械制动产生的较大冲击。提高了设备精度稳定性。

上下磨头拖板的横移控制是通过直接安装在导轨头部的两台变频减速电机来实现的。具有结构简单紧凑、传动效率高，速度控制精度高。可根据工艺需要十分方便的改变速度配比。

在上下导轨的磨头拖板上安装的磨头具有平磨、粗侧磨、精侧磨、压磨等多功能磨头，可以在不停机的情况下一次磨完整卷针布。可以在线修磨头/磨片，大大提高了工作效率。原来老磨针机磨完一卷针布需要大约8个小时，采用新磨针机后，只需4个小时即可完成一卷针布的磨砺。磨头电机的驱动也全部实现了变频传动，可根据磨片的直径、粒度等情况选择不同的转速。提高了工艺控制的灵活性、精细度。

同时我们对磨头的进给控制也尝试性的采用了伺服进给，能遥控磨头的进给，提高了进给的精度，在紧急情况下可快速后退，保护了针布。

安装了自动纠偏装置。保证针布在磨砺时的游移距离小于20 mm，有效地避免了针布游移造成的鱼鳞状花纹和尖劈角的左右不对称。

2      主要传动部件的设计计算

磨针机滚筒直径2 m、最大重量1.8 t，最高转速28 r/min。

2.1     大滚筒的传动计算

2.1.1    大滚筒传动功率计算

传动功率^［1］：P=Mω_α   （1）

式中：ω_α为角加速度；M为大滚筒的质量。

设大滚筒以1秒的时间从0加速到28 r/min。

则传动功率：P₁=1800×2.93=5.3  kW

选用功率5.5 kW的三相异步电机带动。

2.1.2    制动转矩的计算

大滚筒的惯量为^［2］：

J=(m/2)×(R²₀+R²₁)         （2）

式中：J为转动惯量；m为滚筒质量；R₀为滚筒内径；R1为滚筒外径。

计算得：J=1.4×10⁷（kg/cm²）=1.4×10³（kg/m²）

制动时，当从较高转速停止时，首先采用能耗制动。将大滚筒转速在6 s内从28  r/min降低到3 r/min，则能耗制动的制动转矩为^［3］：  

式中：M₁为能耗制动转矩；J为大滚筒转动惯量；n₁为能耗制动后转速；n₂为能耗制动前转速；t₁为能耗制动时间。

根据经验公式和市场上的制动电阻规格计算和选择合适的制动电阻，选择75 Ω/1 kW的电阻。

当大滚筒转速低于3 r/min时，直接采用机械制动。此时要求大滚筒能在1秒内迅速停止，则制动转矩为^［3］：

式中：M₂为大滚筒机械制动转矩；J为大滚筒转动惯量；n₃为滚筒机械制动前速度；n₄为滚筒机械制动后速度；t₂为机械制动时间。

制动盘直径900 mm，选用两个制动钳，则每个制动钳制动力^［4］为：

式中：F₁为制动钳的制动力；M₂为大滚筒的机械制动转矩；K₁为安全系数；d为制动盘的直径。

根据市场上的成熟产品选择制动器。

2.2     上下导轨的传动计算

丝杆螺母之间的摩擦系数取μ₁=0.09；拖板与导轨均为铸件，滑动摩擦系数取μ₂=0.3；拖板部分总重f₁=1000 kg，其他阻力忽略不计；最高转速n_max=28 r/min，机械效率取η=0.5。

运动阻力^［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）

当量摩擦角^［7］：

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

驱动转矩^［8］：

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

驱动功率^［9］：

上述各式中各字母的含义如下：S为丝杠导程；d₁为丝杠直径；α为丝杠螺纹角度。

由于磨针工作时，产生的横向阻力无法计算，因此根据经验值和在现有机器设备上的实际测量，选择驱动电动机的功率。

3     纠偏原理

在磨针机的一侧安装光电检测探头，见图3、4。

图    3

图    4

用于检测底布的边沿，采用A、B两个光电开关，实现对边控制。当光电开关A、B均被遮挡，说明底布向左偏移。通过伺服电机控制张紧辊左侧的调节丝杆，使底布左侧的张力增大。经过一定的时间后，底布会逐渐向右移动，达到正常位置。如果A、B两个光电开关均未被遮挡，说明底布偏右侧，需要将右边的张力加大。伺服电机选用具有转矩输出功能的伺服，即以伺服的输出转矩为保护措施，如当左侧的张紧力超过伺服设置的输出转矩时，左侧的伺服电机停止运转，右侧的伺服电机运转，降低右侧的张紧力。这样，底布自然会往张力低的一侧移动，达到纠偏控制。同时也安装了位置限位保护开关。

另外，在控制上，设置手动/自动切换开关。在手动模式下，仍然可以手动旋转调节丝杆。或者通过控制按钮，手动控制伺服电机张紧或放松。

通过在现场的不断摸索调试，得到了±10mm的控制精度。

4      运行效果

新一代磨针机的设备实际安装调试精度达到了较高的水平，如大辊筒径向跳动小于0.01 mm；导轨对大辊筒的平行度小于0.01 mm；磨片套径向跳动小于0.01 mm；导轨面中凸小于等于0.03 mm。

采用新一代磨针机磨砺的针布也取得了较好的质量效果，如针布整卷平整度小于0.02 mm，尖劈角圆弧曲率半径0.7~0.9 mm，侧磨粗糙度Ra<0.4μm。

参考文献：

［1］成大先．机械设计手册［M］，第1卷．北京：化学工业出版社，1969：1－94．

［2］成大先．机械设计手册［M］，第1卷．北京：化学工业出版社，1969：1－101．

［3］ATV71变频器产品目录（06版）：66．

［4］成大先．机械设计手册［M］，第1卷．北京：化学工业出版社，1969：1－94．

［5］成大先．机械设计手册［M］，第3卷．北京：化学工业出版社，2005：4－33．

［6］成大先．机械设计手册［M］，第3卷．北京：化学工业出版社，2005：12－6．

［7］成大先．机械设计手册［M］，第3卷．北京：化学工业出版社，2005：12－6．

［8］成大先．机械设计手册［M］，第3卷．北京：化学工业出版社，2005：12－5．

［9］成大先．机械设计手册［M］，第3卷．北京：化学工业出版社，2005：12－5．