一种新型轴间距调整机构设计

　　摘要：
　　该新型钢板成型机用轴间距调整机构是一种设计合理、结构简单、工作稳定、调整方便的新型轴间距偏心轮调整机构。它是将多组成型轧辊组合在一个机架上，更换板型时只需整套更换即可，无需重复轧辊调试工作。通过设计计算和校核验证，新型轴间距调整机构动作上满足工艺要求，齿轮传动齿隙满足要求，转轴强度足够。该轴间距调整机构的组合使用，大大提高了使用单位成型加工时的工作效率和板材成型稳定性。
　　关键词：成型设备，轴间距，调整，设计
　　
　　1、概述
　　近年来，随着钢结构建筑的快速发展，大量板材成型设备在钢结构企业中得以广泛应用，为满足同一板型不同板厚的工艺要求，现有板材成型上、下轧辊间的距离基本采用可调式结构。而目前成型设备成型轮轴间距的调整工作方式，基本通过调整安装在设备两侧的辊轴支架或墙板上的调节机构，带动上辊轴上下移动，实现上、下辊轴间距尺寸的调整。由于实际生产过程中需要经常变换产品规格，而原料板材厚度及板型又不同，调整时需反复松开和拧紧各紧固件，调整很不方便，而且加工不同板型时，需拆装大量成型轧辊，更换轧辊后又需重新调整轧辊，每次均需进调轧辊调整工作，并且设备工作时不能进行调整，设备的使用十分不便。
　　该新型钢板成型机用轴间距调整机构是一种设计合理、结构简单、工作稳定、调整方便的新型轴间距偏心轮调整机构。它是将多组成型轧辊组合在一个机架上，更换板型时只需整套更换即可，调整时只需旋转调整手柄，该调整手柄具备自锁功能无需锁紧，而且在板料成型时也可进行调整，设备使用方便，该机构大大提高了工作效率和设备稳定性，综合经济效益明显。
　　2、结构说明
　　该新型钢板成型机用轴间距调整机构包括机架、安装于机架上的固定转轴、调整转轴、偏心套、端盖和调整螺杆，以及安装在固定转轴上的下齿轮和调整转轴上的上齿轮等零件。结构如图1：
　　
　　图1轴间距调整机构示意图
　　1为机架，2为固定转轴，3为下齿轮，4为上齿轮，5为调整转轴，6为蜗轮偏心套，7为端盖，8为调整蜗杆，9为调整机构
　　图1钢板成型机用轴间距调整机构中，固定转轴安装于机架下部，调整转轴通过轴承安装于蜗轮偏心套内，蜗轮偏心套与机架间隙配合于机架座孔内，蜗轮偏心套两端的轴承座孔同轴，且轴承座孔与偏心套的外圆存在固定量的偏心距e，使用时，当调整机构中的调整蜗杆正反向旋转时，偏心套相对于调整蜗杆正反向旋转，由于轴承座孔偏心距e的原因，调整轴轴中心随之上下移动，最终使固定转轴与调整转轴间的轴间距尺寸A发生变化，从而达到调整轴间距的目的。固定轴轴与调整转轴出轴端安装成型轧辊，成型时两轴分别通过下齿轮和上齿轮驱动旋转，最终将钢带连续成型成设计的板型。
　　对于一般的钢板成型设备，上述机构都是组合起来使用的，一台成型机基本采用连续十套、二十多套甚至更多上述轴间距调整机构，为了达到快速更换板型与规格，现在经过改进，采用几组调整机构组合在一起组成一个成型机构组，这样变换时只需将整组机构调装更换即可，组合后的机构见下图2成型机构组示意图：
　　
　　图2成型机构组示意图
　　3、主要参数计算
　　3.1设计主要性能要求
　　A)蜗杆蜗轮机构调整完成后应能自锁，防止轴间距A值变动，应进行自锁验证；
　　B)蜗杆蜗轮机构调整时，由于是通过偏心套转动带动调整转轴除了移动，所以调整转轴除了上下移动外，还有微量的水平方向上和位移，需验证此水平位移不致转动齿轮齿隙为零，以致发生干涉；
　　C）分析固定转轴与调整转轴在成型时的变形量，并验证轴承的选型是否正确。
　　3.2设计依据
　　钢板厚度：0.2~0.8mm
　　成型力：5000~10000N
　　3.3蜗杆自锁性能验证
　　为了确保自锁性能，蜗杆导程应该越小越好，根据机械设计手册资料，对于钢与钢的摩擦副，当蜗杆螺旋升角小于3°17′时取可满足自锁要求。根据结构空间限制及受力要求，初定蜗杆头数Z1=1，标准梯形螺纹，模数m=1.6，蜗杆中径为d1=φ28mm，则蜗杆螺纹升角γ：
　　γ=arctan(Z1*m/d1)=arctan(1*1.6/28)=3.27°=3°16′＜3°17′
　　因为蜗杆的螺纹升角小于自锁安全螺旋升角值，所以该机构符合自锁条件。
　　3.4结构设计计算
　　根据钢卷板料厚度设计范围为0.2~0.8mm，调整机构中的调整转轴上下移动的距离应为±0.3mm，考虑到实际工况与工艺范围，适当加大至±0.5mm来进行验证。
　　偏心套偏心距初定为e=3mm，转轴调整变化示意图见图3：
　　图3中，O点为机架座孔中心点，当蜗杆驱动偏套双向旋转时，偏心套的偏心轴承孔中心点M（调整转轴中心点）可上下移动至A点或B点，上下移动距离为±0.5mm，上下移动至A、B两点最大范围时，调整转轴的水平位移量为0.04mm。
　　
　　
　　图3转轴调整变化示意图图4机架示意图
　　传动齿轮齿轮模数初定为m=6，初定齿数上齿轮为Z1=19，下齿轮为Z2=32，过渡齿轮为Z3=41，则理论中心距为：
　　水平齿轮中心距a1=m(z1+z2)/2=6*(19+41)/2=180mm，
　　垂直齿轮中心距为a2=m(z1+z3)/2=6*(19+41)/2=153mm，
　　上下传动齿轮按一般常用精度8级精度进行加工，查机械设计手册，查得水平齿轮与垂直齿轮中心距极限偏差值为≤±0.0315mm，中心距公差通过机架的孔间距保证，机架示意图见上图4，
　　下面验算尺寸链公差：
　　齿轮中心距上偏差ES=+0.023-(-0.007)=+0.03mm
　　齿轮中心距下偏差EI=-0.023+(-0.007)=-0.03mm
　　由上述计算可知，齿轮中心距公差值为±0.03mm,小于机械设计手册查到的公差范围±0.0315mm，因此满足齿轮传动啮合齿隙要求。上下齿轮传动根据工况同步性无要求，所以只要满足单向传动同步要求即可，从前述分析数据可知，调整转轴上下位移量为±0.5mm，加工机架上下孔时中心距增加1mm，上下转轴中心距为153+1=154mm，此时上下齿轮能同步旋转又能满足齿隙要求，154尺寸有公差要求是为了保证上下转轴的平行度要求。为保证上下转轴位于同一垂直面内，上安装孔人为偏移e距离，所以水平中心孔孔距不一致，分别为177mm和183mm，虽然尺寸不一样，但两者同样适用上述计算公差要求，组合件内的基他类似中心距均与此尺寸一致。
　　3.5受力分析
　　受力分析时，应取最大负载进行校验，将前述成型力最大值10000N设定为外力，转轴轴承安装位置设定为支撑，安装齿轮端虽也承受一定的径向力，但由于力臂较短，主轴轴径也较粗，在此项分析中可予以忽略，通过Solidworks有限元分析插件Simulation进行有限元分析，分析结果如下图5和图6。
　　
　　图5应力分布图图6受力变形图
　　从图5显示可知，最大应力值为118MPa，远小于材料许用应力值245MPa，从图6显示可知，转轴最大位移值为0.18mm，此弯曲变形引起的轧辊偏移可以通过调整转轴上下位置补偿，但应在机构可调整范围内，从前述数据可以计算出单边最大位移0.3+0.18=0.48mm，在调整范围±0.5mm内。由于上下两转轴工况一致，可不必再重复进行受力分析。
　　4、设计结论
　　通过以上分析，可以得知该设计方案是可行的，机构动作满足工艺要求，齿轮传动齿隙满足要求，转轴强度足够。同时由于采用了轴间距调整机构组合使用，大大提高了成型加工时的工作效率和板材成型稳定性。该新型轴间距调整机构经实践使用，效果令人满意。现在对主要性能参数设计进行说明，希望能为我国广大机械单位和机械设计者作借鉴作用，从而加快和推动发展我国机械工业技术发展。
　　
　　参考文献：
　　[1]、王文斌《机械设计手册》第3版[M]第1册北京机械工业出版社2004.8
　　[2]、王文斌《机械设计手册》第3版[M]第2册北京机械工业出版社2004.8
　　[3]、王文斌《机械设计手册》第3版[M]第3册北京机械工业出版社2004.8
　　[4]、王文斌《机械设计手册》第3版[M]第5册北京机械工业出版社2004.8
　　[5]、王玉新《机构创新设计方法学》[M]天津天津大学出版社1996.10
　　[6]、赵明生《机械工程师手册》[M]第2册北京机械工业出版社2000.9

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