3、新型免翻转封底技术与装置-钢提桶制造技术及设备的研制
刘联超+黄辉+张卓
摘 要：目前在我国不锈钢棒料回收领域并没有专门的提升翻转装置，该项目主要针对这种情况，以及不锈钢棒料回收时所处的特殊工作环境及功能需要，设计出新型可靠的提升翻转装置，该装置通过上下轨道的形状配合，将棒料竖直装入料仓后提升翻转至水平剪切口。同时本项目对关键部件进行了详细的理论分析和设计，如防坠器、推送机构的设计研究等。最后制作了演示动画和实物模型对该项目进行验证和展示。
关键词：提升翻转；防坠器；推送机构
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.239
1 項目背景及意义
提升、翻转设备我国可以自主研究设计和建造，但是在重要不锈钢棒料的回收处理领域，并没有专门的提升翻转设备，可以说几乎一片空白。我国目前采用的提升翻转机构多为两部分，通过提升装置把不锈钢棒料提升起来后翻转装置再负责翻转，这样会降低工作效率，而且涉及到的智能化控制更加复杂，装置的稳定性也就会存在一定问题。
该项目所研究设计的提升翻转结构，将提升和翻转有机的结合在了一起，使提升翻转通过同一个装置就可以实现，从而大大的提高了工作效率。而且该装置智能化控制较少，机械化操作更加简单便捷，还巧妙的用到了料仓搬运，使棒料在提升翻转过程中不会掉落，更好的保证了棒料的完整性，也体现出了该装置的稳定性、安全性和可靠。该装置是适应目前不锈钢棒料预处理过程中的剪切过程，它的成功研制为废料回收过程可以积累经验，对非不锈钢棒料循环利用的研究也具有重大意义，促进了相关方面技术的发展。
2 研究内容
本文针对于我国没有自主研制的先进棒料处理设备的现状，开展自动剪切机上不锈钢棒料提升翻转装置研究。研制了一种将棒料提升翻转至水平工位的提升翻转装置。其工作状态如下：小车进入翻转轨道时，拉力绳提升动力和芯轴的作用下会使得不锈钢棒料倾斜，最终与提升机通道平行。当棒料到达行程顶端时，棒料停在水平位置后锁定，推出棒料，完成整个提升翻转动作。
该装置由运送棒料的料仓，小车，导轨，防坠装置，推送机构以及其他装置等构成，能实现将棒料平稳地运输到指定地点的功能。本项目主要研究三个方面，分别是总方案的设计，装置结构的设计，及突发状态的应对。
2.1 总方案的设计
与其他普通棒料处理环境不同，本文设计的不锈钢棒料提升翻转装置需要高标准的污染密封屏蔽性和安全可靠性。由于高污染、人员无法入内等特殊的工作环境，提升翻转装置工作时需要满足高精度，安全可靠，启停反应迅速等要求，当装置工作出现意外情况时能得到及时有效的控制，同时提升翻转装置的运动部件和易损部件需要采用模块化设计，满足远距离拆装和更换的要求。根据以上要求以及提升翻转装置的功能需求提出了以下方案：提升翻转装置主要由小车、料仓、轨道、防坠器、推送机构等组成。
主要实现步骤如下：
提升翻转装置能实现将棒料竖直装入小车，小车平稳上升，棒料被平稳放置水平，小车稳定固定再取出棒料，并最终实现将棒料平稳地运送到指定地点的功能。
相关原理如下：钢索与小车相连，小车和料仓用芯轴连接，料仓首尾端连线与轨道的夹角由料仓托架上特殊的设计部件与轨道接触来控制。轨道由两端的圆弧轨道与中间的平直轨道连接构成。轨道两端的圆弧轨道的作用是连续改变小车与水平面的夹角，达到让料仓由竖直到倾斜，再由倾斜到水平的角度改变目的。料仓上端开口无遮盖装置，当装置运行时，棒料从料仓上端装入，运送到指定地点后（料仓已经处于水平状态），料仓后端端开有小通孔，此时需要一推送装置经小孔将棒料平缓推出料仓，使棒料进入剪切口，因此需要推送装置的设计。由于该装置所处的环境的危险性与污染性（不能使用液压和传感器），还需要考虑安全防坠装置（机械式）的设计，所以在钢索与小车之间又设计了防坠装置—防坠器，防止料仓因钢索突然断裂而下降产生振动，从而带来辐射污染。
2.2 装置结构的确定
棒料提升翻转装置的小车、轨道、料仓、防坠器、推送机构等部件结构的设计，根据功能需要，将小车和料仓设计为长条形状，与棒料结构类似，而轨道根据剪切口高度和棒料存放处的位置，进行布置，以达到装置稳定运行合理和稳定的目的。
2.3 突发情况的应对
考虑到在棒料提升翻转规程中，可能会出现钢索断裂，轮子脱轨、棒料掉落或者没有被推送进街切口，需要根据不同情况设计出相关结构，保证棒料运送过程的平稳和可靠。
（1）轮子脱轨，说明需要改进轨道的形状保证运送过程的可靠；
（2）钢索断裂，很有可能会造成棒料振动或者掉下，需要防坠装置保证其不会掉落；
（3）当棒料被运送到剪切口时，需要将棒料推送进剪切口，推送结构的设计也需要做相关设计。
3 关键部件设计
3.1 轨道
本项目设计的提升翻转装置是通过上下轨道的形状配合来实现提升和翻转同时进行，上轨道为直轨道，下轨道为三段，通过圆弧轨道连接来限制轮子的运动，从而达到改变料仓角度，并实现提升翻转的功能。并且这种轨抱轮式的设计，使小车和料仓与轨道始终可靠的连接，相比类火车轮与轨道的轮抱轨式更加可靠，改变小车运动的时候也不会出现脱轨。
3.2 防坠器
当电机通过带动钢索来提升小车和料仓时，由于料仓内棒料的自重，如果在提升翻转过中出现钢索断开或者小车轮子被卡住等情况，为了防止棒料受到剧烈振动而产生高辐射，需要防坠装置—防坠器来防止小车和料仓突然下滑。该防坠器采用类似自行车刹车片的结构，当钢索断开时，防坠器的刹车部件在力的作用下，刹车部件1发生形变伸出而卡住轨道，保护料仓内的棒料不会突然下降而剧烈震动，从而实现了防坠的功能。
3.3 推送机构
当料仓到达水平剪切工位时，需要将棒料送出料仓，进入剪切口，而该项目设计的推送机构就可以实现这个功能。当推杆从通孔进入时，由于力的作用使夹板放松，推杆进入，当推杆需要退出时，带动顶针使其伸出，从而顶开夹板，推杆顺利退出，很好的将棒料送进剪切口。该装置由项目组自行研究设计，并申请了实用新型专利（已受理）。endprint
4 校核以及改进
在提升翻转过程中，料仓和小车的连接轴是变形与受力的主要部件，故有必要对其进行强度校核。通过计算，满载时，连接轴受到52000N的力。根据连接轴的位置与支撑情况，对连接轴进行静应力分析。分析软件为SolidWorks。
假設：连接轴为连续弹性体，材料为合金钢，连接轴的两端分别受大小为26000N的支撑反力。在分析时，两端被夹具固定，连接轴的中间受到52000N的通向均布载荷。
初始加载示意图如下：
运算完成后，结果如下：
结果分析：整个连接轴最大位移为0.242mm，最大应力为496.6MPa
<620.422MPa，校核符合要求，正常工况下，该轴不会失效。
5 仿真与实物模型验证
作为新的机械设计，为了验证设计能否满足功能要求，有必要对模型进行仿真分析与实物模型分析。前面已经对装置的关键部位进行了强度校核，本小节将结合实物模型，对设计的可行性进行验证，以更好的对装置进行改进。
模型的实物模型安装调试好后效果图如图10。
采用通过遥控模块控制小车的上行下行，发现完全能实现提升翻转过程，故本文模型设计较为合理，有一定的实践指导价值。
6 创新点
（1）本项目设计的装置通过上下轨道的形状配合可实现提升和翻转同时进行，并且轨抱轮式的设计，使小车和料仓与轨道始终可靠连接、不脱轨。
（2）本项目设计的装置主要为机械构件，不依赖液压系统、传感器等，能适应高温高放射的各种恶劣工作环境。
（3）防坠器：自行研究设计（原创）的防坠器，刹车部件受力变形后卡在轨道内，从而起到防坠功能。
（4）推送机构：自行研究设计（原创）的推送机构，能适应仓内推送的工作要求。
7 结语
本项目通过对不锈钢棒料预处理过程的分析，设计出的提升翻转装置，可实现提升、翻转过程同时进行，能减少运送、翻转时间，对生产效率有较大提升作用。由于本项目设计的提升翻转装置是不锈钢棒料整个剪切方案中预处理过程的核心装置，对该装置的研究能够积累一定的污染环境下废钢回收装置的研制经验，并且对于非不锈钢棒料回收处理系统的研究也具有重大的参考意义，这对工业生产材料的回收利用的研究有一定的促进作用。
参考文献：
[1]陆冰横.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].（第七版，北京：高等教育出版社，2001.
[3]大连理工大学工程图学教研室.机械制图（第六版）[M].高等教育出版社，2007.
[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.
[5]姜琪.机械运动方案及机构设计[M].北京：高等教育出版社，1996.
[6]黄靖远.机械设计学[M].北京：机械工业出版社，2001
[7]于骏一.典型零件制造工艺[M].吉林大学：机械工业出版社，1995.
[8]王先奎.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.
[9]黄纯颖.机械创新设计[M].北京：高等教育出版社，2000.endprint
