龙门式绳锯机进给系统的优化设计

宋金玲，陈晓龙

（1.泉州师范学院物理与信息工程学院，福建 泉州 362000；2.泉州市洛江区双阳金刚石工具有限公司，福建 泉州 362012）

0 引言

1854 年，比利时人将改进的螺旋钢丝绳用于大理石开采，这是柔性切割工具应用于石材开采的起源。1953年，从技术上证明了应用金刚石串珠绳锯切开采大理石的可行性。1968 年，将金刚石串珠套在钢丝绳上，制成了一条结合钢丝绳的柔性和具有金刚石的切削性的串珠绳。最早成品串珠绳及串珠绳锯机于1969 年和1970 年在意大利VERONA 的S.Ambrogio［1］石材博览会上展出。经过不断的实验和研究，1978 年在意大利APUAN［1］石材矿山进行的金刚石串珠绳切割实验取得成功，这标志着石材开采加工技术的革命，是串珠绳进入石材矿山的重要转折点。1990 年，第一台数控串珠绳锯投入到异形石材的加工，这标志着串珠绳锯进入高科技的数控时代。1990 年代中期，多绳锯研制成功并应用于石材加工。多绳锯机的开发与应用向传统框架锯切割方式提出了挑战，使大型或超大型板材的高效、低成本、低污染切割成为现实［2-4］。经过多年的研究与技术的改进，金刚石绳锯机以其独特的优势：准备时间短、切割灵活、噪声低、粉层小、低污染和低耗能等特点，被广泛应用于建筑结构拆迁、矿山开采、石材加工等工程领域中,并逐步取代传统砂锯加工方法［5-8］。绳锯在我国发展迅猛，但我国金刚石绳锯技术与国外仍存在显著差距。除串珠绳制造技术相对落后外，绳锯结构设计是一基础和核心问题。石材薄板料的切割技术是未来绳锯的发展方向，对绳锯机提出的功能与结构要求是切割高柔性化、适应串珠小径化、机器设备小型化、功能多样化、低能耗绿色加工。现有典型进给的结构形式及特点［9-12］：1）带传动；2）轮系；3）齿轮齿条机构；4）丝杠机构；5）液力传动。

本文基于进给系统的运动学和动力学分析，以功能和强度要求为约束条件，以轻量化为目标，运用非线性规划，实现最佳设计。改进给系统具体采用液压马达，通过蜗杆蜗轮减速器减速后，驱动丝杠螺母，丝杠安装在机架上转动，螺母即实现上下移动。螺母固定在滑动支承座上，滑动支承座与机架导轨采用平导轨，实现整个绳循环系统的升降，达到进给和快退的功能。

1 运动学与动力学分析

进给系统的运动和动力传递主要通过丝杠螺母机构实现，因此进给系统运动学与动力学分析集中体现在对丝杠螺母机构的分析中。

1.1 平均工作速度

式中：n1为电机转速；ps为丝杠导程；i为传动比（降速比）。

平均工作速度:进给速度前进时比较缓慢，而退出时丝杠转速远大于进给时转速，则以退出时转速作为平均工作速度计算，亦即Vb＝Vm。

1.2 载荷计算

1）平均载荷计算。进给载荷较小，而退出时载荷较大且平稳，所以用退出时的载荷作为平均载荷计算。即Fm=50 000 N。

平均转速:退出时转速远大于进给时转速，所以选用退出时转速作为平均转速计算，即nm=11.98 r/min。

ε为寿命指数，球轴承ε＝3。C为额定动载荷，N。

L＝1.3×106r≥106r

刚度计算以压杆稳定性为依据，丝杠不发生明显侧向挠曲变形。

6）使用寿命计算。丝杠只受轴向力，且比较大，固定形式为一端固定，一端游动；选用推力滚子轴承。

由d=105mm，选80000 型推力滚子轴承。滚动轴承51221 GB/T4663-1994，其中额定动载荷C=840 kN≥Fm。

式中：L为额定寿命，106r；P为当量动载荷，N。

7）效率。ρ=4.396°；ρ′＝0.286°，

2 基于SUMT 的进给系统非线性规划

以系统轻量化为目标，以强度和刚度要求为约束，以构件尺寸为变量进行规划，具体如下：。

式中：wk为进给系统构件质量；［σk］为构件许用强度；θk为构件挠度（位移或转角）；Fk为构件在指定方向上受力分量；［Kk］为许用刚度；Xk为构件尺寸参数；包含长宽高或半径与长度等。

式中，φ为材料密度。

3 优化结果与进给参数的确定

应用SUMT 方法获得的丝杠直径110 mm，螺纹2 900 mm。经与总体框架匹配，最终取如图1 的结构与尺寸。

包含进给系统的绳锯机框架图见图2。

图1 丝杠螺母机构主要零件优化后的结构尺寸

图2 包含进给系统的绳锯机框架图

主电机使用380V 三相交流电，通过变频器控制电机转速。电机功率200 kW，输出额定转速n1=1 490 r/min，带传动的传动比i=2，故主动轮转速n2=n1/i=745 r/min。

绳的线速度v＝πdn2/60=39 m/s，故绳锯的额定线速度v=39 m/s。

进给驱动马达EPM80，额定功率P=12 kW，输出功率10.2 kW，输出转速n′1=10～750 r/min。蜗杆蜗轮减速器减速比i′=63，则其输出转速（即丝杠转速）n2′＝n1′/i′=（0.158 73～11.904 76）r/min。

滚珠丝杠导程P=16 mm，进给速度Vs=n′2P=（2.54～190）mm/s，故进给最低速度Vmin=2.54 m/min，退出时最大速度Vmax=190 mm/min。

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