包芯机用胀缩卷筒机构的改进

石志君，陈景辉

(黑龙江省冶金研究所，哈尔滨150040)

1 背景介绍

包芯机在生产合金芯线线卷的过程中，需要将加工成型的合金芯线卷曲缠绕到卷筒上形成线卷，方便日后的存储和运输。

在加工成线卷时，首先将合金芯线的线头固定于卷筒上，然后将芯线在卷筒宽度方向上顺次紧密地排列缠绕。当宽度方向上排满后，芯线就会起层，然后与原层反方向在卷筒宽度方向上排列，再依次重复该过程，直至线卷达到预定的重量。芯线从线头固定开始，至线卷达到预定重量为止，这一过程被称为收排线过程。当线卷达到规定重量后，需要对线卷进行打包，然后将线卷从卷筒上拆卸下来，这一过程被称为卸线卷过程。

由于在收排线过程中，合金芯线始终处于张紧状态，所以初层合金芯线对卷筒存有一定的压力。随着芯线层数的增加，最外层芯线会对里层芯线存留一定压力，并一定程度的增加了初层芯线对卷筒的压力F。由于芯线和卷筒间的摩擦力f与F成正比，所以在卸线卷时，由于较大的F会使f增大，不利于线卷的顺利拆卸。经分析可知，在收排线过程中，卷筒需要始终处于膨胀状态，使芯线紧贴卷筒，完成排线与定型。当进行卸线卷操作时，卷筒最好能够收缩变小，以减小f或者不与芯线接触以方便拆卸。由此提出了胀缩卷筒的概念。

2 问题分析

现有包芯机卷筒在胀缩机构的选择方面，因多连杆结构具有较大的活动范围，可实现芯线与卷筒的完全脱离而被经常采用。但在实际生产中，多连杆类型的胀缩卷筒存在一定的问题，主要表现在卷筒面偏斜和胀缩困难两个方面。

下面以多连杆类型某机型包芯机卷筒结构(其大致结构如图1所示)为例，具体分析这两大问题产生的原因。

由其结构图可画出其机构简图如图2所示，另有与该类结构相似的变体胀缩机构，机构简图如图3所示。

2.1 卷筒面偏斜

图1 包芯机某多连杆型胀缩卷筒结构图

图2 包芯机某多连杆型胀缩卷筒机构简图

图3 包芯机某多连杆变体型胀缩卷筒机构简图

卷筒面偏斜可理解为机构中构件2没达到预设的运动轨迹，因此需要先对该机构的自由度进行分析。由该机构简图可知，机构中的可活动构件数量n为4，高副数量PH为0，低副数量PL为5(在活动构件4中有一处局部自由度)。所以根据平面机构自由度的计算公式:

可得:

则F=2。

因为要使机构具有确定的运动，必须保证机构的原动件数等于机构的自由度数。由于该机构中只有活动构件4为原动件，即该机构只有一个原动件。经上面的推导计算可知，该机构的自由度F=2。显然机构的原动件数不等于机构的自由度数，机构不具有确定的运动，所以该机构在实际应用中会存在卷筒面偏斜的问题。

后来针对卷筒面偏斜的问题，在两侧的卷筒边板上增加了限位销钉，但由于没有从根本上解决机构原动件数不等于机构自由度数的问题，所以改造的效果并不理想。

2.2 胀缩困难

由于多连杆机构不具备自锁性，为了防止胀起的卷筒在运行过程中收缩，采用了具有自锁性的螺纹副来实现自锁功能。

要使螺纹自锁，必须使螺纹的升角θ小于或等于摩擦角α。由于摩擦因数fs与摩擦角α存在对应关系式:fs=tanα。已知钢与钢之间的摩擦因数fs=0.1，则α=5.71°，为保证自锁通常取θ=4°左右。由于螺纹升角与螺距成正比关系，较小的螺纹升角对应较小的螺距。因此，要实现预定的胀起或收缩效果，需要胀缩螺母旋拧较多的圈数。

另外，螺纹副直接加工在主轴上，由于主轴为保证有足够的强度和刚度需要较大的轴径，致使用于实现自锁的螺母也较大，超出了常用工具的范围，需要特制专用工具，而且特制的专用工具较大、较沉，不利于操作。图1为针对特制专用工具笨重的问题，提出的改造方案:在螺母外加装了便于施力使其旋转的杠杆。但受结构限制，螺母位于卷筒内部，也不利于操作。

综上所述，不方便操作的方式还要使胀缩螺母旋拧较多的圈数，使胀缩过程费时费力。

3 改造方案

针对多连杆机构存在的问题，在实现卷筒胀缩功能的前提下，对执行机构进行了重新选定，其结构简图如图4所示。

根据该机构简图可知，机构中的可活动构件数量n为3，高副数量PH为0，低副数量PL为4。所以根据平面机构自由度的计算公式:

可得:

则F=1。

由于该机构中的可动构件楔块1为原动件，即该机构只有一个原动件。因此机构中原动件数等于机构的自由度数，所以该机构有确定的相对运动。

图4 包芯机胀缩卷筒改造方案机构简图

由于机构中楔块1由锥度不同的两段组成，其L2段锥角β的角度值较大，可实现卷筒3在较短轴向位移上较大的径向升降，完成卷筒的胀缩功能。其L1段锥角Ω的角度值较小，可保证Ω≤θ以实现自锁功能。从整体上看，构件1只需要完成水平方向上的直线运动，就能实现构件3的升降与自锁。由于完成直线运动的机构种类很多，可以从中选取结构简单，方便可靠的方式来实现自动化作业。

4 结论

通过机构方案的改进，以楔块简单的直线运动，取代了复杂的多连杆螺旋组合运动，可从根本上解决卷筒面偏斜、胀缩困难的问题，避免了使用特制工具或杠杆来手动旋拧胀缩螺母的低效生产方式，为日后设备的自动化拆卸线卷提供了条件。

［1］孙桓陈作模葛文杰.机械原理.7版.北京:高等教育出版社，2006，5.

［2］申冰冰.实用机构图册.2版.北京:机械工业出版社，2013，8.

［3］哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.北京:高等教育出版社，2002，8.