智能拉丝设备定速轮装置的研究分析

吴明辉，都敏生，刘先进，刘念培

(1.芜湖楚江合金铜材有限公司，安徽 芜湖 241000；2.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 芜湖 241000)

大拉连退是现阶段黄铜拉丝行业领域中运用较为广泛的一种自动化设备，是目前企业中实现自动化生产、提高生产效率的机械设备，该设备相比于以往设备，不仅提高了产品的工艺参数指标，还在获得高产量的同时，降低了工人的劳动强度，为企业带来更多利润。

在我国铜丝材行业领域中，随着客户对产品质量的要求越来越高，相应的促使丝材生产企业不断寻求具有更高技术水平的拉丝设备以生产出高精度、高性能的丝材产品。本文根据生产实践经验对本公司用于生产切割线的大拉连退设备进行技术改造，研发设计了一种新的定速轮轴结构，以解决铜丝表面出现的花纹、划痕、掉铜粉的现象，产品的品质得到较大提升，同时设备的运行也更加平稳。

1 原轴结构的分析

1.1 大拉连退简介及定速轮作用

本机为SNH-9M-HT-15粗线伸线机，动力部分使用西门子变频器张力稳定试控制，可在0～550MPM内进行调节，通过测速电机反馈信息调节，使退火电压与拉丝线速度保持同步，保证退火质量。本机主要作用是将本公司生产用于制造切割线的Φ8.0mm的铜线材拉至Φ3.0mm，并在拉伸之后接退火，对铜线进行软化处理，本设备性能相对可靠，运行比较平稳，对工人而言操作起来方便，利于生产。其中，设备中的定速轮主要用于确定拉丝的最高线速，将拉伸后的铜丝传到退火区进行退火，期间要保证铜丝紧贴于轮体，防止铜丝松动出现滑差现象，以及铜丝在轮体上易位产生夹丝，损坏铜丝表面。所以，定速轮能否稳定运行直接决定着产品质量的高低。

1.2 原轴结构的缺陷

通过多次现场实际勘察，发现设备在运行过程中，定速轮轴部件极易出现损坏，使定速轮在运行过程中，轮体本身产生晃动，无法稳定运行，导致铜丝受力不均，忽松忽紧，不能紧贴轮体，使产品表面出现严重的滑差。将定速轮拆开后，发现轴上安装轴承的位置(图1中标注100处位置)，出现清晰的压痕，使其直径略有缩小，使之与轴承的尺寸无法吻合，导致轮体不再是围绕中心点转动，并且由于定速轮是采用半浸泡式，水对轮体的腐蚀加快了轮体损坏的程度，使产品的质量受到了很大影响。

1.3 原轴的工作能力计算

对于出现的问题，经过团队的多次探讨，决定从原轴的工作能力计算入手，验证该结构设计是否合理，其结构如图2所示。该轴使用的材料为钢材(Q235)，结合图1，对实心圆轴的扭转强度进行验证：

式中，τT为许用扭剪应力，MPa；P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；d为轴的直径，mm；接着检验该轴的直径尺寸是否合理，对轴的基本直径进行验证：

式中，d为轴的直径，mm；C为计算常数，取决于轴的材料和受载情况。将数值代入，经过计算，发现轴本身的强度符合标准，以及相应的扭转刚度条件Φ≤[Φ]，弯曲刚度条件y≤[y]，θ≤[θ]。对此，从实际应用方面再进行探究，发现轴上轴承安装的位置(轴颈)，相离过近，两个轴承，图1中标注100处滚动轴承(自定位)和101处圆柱滚动轴承，轴颈之间相距140mm以内，而101处轴颈与定速轮之间的最远距离约为220mm。在短期的运转中，101轴颈处受到的压力过大，轴承与轴之间产生极大的磨损，使定速轮不能稳定运行，如何调整轴颈的位置以及轴身的尺寸，使轴的受力合理，是解决该问题的关键所在。

2 轴结构改造方案

为了使本公司的大拉连退设备运行更加稳定，产品表面质量更加可靠，经过科研团队商议，决定对设备的定速轮轴结构重新设计，使轴上作用力的大小和分布情况更加合理，轴上零件的布置位置更加准确，让定速轮运转更加稳定，使铜丝完美贴合轮体表面上，对铜丝质量不再产生影响。

通过对轴结构设计和工作能力计算两方面认真分析，在轴结构重新设计的研发内容上分为以下几部分来探讨：(1)原轴结构对产品产生的不良影响；(2)对原轴结构进行图纸绘制并进行工作能力计算；(3)根据设备实际运行设计轴的新结构；(4)对新轴结构进行设计并进行测试；(5)对新轴结构进行微调并完善。

3 新轴结构的设计与测试

3.1 轴的结构设计

由于轴最终设计的目的是用于实际设备运行当中，所以轴的结构会受多方面因素的影响，且它的结构形式还要随着具体情况的不同而产生相应的改变，所以轴没有标准的结构形式。但是轴要满足的要求还是大同小异，最重要的就是轴和轴上零件要有准确的工作位置；其次轴的受力要合理，以提高整体的强度和刚度，最后轴的形状以及尺寸有利于减小应力集中。为了能尽快让设备进入正常的生产运行，经团队商议决定，改变现阶段轴身的尺寸，增加轴颈之间的距离，使轴颈处的负荷力减小，使两处轴颈承受的载重力达到平衡，避免出现两处轴颈一处受力过大、一处受力偏小的不合理现象。

根据设备本身的实际情况，决定将轴颈之间的距离增加到280mm，增大轴颈之间距离的同时，也直接加长了轴身的尺寸，使得101处轴颈作为一个支点位置，让轴承承受的力度大大减小。轴承的最基本作用就是用于支撑轴进行旋转运动或者静止，这种改动就使轴承的载荷在标准范围内，保证其强度和刚度；减小现阶段的摩擦力矩，使转动比以往更加灵活，并且良好的支承精度，可以保证支承零件的回转精度。

由于轴身及轴颈距的增大，使得原安装方式(图3)不再适用，100轴颈位置超出设备后箱体。为使定速轮保持原有位置，不破坏箱体内部机械结构，保障设备正常运行，在后箱体设计及安装一个全新的轴套，并固定在后箱体上，固定位置运用水平测量装置定位，要保证轴在安装后的绝对水平，不可出现倾斜，以免延误工期。在增加新轴套的同时，改进箱体内部轴套的结构，增大轴套的直径，通过对轴套方面的调整，最大程度上减少轴和座的磨损，延长使用寿命，由于定速轮在运作中会产生高温，所以定速轮是采用半浸泡式安装，轴套的改进也使得密封更加良好，降低了水对轴的腐蚀，变得更加耐用。定速轮在高速运转时，轴套的改进降低轴体的震动，增强稳定性，能使轴承承受更大的负荷。

由图3可以看出，定速轮与减速机之间是通过同步带实现传动，由于轴身的整体尺寸加长，同步齿轮也产生后移，而这时需要对减速机重新定位，定位的原则大致有两方面：一方面要保证减速机在找到新位置时，保证自身的水平，期间可以使用水平尺进行测量，辅助工人定位；另一方面要使两个齿轮在同一竖直面，使同步带在运作中，避免产生偏移现象使设备停止运行，以及减少对同步带的损坏。其中，对于减速机的重新定位，由于空间狭小及地面不平整，导致工程量较大，需要在后期对设备机械结构进一步优化。

3.2 新轴结构的运行测试

轴结构的设计以及对相关设备的改动，最终目的是为了使定速轮运行更加稳定，产品的质量得到提升。在对该轴进行重新制作时，尽可能保证原有直径，而只改动轴身长度，并确定新的轴颈位置，故轴的扭转强度τT以及基本直径d符合标准，接着核算当量弯矩：

式中，α为考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系数，若转矩不变，α=0.3；若是脉动循环的转矩，α=0.6；若是对称循环的转矩，α=1。最后对圆轴进行强度校验：

式中，W为危险截面的抗弯截面系数，mm3；σ-1为材料在对称循环状态下的许用弯曲力，MPa。

经过验证，该轴的设计符合上述标准，但轴的设计更多是要符合实际情况的需求，不能只追求理论，而忽略实际应用，对于轴的实际应用测试，主要分为以下几个方面：

(1)定速轮的运行是否稳定。设备运行时，通过人眼观测以及百分表测量，查看定速轮在转动过程中，百分表的跳动数值，每天测量3次，记录平均数据，为期15d，力求每次测量的数值偏差在20丝以内，若超过20丝，要进行适当调整，保证设备的高精度。

(2)轴与轴承的运转情况。设备运行15d、30d时，对设备进行维护，拆卸定速轮，观察轴上是否存在压痕，或轴承是否严重损坏，对观察的结果进行记录，若出现相关问题，对轴的位置进行微调，或更换质量更好的轴承，再观察其运转情况。

(3)产品的表面质量。改造后，使用该设备生产的铜丝比改造前的表面更加光滑，消除了铜丝表面出现的花纹、划痕、掉铜粉的现象。

经对设备原轴结构的分析计算，在考虑不影响设备其他机构的基础上，通过增加轴身尺寸，改变轴颈位置，在后箱体安装全新轴套，以及改进原有轴套，对轴进行重新定位，最大化增加定速轮的稳定性，并对减速机和同步带做出适当调整，保证传动机构的正常运行，使设备整体运行平稳，产品质量得到较大提升，达到了预期目的。

4 结论与展望

本文根据设备的实际运行情况，研发设计了一种全新的定速轮轴结构，改善设备的现有机械结构，稳定定速轮运行，生产的铜丝比改造前的表面更加光滑，消除了铜丝表面出现的花纹、划痕、掉铜粉的现象。通过本次改造，由于受实际情况影响，时间、资源有限，除了上述工作外，设备上仍有一些理论和实际问题需要进一步探讨：

(1)将现阶段定速轮的冷却方式由半浸泡式改为喷淋式，使定速轮不用长期处于水中作业，降低水对轮体的腐蚀，增加轮子的使用寿命。改为喷淋式结构，更能减轻工人的穿线劳动强度，获得更佳的降温效果。

(2)由于定速轮和减速机不在同一高度，所以二者之间通过同步带实现传动，而带来的问题就是减速机的安放位置不利于定位校准，使同步带容易偏移，若能将减速机提高到与定速轮同一高度，省去中间环节，直接同轴转动，这不仅提高了传动效率，节约了维护成本，更能保证定速轮运行的稳定性，力度分布更加均衡。

(3)很多设备在实际应用中，因为作业环境、安装空间、企业本身要求等多方面原因，仍然存在众多问题，充分了解设备在市场中的情况，针对某一领域，设计出专用或通用的经济实用型设备，必然会对未来该领域的设备研发有很大的推动作用。