液压打饼机的结构原理与设计分析

翟会丽

(恒天重工股份有限公司(中国)，河南 郑州 450053)

近年来，随着色纺技术的不断发展，对染色的散纤维需求量不断增加，散纤维染棉企业生产模式也逐步由传统的作坊式向规模化和大型化发展。我公司经过近几年的不断努力，研发了新型的散纤维染色工艺流程:干开机→打饼机→染缸→顶饼机→甩干机→预开机→湿开机→开松机→烘干机→打包机。打饼机位于流程的初始阶段，它使开松后的散纤维在棉笼中压制成饼，得到符合染色工艺要求的尺寸固定、密度一致的成型纤维饼。由于传统生产的打饼机采用“模拟人工踩踏，利用压脚冲击力”来制饼的原理，棉饼的最大密度始终在200kg/m3左右，这样的棉饼在高温高压染缸内容易被高压水流冲散，从而导致散纤维溢出染缸，远不能适应高温高压染色等高档设备。为了解决上述问题，提高棉饼密度，充分发挥染缸工作能力，我公司决定开发新型液压打饼机，使棉饼密度提高至320kg/m3。由于液压打饼机是通过逐渐增加的静压力压制棉饼，所以棉饼内部各处压力一致，分布更均匀，不易产生皮棉疵点，产量大，效率高。

1 结构简述

图1

1.1 机架部件。机架为龙门式，由横梁1、立柱2(含主液压缸导轨4)和底座14组成，用于承受棉饼制作时液压缸两端高达7.5X105～1.2X106的支持力，同时为压棉部件的上下运动提供导向支撑。

1.2 棉笼部件。棉笼部件由主笼8、辅笼6和辅笼升降装置5组成，主要用于收拢喂棉斗喂入的散纤维，盛放成型棉饼。主笼与染缸棉笼通用，成型棉饼和主笼一同被吊入染缸。辅笼和主笼叠加形成大号棉笼，高达4m，确保喂棉时单个棉饼所需的散纤维不会溢出棉笼。辅笼升降装置用于主笼和辅笼的分离。

1.3 压棉部件。压棉部件是该设备核心部件，由液压站、主液压缸3和压头18组成，用于提供制饼压力。同时，辅笼升降液压缸7为辅笼升降装置5的运动提供动力。

1.4 小车部件。小车部件由小车13、小车移动减速机11、小车旋转减速机12、小车定位挡块15和小车定位气缸10组成。小车旋转减速机通过齿轮传动带动棉笼旋转，确保散纤维均匀喂入;小车移动减速机及小车定位气缸、挡块用于棉笼在喂棉和压棉工位的互转定位。

2 工作原理

该设备开始工作时，辅笼位于压棉工位，小车位于喂棉工位。人工将空的主笼吊上小车，由定位挡圈固定，然后在主笼底部放棉托盘，操作小车载着主笼到压棉工位停稳，操作辅笼下降。此时辅笼与主笼叠加成大号棉笼，然后大号棉笼被小车带回喂棉工位，喂棉斗开始喂棉。喂棉时棉笼不停旋转，同时洒水鸭嘴不停喷水，保证棉笼内部各处纤维高度和含水量一致。当喂入散纤维达到一定重量时，系统发出信号，人工操纵小车移动到压棉工位停稳，定位气缸伸入小车对应卡槽，将其锁死。然后主液压缸推动压头缓慢下压，使蓬松的散纤维逐渐变得密实，直到达到设定的第一个棉饼高度为止。棉饼成型后，压头上升至最高限位，人工操作小车回到喂棉工位，完成第一个饼的制饼过程，重复喂棉－压棉过程，直至完成第二个、第三个棉饼的压制。当第三个棉饼压制完成后，辅笼升降液压缸推动辅笼上升，与主笼脱离，然后小车载着主笼回到喂棉工位，人工将主笼吊离该机用于后续染色工作。

3 设计分析

根据结构特点及工作原理，我们进行了有效地、合理的计算分析，保证整机的运行可靠性和稳定性。

3.1 横梁结构的受力分析

机架形式采用龙门式，由于压棉时，其顶端的横梁中心要承受高达1.2X106N的反作用力，因此横梁的强度和刚度显得尤其重要。为提高横梁的强度和刚度，我们设计时采用两根300×300×10×15mm的H型钢和承重板以及两端的连接板组成的整体框架结构，并在框架内部和H型钢的侧面设计加强筋。在此基础上我们又通过采用Pro/E三维建模软件对横梁结构进行数学建模，建模完成后导入Ansys有限元分析软件中进行受力分析。分析结果如图2、3所示。

图2 变形分布图

图3 应力分布图

从图中可以看出，横梁最大变形量为0.99627mm，小于设计所规定值1mm;最大综合应力为400.13MPa，小于材料的需用应力值1550MPa。由此可以看出横梁的结构能够满足设备运行的稳定性要求。

3.2 液压缸活塞压杆稳定性计算分析

压头的上下运动和棉饼密度的获得主要依靠主液压缸完成，为降低设备高度，设计时采用活塞杆一端作为固定端，固定于横梁上，压头的上下运动依靠活塞缸的运动来实现，根据主棉笼的高度尺寸和棉饼密度的要求，我们采用缸径φ220mm，行程为4000mm的活塞缸，由于液压缸支承长度超过了10－15倍缸径，因此需对活塞杆弯曲稳定性进行校核分析。

由机械设计手册可知:

根据P1≤PK/nk

nk—安全系数 nk≈3.5 ～6

P1—液压缸的推力P1=1.2X106N

PK—活塞杆弯曲失稳临界压缩力PK=11.36X106N

PK/PK≥nk11.36X106N/1.2X106N≥6

通过计算，可以看出我们选取的活塞杆直径φ160mm是可行的。

3.3 横梁与立柱之间连接螺栓强度计算

横梁与两立柱间通过两组螺栓联接，螺栓组需承受横梁在工作中承受棉饼作用的向上的反作用力Fmax=1.2X106N，单个螺栓组的约束力F1max=Fmax/2=1.2X106N/2=6X105N。由于压棉是一个压力缓慢增大的过程，所以F可以当作静载荷，我们取其最大值来进行设计计算。选定螺栓的数目及布置形式，对螺栓进行强度校核计算后，我们确定每侧螺栓个数为14个，螺栓规格为M24、等级为12.9级的高强螺栓。

3.4 组合碟簧计算

为使小车部件能够实现在喂棉和压棉两个工位间的来回移动，且在压棉工位使小车承压板与底座承重垫圈在压棉时能够轻易接触，我们在小车固定的底架和承压板之间设计了9组碟簧。这9组碟簧来承受载荷G(G包括小车本身重量、两个棉笼重量以及相应的湿棉饼的重量)。当在压棉工位液压缸工作压饼时，碟簧所受力为载荷G和液压缸压力，此时碟簧变形量较大，使所受力完全压在打饼机底轨承重垫圈上表面(如图4所示)。为保证小车来回移动，我们确定碟簧在装配时需预紧，承压板下表面与底轨承重垫圈上表面间隙为15mm，当承重后，碟簧组能够提供的最大变形量f总减去承受上述载荷G时的变形量f'所得到的剩余变形量f″≥10mm，确保压制成饼后，碟簧变形仍能够保证承压板下表面与底轨承重垫圈上表面有一定的间隙。在已知载荷和导杆最大直径的条件下，根据结构要求承载时的最大变形量fz，根据机械设计手册计算可以求出单个碟的变形量f1，通过fz/f1=i求出所需碟簧片数为8。

图4

4 结束语

这种新型的液压打饼机的设计开发，将使我公司染色棉成套设备更加丰富完善，对于不同用户不同品种纤维染色工艺的适应性更强，市场前景广阔。

[1]成大先主编.机械设计手册[M].第3版第2卷.北京:化学工业出版社，2000:1－7.

[2]成大先主编.机械设计手册[M].第3版第4卷.北京:化学工业出版社，2000:1－7.