一种橡胶管环切机的设计
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环形切割机的工作流程为:以电动机作为设备原 动机，通过联轴器连接圆锥齿轮副改变动力输出方 向，经过一级减速装置后带动装配在固定轴上的齿 轮,从而刀架旋转带动刀具对橡胶管进行环形切割。 刀具下刀和还刀动作主要由刀架上端的电磁铁改变 电极所控制。 通过以上两组动作相互配合来完成对 橡胶管环绕切割的目的。
P d-Pw
n 式中:pd为动力源所需功率,kw；n为传动组总效率。
传动装置总效率为： n 二nn5nn 由文献［2］中取得传动效率,联轴器n1 -0.99、滚 动轴承n2 - 0.99、圆锥齿轮n3 - 0.97、圆柱齿轮n4 098. 。 n-0.99x0.995x0.97x0.98-0.89 根据常见机械切割设备，取刀具以及主轴上零件 的总质量为1250 g,取切割刀片的工作区域为0.5 m。
在安全的使用范围内，通过控制系统使电磁铁完 成充磁和退磁的工作，在圆柱铁芯中心开槽,产生其 与电磁吸盘配合后的径向约束,提高切割胶管的精确 度。电磁吸附装置结构设计如图3所示。
30
向和径向约束。结构设计如图6、7所示
MLL 110
图5电刷支架结构设计
图3电磁吸盘
4.2供电装置设计 切割系统的工作方式为环绕切割,采用传统供电
ing the operation process and improves the processing efficiency of the cutter.
Key words: rubber hose ； ring cutting machine ； principal axis ； mechanism design
0引言 中国机械制造行业已经使用数亿吨的橡胶,随着
我国工业现代化的高速发展,橡胶切割加工效率和质 量也必须不断提高，我国橡胶产业正处于快速发展时 期,橡胶加工业略显落后，主要表现为加工效率低、加 工精确度不足，加工成本高等。例如,在对橡胶棒料 的切割加工时多采用激光切割设备、等离子切割设备 等，这类机械切割设备大多需要从外国引进 [']o目 前专业切割橡胶管切割机的需求越来越迫切,橡胶机 械制造行业要实现可持续发展,应该积极促进橡胶切 割加工科研开发技术，尽快满足橡胶切割加工行业发 展需求。
*收稿日期：2021-04-30 基金项目：省级级大学生科研实践与创新创业训练计划项目：一种橡胶管环切机的设计（编号:S202010380019）。 作者简介:魏苏皖（2001-）,女，安徽宿州人，研究方向：材料成型。
-104 -
机械研究与应用 • 2021年第3期(第34卷，总第173期)
设计与开发
图1橡胶管环切机的结构图
1.箱体2.放置孔3.输入轴4.主动锥齿轮5.转轴6.固定 轴7.从动锥齿轮&主动直齿轮9.从动直齿轮15.圆柱铁 芯16.定位孔17.电刷铜环18.绝缘木环19.电刷支架 21.橡胶管
3
图2橡胶管环切机中旋转架的结构图
1.旋转架2.刀架3.刀具4.电磁吸盘5.锥形定位柱 6.电磁铁
根据本设计的实际工作要求,需设计一种装置来 连接圆柱大齿轮和刀具并完成同步旋转，故设计了如 图6所示的旋转刀架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用 4个平头螺钉进行连接。同时刀具的安装采用螺栓 进行约束，由于本设计刀具的下刀和还刀动作分别由 电磁铁提供吸附力和排斥力来实现，故螺栓仅用于轴
-106 -
图7旋转刀架俯视图
设计与开发
2021年第3期（第34卷，总第173期） -机械研究与应用・
doi：10.16576/ki.1007-4414.2021.03.030
一种橡胶管环切机的设计”
魏苏皖，刘 婧，马宇飞，邵殿飞
(巢湖学院 机械工程学院，安徽 巢湖238000)
摘 要:橡胶管环切机是橡胶管工业中常见的设备，在结合国內现有技术基础上，通过三维建模设计出一种快速切割
此次设计要求重点是所设计的装置需连接圆柱 大齿轮和刀具并完成同步旋转，如图2所示的旋转 架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用4个平头螺钉进行 连接。同时刀具的安装采用螺栓进行约束，由于本设 计刀具的下刀和还刀动作分别由电磁铁提供吸附力 和排斥力来实现,故螺栓仅用于轴向和径向约束。 2橡胶管环切机的工作原理
针对传统切割设备切割橡胶毛料,加工成本普遍 较高，切割效率低问题,笔者在前人研究基础上提出 一种橡胶管快速切割机设计方案，通过介绍此橡胶管 环切机的工作原理，电机选择,切割系统设计和轴有 限元分析,验证了此设计的可行性方案,解决现有问
题，为降低生产成本和提高生产效率提供一种新的 方法。 1橡胶管环切机总体结构设计方案
4切割系统设计 4.1电磁吸附装置设计
电磁吸附装置用于吸附固定与橡胶管配合后的
-105 -
设计与开发
2021年第3期（第34卷，总第173期） -机械研究与应用-
圆柱铁芯,其组成为铁芯、底壳和线圈,根据实际工作 要求确定底壳和铁芯的尺寸,按照工艺要求缠绕相应 匝数的线圈,之后完成密封工作。
根据本设计的工作要求选择由文献 ［4］选择XH -P65型吸盘电磁铁作为主要吸附装置，其参数为D 二 65 mm, d 二 26 mm, H 二 30 mm, L - 300 mm, P - 13 W,F =800 N,自重 600 go
文章编号：1007-4414(2021)03-0104-04
Design of a Rubber Pipe Ring Cutting Machine
WEI Su-wan，LIU Jing，MA Yu-fei，SHAO Dian-fei
(School of Mechanical Engineering，Chaohu University，Chaohu Anhui 238000，China)
3电动机的选择 3.1电动机计算
查阅文献［2］并根据实际工作要求选定Y系列 电机，电机参数见表1o
经查阅文献［3］,选取本设计的切割系统的转速 n - 90 r/ min。
工作机所需功率为：
T Xn Pw 9550 式中:Pw为切割系统所需功率,kw； T为切割系统阻 力矩,N • m；n为切割系统的转速,r/min。 电动机所需功率为：
modeling. Different from other common rubber pipe cutting machine， the main feature of the rubber pipe ring cutting machine
is to rotate the tool holder through the transmission system，so as to drive the tool to cut the rubber pipe rotary around. The cut
ting system is mainly composed of electromagnetic adsorption device，power supply device，rotating tool carrier. The electro
magnetic adsorption device is used to adsorb and fix the cylindrical iron core with the rubber pipe. The cutting tool's action is
Abstract: The rubber pipe ring cutting machine is a common equipment in rubber pipe industry； in this paper，based on the
existing domestic technology，a kind of automatic rubber pipe ring cutting machine is designed through three-dimensional
5轴有限元分析 使用Solidworks软件的Simulation模块对传动系
统中的中间转轴进行静力学分析和疲劳分析。中间 轴的三维模型如图 8 所示。
轴名
电动机轴 I轴 n轴
工作机
表2各轴动力参数
功率/kW 输入 输出
6.543
转矩/(N - m) 输入 输出
64.98
转速 / (r/ min)
970
6.543 6.270 64.330 166.49 970
6.270 6.080 166.49 646.11
360
6.080
646.11
90
在Simulation模块中创建一个新算例并选择类 型为静应力分析。
机械研究与应用 • 2021年第3期(第34卷，总第173期)
设计与开发
选择材料属性为 E =2.05x1011Pa,£ = 0.29,p = 7 850 kg/m3Q = 530 MPa的45#钢为定义轴材料。添 加正确的夹具约束以模拟转轴的受力情况，点击夹具 顾问选择固定几何体夹具并添加至小圆柱齿轮安装 位置及长键槽处,完成约束以完成边界条件的设置。 由表2得知中间轴输入扭矩Tn = 166.49 N •叫将扭 矩添加置大圆锥齿轮安装位置及短键槽处。选择网 格控制调整局部网格细化添加至短键受力面,定义整 体网格密度为良好,雅可比点为4点,采用咼品质网 格单元，生成网格，网格单元大小为2.931 1 mm,节点 数为165 879,单元总数为115 901o生产有限元模型 如图 9 所示。
型号 Y160M-6
额定功率 /kW 7.5
表1电机主要技术参数
满载转速r 轴径D 伸出长度E
/ min
/ mm
/ mm
970
42
110
堵转转矩 最大转矩
2.0
额定转矩 2.0
3.2齿轮设计结论 齿数 z1 -23,z2-93,模数 m - 3 mm,齿宽 B1 - 75
mm,B2 - 70 mm,中心距 a - 174 mm。
如图1所示，橡胶管环切机构包括箱体，箱体内 设有输入轴，输入轴伸出箱体与电机的输出轴固定 , 并与箱体通过轴承连接,远离电机的一端与主动锥齿 轮固定;箱体内竖直设有转轴和固定轴，转轴的两端 分别与箱体通过轴承连接，且分别与从动锥齿轮和 主动直齿轮的中心固定；从动锥齿轮与主动锥齿 轮啮合连接；固定轴下端与箱体内壁固定,固定轴 外套设有从动直齿轮,从动直齿轮与固定轴通过 轴承连接， 与主动直齿轮啮合连接； 从动 直齿轮上 端对称固定有旋转架,旋转架上端固定有铁制刀 具的刀架、电磁铁；固定轴上端固定有电磁吸盘, 电磁吸盘上端设有圆柱铁芯；从动直齿轮的轮毂 外缘套设固定有电刷铜环和绝缘木环,箱体内底 部固定有电刷的电刷支架。
橡胶管环切机。该橡胶管环切机的主要特征是通过传动系统使刀架进行旋转，从而带动刀具对橡胶管进行刀旋式环
绕切割。介绍了装置结构，验证了此设计的可行性方案，通过此次对橡胶管环切机的试验，达到了操作过程简化的目
标,提高了切割机的加工效率。
关键词：橡胶管；环切机;主轴；机构设计
中图分类号：F767.5
文献标志码:A
方式会产生电线环绕的问题，因此采用电刷系统供电 来解决供电问题。电刷系统主要组成为绝缘木、铜 环、铁环和电刷。安装位置为大圆柱齿轮凸缘外围。 绝缘架由绝缘木制成，由两个铜环内嵌绝缘木内部, 并引出导线。结构设计如图4所示。
图6旋转刀架主视图
()112 -1-
0?42
图4电刷供电铜环
II V
为保证供电系统稳定,需设计电刷支架支撑电 刷，保证电刷与供电铜环稳定连接，设计将电刷支架 用螺钉固定在箱体底部，为保证电刷支架稳定，底部 设计为圆形，通过四个螺钉进行固定。结构设计如图 5 所示。 4.3旋转刀架部分
Tnபைடு நூலகம்GLn
Pw
9550 9550
Pw
Pd- ' -6.6 (kW)
n
由文献［2］中选择电动机额定功率： P品-7.5 (kW) 由切割设备转速为90 r/min。 nd - i'n - ( i1 'i2') n 式中:珀'为圆齿轮合理传动比范围2~3；i2‘为圆柱齿 轮合理传动比范围3~5。 nd - 540- 1 350 (r/min) 经查阅文献［2］,选定电机型号为Y160M-6,额 定功率Ped-7.5 kW,同步转速n-1 000 r/min。技术 参数见表1o
realized by the electromagnet to provide adsorption force and repulsion force respectively. The device structure is introduced，
and the feasibility of the design is then verified. Through the test of the rubber pipe ring cutter， it achieves the goal of simplify
P d-Pw
n 式中:pd为动力源所需功率,kw；n为传动组总效率。
传动装置总效率为： n 二nn5nn 由文献［2］中取得传动效率,联轴器n1 -0.99、滚 动轴承n2 - 0.99、圆锥齿轮n3 - 0.97、圆柱齿轮n4 098. 。 n-0.99x0.995x0.97x0.98-0.89 根据常见机械切割设备，取刀具以及主轴上零件 的总质量为1250 g,取切割刀片的工作区域为0.5 m。
在安全的使用范围内，通过控制系统使电磁铁完 成充磁和退磁的工作，在圆柱铁芯中心开槽,产生其 与电磁吸盘配合后的径向约束,提高切割胶管的精确 度。电磁吸附装置结构设计如图3所示。
30
向和径向约束。结构设计如图6、7所示
MLL 110
图5电刷支架结构设计
图3电磁吸盘
4.2供电装置设计 切割系统的工作方式为环绕切割,采用传统供电
ing the operation process and improves the processing efficiency of the cutter.
Key words: rubber hose ； ring cutting machine ； principal axis ； mechanism design
0引言 中国机械制造行业已经使用数亿吨的橡胶,随着
我国工业现代化的高速发展,橡胶切割加工效率和质 量也必须不断提高，我国橡胶产业正处于快速发展时 期,橡胶加工业略显落后，主要表现为加工效率低、加 工精确度不足，加工成本高等。例如,在对橡胶棒料 的切割加工时多采用激光切割设备、等离子切割设备 等，这类机械切割设备大多需要从外国引进 [']o目 前专业切割橡胶管切割机的需求越来越迫切,橡胶机 械制造行业要实现可持续发展,应该积极促进橡胶切 割加工科研开发技术，尽快满足橡胶切割加工行业发 展需求。
*收稿日期：2021-04-30 基金项目：省级级大学生科研实践与创新创业训练计划项目：一种橡胶管环切机的设计（编号:S202010380019）。 作者简介:魏苏皖（2001-）,女，安徽宿州人，研究方向：材料成型。
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机械研究与应用 • 2021年第3期(第34卷，总第173期)
设计与开发
图1橡胶管环切机的结构图
1.箱体2.放置孔3.输入轴4.主动锥齿轮5.转轴6.固定 轴7.从动锥齿轮&主动直齿轮9.从动直齿轮15.圆柱铁 芯16.定位孔17.电刷铜环18.绝缘木环19.电刷支架 21.橡胶管
3
图2橡胶管环切机中旋转架的结构图
1.旋转架2.刀架3.刀具4.电磁吸盘5.锥形定位柱 6.电磁铁
根据本设计的实际工作要求,需设计一种装置来 连接圆柱大齿轮和刀具并完成同步旋转，故设计了如 图6所示的旋转刀架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用 4个平头螺钉进行连接。同时刀具的安装采用螺栓 进行约束，由于本设计刀具的下刀和还刀动作分别由 电磁铁提供吸附力和排斥力来实现，故螺栓仅用于轴
-106 -
图7旋转刀架俯视图
设计与开发
2021年第3期（第34卷，总第173期） -机械研究与应用・
doi：10.16576/ki.1007-4414.2021.03.030
一种橡胶管环切机的设计”
魏苏皖，刘 婧，马宇飞，邵殿飞
(巢湖学院 机械工程学院，安徽 巢湖238000)
摘 要:橡胶管环切机是橡胶管工业中常见的设备，在结合国內现有技术基础上，通过三维建模设计出一种快速切割
此次设计要求重点是所设计的装置需连接圆柱 大齿轮和刀具并完成同步旋转，如图2所示的旋转 架，大圆柱齿轮与刀架的连接采用4个平头螺钉进行 连接。同时刀具的安装采用螺栓进行约束，由于本设 计刀具的下刀和还刀动作分别由电磁铁提供吸附力 和排斥力来实现,故螺栓仅用于轴向和径向约束。 2橡胶管环切机的工作原理
针对传统切割设备切割橡胶毛料,加工成本普遍 较高，切割效率低问题,笔者在前人研究基础上提出 一种橡胶管快速切割机设计方案，通过介绍此橡胶管 环切机的工作原理，电机选择,切割系统设计和轴有 限元分析,验证了此设计的可行性方案,解决现有问
题，为降低生产成本和提高生产效率提供一种新的 方法。 1橡胶管环切机总体结构设计方案
4切割系统设计 4.1电磁吸附装置设计
电磁吸附装置用于吸附固定与橡胶管配合后的
-105 -
设计与开发
2021年第3期（第34卷，总第173期） -机械研究与应用-
圆柱铁芯,其组成为铁芯、底壳和线圈,根据实际工作 要求确定底壳和铁芯的尺寸,按照工艺要求缠绕相应 匝数的线圈,之后完成密封工作。
根据本设计的工作要求选择由文献 ［4］选择XH -P65型吸盘电磁铁作为主要吸附装置，其参数为D 二 65 mm, d 二 26 mm, H 二 30 mm, L - 300 mm, P - 13 W,F =800 N,自重 600 go
文章编号：1007-4414(2021)03-0104-04
Design of a Rubber Pipe Ring Cutting Machine
WEI Su-wan，LIU Jing，MA Yu-fei，SHAO Dian-fei
(School of Mechanical Engineering，Chaohu University，Chaohu Anhui 238000，China)
3电动机的选择 3.1电动机计算
查阅文献［2］并根据实际工作要求选定Y系列 电机，电机参数见表1o
经查阅文献［3］,选取本设计的切割系统的转速 n - 90 r/ min。
工作机所需功率为：
T Xn Pw 9550 式中:Pw为切割系统所需功率,kw； T为切割系统阻 力矩,N • m；n为切割系统的转速,r/min。 电动机所需功率为：
modeling. Different from other common rubber pipe cutting machine， the main feature of the rubber pipe ring cutting machine
is to rotate the tool holder through the transmission system，so as to drive the tool to cut the rubber pipe rotary around. The cut
ting system is mainly composed of electromagnetic adsorption device，power supply device，rotating tool carrier. The electro
magnetic adsorption device is used to adsorb and fix the cylindrical iron core with the rubber pipe. The cutting tool's action is
Abstract: The rubber pipe ring cutting machine is a common equipment in rubber pipe industry； in this paper，based on the
existing domestic technology，a kind of automatic rubber pipe ring cutting machine is designed through three-dimensional
5轴有限元分析 使用Solidworks软件的Simulation模块对传动系
统中的中间转轴进行静力学分析和疲劳分析。中间 轴的三维模型如图 8 所示。
轴名
电动机轴 I轴 n轴
工作机
表2各轴动力参数
功率/kW 输入 输出
6.543
转矩/(N - m) 输入 输出
64.98
转速 / (r/ min)
970
6.543 6.270 64.330 166.49 970
6.270 6.080 166.49 646.11
360
6.080
646.11
90
在Simulation模块中创建一个新算例并选择类 型为静应力分析。
机械研究与应用 • 2021年第3期(第34卷，总第173期)
设计与开发
选择材料属性为 E =2.05x1011Pa,£ = 0.29,p = 7 850 kg/m3Q = 530 MPa的45#钢为定义轴材料。添 加正确的夹具约束以模拟转轴的受力情况，点击夹具 顾问选择固定几何体夹具并添加至小圆柱齿轮安装 位置及长键槽处,完成约束以完成边界条件的设置。 由表2得知中间轴输入扭矩Tn = 166.49 N •叫将扭 矩添加置大圆锥齿轮安装位置及短键槽处。选择网 格控制调整局部网格细化添加至短键受力面,定义整 体网格密度为良好,雅可比点为4点,采用咼品质网 格单元，生成网格，网格单元大小为2.931 1 mm,节点 数为165 879,单元总数为115 901o生产有限元模型 如图 9 所示。
型号 Y160M-6
额定功率 /kW 7.5
表1电机主要技术参数
满载转速r 轴径D 伸出长度E
/ min
/ mm
/ mm
970
42
110
堵转转矩 最大转矩
2.0
额定转矩 2.0
3.2齿轮设计结论 齿数 z1 -23,z2-93,模数 m - 3 mm,齿宽 B1 - 75
mm,B2 - 70 mm,中心距 a - 174 mm。
如图1所示，橡胶管环切机构包括箱体，箱体内 设有输入轴，输入轴伸出箱体与电机的输出轴固定 , 并与箱体通过轴承连接,远离电机的一端与主动锥齿 轮固定;箱体内竖直设有转轴和固定轴，转轴的两端 分别与箱体通过轴承连接，且分别与从动锥齿轮和 主动直齿轮的中心固定；从动锥齿轮与主动锥齿 轮啮合连接；固定轴下端与箱体内壁固定,固定轴 外套设有从动直齿轮,从动直齿轮与固定轴通过 轴承连接， 与主动直齿轮啮合连接； 从动 直齿轮上 端对称固定有旋转架,旋转架上端固定有铁制刀 具的刀架、电磁铁；固定轴上端固定有电磁吸盘, 电磁吸盘上端设有圆柱铁芯；从动直齿轮的轮毂 外缘套设固定有电刷铜环和绝缘木环,箱体内底 部固定有电刷的电刷支架。
橡胶管环切机。该橡胶管环切机的主要特征是通过传动系统使刀架进行旋转，从而带动刀具对橡胶管进行刀旋式环
绕切割。介绍了装置结构，验证了此设计的可行性方案，通过此次对橡胶管环切机的试验，达到了操作过程简化的目
标,提高了切割机的加工效率。
关键词：橡胶管；环切机;主轴；机构设计
中图分类号：F767.5
文献标志码:A
方式会产生电线环绕的问题，因此采用电刷系统供电 来解决供电问题。电刷系统主要组成为绝缘木、铜 环、铁环和电刷。安装位置为大圆柱齿轮凸缘外围。 绝缘架由绝缘木制成，由两个铜环内嵌绝缘木内部, 并引出导线。结构设计如图4所示。
图6旋转刀架主视图
()112 -1-
0?42
图4电刷供电铜环
II V
为保证供电系统稳定,需设计电刷支架支撑电 刷，保证电刷与供电铜环稳定连接，设计将电刷支架 用螺钉固定在箱体底部，为保证电刷支架稳定，底部 设计为圆形，通过四个螺钉进行固定。结构设计如图 5 所示。 4.3旋转刀架部分
Tnபைடு நூலகம்GLn
Pw
9550 9550
Pw
Pd- ' -6.6 (kW)
n
由文献［2］中选择电动机额定功率： P品-7.5 (kW) 由切割设备转速为90 r/min。 nd - i'n - ( i1 'i2') n 式中:珀'为圆齿轮合理传动比范围2~3；i2‘为圆柱齿 轮合理传动比范围3~5。 nd - 540- 1 350 (r/min) 经查阅文献［2］,选定电机型号为Y160M-6,额 定功率Ped-7.5 kW,同步转速n-1 000 r/min。技术 参数见表1o
realized by the electromagnet to provide adsorption force and repulsion force respectively. The device structure is introduced，
and the feasibility of the design is then verified. Through the test of the rubber pipe ring cutter， it achieves the goal of simplify