一種新型圓桶提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

石航，呂萬會

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

提升機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)物料垂直升降，目前提升機(jī)構(gòu)主要采用鏈條提升和鋼絲繩提升兩種方式［1］。兼具提升和翻轉(zhuǎn)功能的提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是各類機(jī)械手，能承擔(dān)較重負(fù)載的機(jī)械手多采用液壓驅(qū)動，同時價格也非常昂貴，維修不便。為此，本文提出一種新的設(shè)計方案，研制一種能兼具提升和翻轉(zhuǎn)兩種功能，同時經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一種采用鏈傳動設(shè)計的提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提升質(zhì)量為200 kg的圓桶翻轉(zhuǎn)180°。

1 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成及工作原理

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)提升一桶200 kg物料翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)入預(yù)定的熱水槽中，等待物料熔化后電動機(jī)反轉(zhuǎn)，傳動鏈帶動空桶回到初始位置。

1.1 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的組成

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，提升系統(tǒng)由機(jī)架、提升夾具、傳送鏈，傳動軸、傳動鏈輪、張緊鏈輪、減速電動機(jī)、限位開關(guān)等組成。其中，機(jī)架由提升夾具滾輪行走的導(dǎo)向槽及方鋼焊接而成;導(dǎo)向槽轉(zhuǎn)彎半徑由傳動鏈輪決定，可以根據(jù)實(shí)際需要更改不同直徑的傳動鏈輪;提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要受力部件為提升夾具，也是重點(diǎn)分析的部件。

1.2 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

由減速電動機(jī)帶動掛接提升夾具的傳動鏈條正向提升輸送一桶200 kg的固體物料，實(shí)現(xiàn)圓桶翻轉(zhuǎn)180°倒置進(jìn)入熱水槽中，觸動限位開關(guān)后電動機(jī)停止，等待桶中固態(tài)物料熔化流盡后，減速電動機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動圓桶反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時間控水后，帶動圓桶回到原位。

2 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計與計算

2.1 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)分析

由于提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時，是一個動態(tài)過程，在翻轉(zhuǎn)過程中提升夾具受力不斷變化，所以選擇兩種極限狀態(tài)分析，第一種狀態(tài)是豎直提升時進(jìn)行分析，第二種狀態(tài)是翻轉(zhuǎn)90°時提升夾具受力最大時。

2.2 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于提升物品質(zhì)量較大，提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提升速度要求為0.05 m/s，減速電動機(jī)功率為0.25 kW，由B系列滾子鏈功率曲線選擇傳動鏈型號為 16B［2］，節(jié)距p=25.4 mm，主傳動鏈輪的齒數(shù)Z1=95，主傳動鏈輪的節(jié)圓直徑d=p/sin（180/z）=25.4/sin（180/95）=768.22 mm，即為提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎直徑。

圓桶提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的核心部件是提升夾具，提升夾具簡圖如圖2所示，提升夾具兩側(cè)滾輪支撐板上4個滾輪在導(dǎo)向槽中滾動行走，每側(cè)滾輪支撐板連接2個滾輪（2點(diǎn)組成一線）確保了在翻轉(zhuǎn)過程中提升夾具始終同步而不會自行翻轉(zhuǎn)，提升夾具在翻轉(zhuǎn)過程中滾輪行走的導(dǎo)向槽轉(zhuǎn)彎半徑與傳動鏈輪同心，傳動鏈條與提升夾具的連接方式如圖2中A－A剖視所示，通過長鏈節(jié)與提示夾具連接。在轉(zhuǎn)彎翻轉(zhuǎn)過程中存在的突出問題是由兩個滾輪在導(dǎo)向槽中行走（兩點(diǎn)確定一線）確定的弦與鏈條長鏈節(jié)上兩銷軸旋轉(zhuǎn)確定的弦存在一定的角度差，在翻轉(zhuǎn)的過程中相互間會互相較勁從而使鏈條在鏈輪轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象，同時加速鏈條與提升夾具相互連接的長鏈節(jié)得磨損，影響使用壽命，同時影響翻轉(zhuǎn)過程的平穩(wěn)性。為解決這個問題，在鏈條長鏈節(jié)與提升夾具連接處采用軸承連接，在翻轉(zhuǎn)過程中連接提升夾具的長鏈節(jié)可在提升夾具中自由轉(zhuǎn)動，確保翻轉(zhuǎn)過程中兩者保持同步［34］。

3 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力分析

如圖2所示，豎直提升狀態(tài)下主要是桶及提升夾具的重力G（3 000 N）與鏈條拉力F，由于勻速提升處于平衡狀態(tài)下G=2F，鏈條拉力F約為1 500 N;豎直提升時，提升夾具所受拉力即為鏈條拉力1 500 N，鏈條完全滿足設(shè)計需求。

圖2 豎直提升狀態(tài)受力圖

當(dāng)提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)90°時，提升夾具處于水平狀態(tài)，此時提升夾具根部由于200 kg桶的重力所承受的彎矩是主要破壞力，為此對提升夾具處于水平狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。在翻轉(zhuǎn)90°提升夾具處于水平狀態(tài)時，整個機(jī)構(gòu)受力可以簡化為圖3所示，提升夾具中間兩個護(hù)板受到桶重力2 000 N，此時提升夾具受力最大處位于提升夾具中間根部，最大應(yīng)力為145 MPa，小于不銹鋼的屈服極限172 MPa，滿足設(shè)計要求［5］。

圖3 提升夾具水平狀態(tài)受力分析圖

4 結(jié)語

目前，該提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際中，對200 kg圓桶物料提升翻轉(zhuǎn)180°1 000次試驗沒有出現(xiàn)任何問題，實(shí)踐證明此種提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可靠。

本文提出的此種新穎的提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為提升翻轉(zhuǎn)較重物品提供了一種思路，目前該機(jī)構(gòu)已經(jīng)申請專利。

［1］盧宗慧，徐星蕾，盧泓翰，等.堆垛機(jī)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2011，33（5）:129 ～130.

［2］徐灝等.機(jī)械設(shè)計手冊［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6（4）:33-83.

［3］張海銀，陸桂賢.自動灌裝稱量設(shè)備提升機(jī)構(gòu)的新穎設(shè)計［J］.包裝與食品機(jī)械，2010，28（2）:68～69.

［4］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組.理論力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1997.42-50.

［5］單輝祖.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1999.117-157.