徑向擠壓制管設備有軌導引小車及其傳動系統(tǒng)設計

賈思棋，杜冬梅，何 青

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

近年來，由于我國大力發(fā)展基礎設施，城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，對小口徑排水管需求越來越大。隨著我國對產(chǎn)業(yè)化調(diào)整的步伐加快，促進勞動密集型向技術密集型以及國家由高能耗、高污染能源向清潔、環(huán)保能源的轉變，亟需一種高產(chǎn)出、低能耗的制管工藝和設備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。徑向擠壓制管工藝因具有生產(chǎn)效率高、勞動強度低、自動化程度高、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小、無需蒸汽養(yǎng)護、成型后管子內(nèi)外表面光滑、工作噪聲低等優(yōu)點，在許多國家得到應用[1]。立式徑向擠壓制管工藝作為生產(chǎn)制造鋼筋混凝土排水管的先進生產(chǎn)工藝之一，受到許多生產(chǎn)廠家的關注。

文獻[2]對立體倉庫中有軌導引小車的出入庫效率進行了仿真，而對小車出入庫運行的安全性未做考慮。文獻[3]對有軌導引小車(Rail Guided Vehicle, 簡稱RGV)進行了運動學仿真，改善了RGV運行過程中自動轉彎的問題，減少避免了軸變形不協(xié)調(diào)的問題。文獻[4]采用單片機和步進電機對有軌導引小車進行控制，實現(xiàn)了對RGV的精確定位。瑞典VOLVO公司在汽車裝配線上大量采用有軌導引小車進行自動化裝配作業(yè)，截至2015年在瑞典超過10 000臺RGV在運行[5]。在我國，北京起重運輸機械研究所于1976年研制出第一臺RGV[6]。中科院沈陽自動化所在國家“動63”計劃支持下，完成了多項移動機器人應用基礎研究和應用技術開發(fā)項目，并開發(fā)出應用于實踐較為成熟的RGV及其系統(tǒng)技術[7]。2015年，漢諾威展展出的北自所研發(fā)的料箱式搬運機器人預示著RGV邁向了一個新的里程碑[8]。

目前有軌導引小車的技術已經(jīng)逐漸趨向成熟，國內(nèi)外針對RGV小車的軌道、控制系統(tǒng)等專一問題研究較為深入，但較少針對RGV小車的結構和傳動系統(tǒng)進行綜合性設計研究。本文以某公司的立式徑向擠壓水泥制管設備為基礎，著重對有軌導引小車的結構設計以及傳動系統(tǒng)進行了具體研究。

1 有軌導引小車傳動原理

1.1 有軌導引小車的分類

有軌導引小車的分類如表1所示。在車間生產(chǎn)實際中，多數(shù)輸送小車采用自行式，即由電機、減速器和電源，但自行式輸送車成本高，維護費用高，而且生產(chǎn)運行中需要經(jīng)常充電，大大降低生產(chǎn)效率。

表1 有軌導引小車的分類

有軌導引小車，不需要外加電機，兩種有軌導引小車優(yōu)缺點如表2所示。

表2 有軌導引小車特點

1.2 摩擦輪傳動原理

摩擦輪傳動是一種新型傳動,可實現(xiàn)大中心距高速強力回轉，可以利用直接接觸并相互壓緊的兩個摩擦輪之間摩擦力，將主動輪的運動與轉矩傳給從動輪。

根據(jù)有軌導引小車行駛動力傳動路線計算摩擦輪法向壓力。首先考慮在滿載條件下，使小車行駛，再根據(jù)空載條件下能夠行駛進行校核。有軌導引小車在滿載條件下受力分析圖如圖1所示。

圖1 平板車受力分析

由圖1，在滿載條件下對有軌導引小車受力分析可知，在豎直方向上有：

G=F+FN

(1)

式中G——有軌導引小車在滿載條件下的重力，N；F——自動加壓裝置對有軌導引小車底部的壓力，N；FN——鋼軌對有軌導引小車車輪的支撐力，N。

在水平方向上有

Ft=Ff=μ1FN

(2)

式中Ft——有軌導引小車的牽引力，即摩擦輪對平板車的摩擦力，N；Ff——鋼軌對軌道鋼輪的滾動摩擦力，N；μ1——鋼軌與軌道鋼輪之間的滾動摩擦系數(shù)，表面淬火的車輪與鋼軌之間圓錐形車輪之間的滾動摩擦系數(shù)為0.08～0.10，圓柱形車輪之間的滾動摩擦系數(shù)為0.05～0.07[8]。

摩擦輪與有軌導引小車之間關系為

Ft=μ2F

(3)

式中μ2——聚氨酯膠體/鋼摩擦副之間的摩擦系數(shù)。

2 有軌導引小車結構及其傳動系統(tǒng)設計

2.1 有軌導引小車的結構設計

2.1.1有軌導引小車車輪

六輪支撐滿足車架的強度要求，運轉行駛過程中更加穩(wěn)定安全，保證從徑向擠壓模具脫出的濕水泥管能夠保持外形，為水泥管的成品率提供保障。

在額定載荷下，對小車軌道車輪受力分析得單個車輪載荷為

m1=me/6

(4)

式中m1——有軌導引小車單個車輪載荷，t；me——有軌導引小車額定載荷，t。

2.1.2有軌導引小車鋼軌

不同尺寸的軌道車輪必須選擇與之匹配的鋼軌[9]，選擇合適的軌道是保證有軌導引小車行駛過程中保持平穩(wěn)，降低因高載荷輕型時的故障率。

鋼軌軌道如圖2所示。

圖2 鋼軌軌道尺寸圖

2.2 有軌導引小車傳動系統(tǒng)的設計

2.2.1電動機的選取

有軌導引小車的運輸速度采用低速行駛，由摩擦輪直接傳動。

考慮有軌導引小車在最大載荷下所需要的功率：

PW=FtV

(5)

式中PW——最大載荷下所需要的功率，W。V——輸送小車行駛速度，m/s。

軌道鋼輪上滾動軸承效率η1=0.97；摩擦副傳遞效率η2=0.85～0.92；電機輸出軸與主動摩擦輪之間效率(采用平鍵直接連接)η3=1。

傳動裝置的總效率為

ηa=η1η2η3

(6)

在滿足條件下工作所需要的電動機輸出功率Ped為

(7)

轉矩由摩擦輪直接傳遞給有軌導引小車，摩擦輪通過鍵與電機輸出軸直接連接，由此關系得電機轉速為

(8)

式中v2——主動摩擦輪線速度，m/s；D1——摩擦輪外徑，mm。

2.2.2加壓裝置的確定

為了能夠使摩擦輪驅動有軌導引小車行駛，則兩者之間必須外加壓力，使摩擦輪與有軌導引小車產(chǎn)生滾動摩擦力驅動小車行駛。加壓裝置有恒壓及自動加壓兩大類。

圖3為雙彈簧自動加壓裝置[10]受力分析(單側)。

圖3 雙彈簧自動加壓裝置受力分析(單側)

根據(jù)圖中的電動機和鉸接底座在豎直方向受力分析得：

Fn1+G1=2(Fk1+Fn2)

(9)

式中Fn1——有軌導引小車對電機的支撐反力，N；G1——電機的自重，N；Fn2——鉸接座的支撐力，N；Fk1——加壓彈簧對底座的彈力，N。

因底座采用對稱結構設計，則鉸接座和彈簧受力有關系：

Fn2=Fk1

(10)

自動加壓裝置選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧為加壓彈簧。對彈簧受力分析有關系：

Fk2=cΔl

(11)

式中Fk2——彈簧彈力，N；c——彈簧的剛度，N/mm；Δl——彈簧的壓縮量，mm。

要滿足彈簧提供足夠的彈力必須有：

Fk2≤Fk1

(12)

自動加壓裝置選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧為加壓彈簧。

自動加壓裝置工作時施加最大壓力為

Fmax=4cΔl

(13)

式中Fmax——自動加壓裝置工作時施加的最大壓力，N。

3 有軌導引小車的設計模型

有軌導引小車尺寸參數(shù)如表3所示，結構組成如表4所示。

表3 有軌導引小車尺寸參數(shù) mm

表4 有軌導引小車結構組成

選擇有軌導引小車的額定載荷me為30 t，則將me=30 t代入式(4)可得m1=5 t。本設計軌道鋼輪選用單輪緣車輪DL-170×90，優(yōu)點是耐磨，抗壓，載重性強。

DL-17×90軌道輪具體參數(shù)如表5所示。

表5 DL-170×90軌道輪參數(shù)表

本設計選取軌道型號為9 kg/m，尺寸規(guī)格如表6所示。

表6 9 kg/m輕軌尺寸參數(shù) mm

有軌導引小車具體模型如圖4所示。

圖4 有軌導引小車的主、俯視圖

在滿載條件下對有軌導引小車受力分析可知，有軌導引小車的技術參數(shù)如表7所示。

表7 有軌導引小車摩擦輪的技術參數(shù)

將G、μ1、μ2代入式(1)～式(3)，可得

F=26 727 N，F(xiàn)t=13 364 N，F(xiàn)f=13 364 N

摩擦輪的額定載重必須大于最大載重量，即Fe≥F=26 727 N，可得me≥可得727 N。

本設計取主動摩擦輪額定載重為5 t。選取40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪[11]，相關參數(shù)如表8所示。

表8 40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪

將Ft=13 364 N，v=0.3 m/s代入式(5)中得Pw=4 kW。將η1=0.97，η2=0.85，η3=1代入式(6)得η=0.824 5。將Ped=5.5 kW，D2=302 mm代入式(7)和(8)中得n=20.4 r/min。

由ne≥n=20.4 r/min因此選取YCJ250/Y132S-4斜齒輪減速電機[12]，額定功率為5.5 kW，額定轉速為23 r/min。

初步取Δl=12 mm，將Fn2=Fk1=7 237.9 N代入式(9)、(10)和(11)中得c=603 N/mm。故選取壓縮彈簧型號YB 14×60×82-GB/T 2089。

將c=603 N，Δl=12 mm代入式(13)得Fmax=33 744 N<39 200 N，因此滿足設計要求。

4 結語

通過對有軌導引小車的動力學和機構設計的具體研究，設計了既滿足生產(chǎn)要求成本又較低的有軌導引小車。

(1)確定了有軌導引小車的技術參數(shù)及結構，確定了小車的最大載荷為30 t，選取單輪緣車輪DL-170×90作為小車車輪，保證從徑向擠壓模具脫出的濕水泥管能夠保持外形，為水泥管的成品率提供保障。根據(jù)車輪的踏面形狀和尺寸，選取了軌道型號為9 kg/m的方鋼作為鋼軌，保證輸送平板小車在行駛過程中保持平穩(wěn)，降低因高載荷輕型時的故障率。

(2)有軌導引小車采用聚氨酯橡膠作為摩擦副材料，這種材料較天然橡膠具有更高的硬度、強度、彈性和耐磨性，不僅成本低并且日常維護方便、快捷。根據(jù)小車行駛動力傳動路線計算摩擦輪法向壓力選取40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪。由于小車采用低速行駛，故采用了低成本短周期的某公司的YCJ系列斜齒輪減速電機。本文采用了對稱鉸接利用杠桿原理的自動加壓裝置，保證摩擦輪與有軌導引小車產(chǎn)生滾動摩擦力驅動小車行駛。本文利用三維軟件對有軌導引小車進行了模擬設計，確保了該小車的可行性。

(3)有軌導引小車通過軌道導向，在自動加壓裝置作用下使主動摩擦輪與有軌導引小車之間產(chǎn)生預緊力，由電機帶動驅動輪從而驅動轉運車，通過控制多臺電機之間的距離實現(xiàn)長距離行駛。有軌導引小車的設計降低了人力勞動強度，提高了轉運效率。