電子穩(wěn)定系統(tǒng)在滾輪變位裝置中的應(yīng)用

范俊超

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備的應(yīng)用范圍及特點

近幾年罐箱生產(chǎn)經(jīng)歷了幾次技術(shù)革新，翻轉(zhuǎn)工序設(shè)備從原始的鏈條翻轉(zhuǎn)機(jī)，頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)，滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)，滾道式翻轉(zhuǎn)機(jī)，到擺臂式滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)都存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在劃傷罐體、工時長、安全系數(shù)低、適用范圍不廣等方面。而此次中車齊齊哈爾車輛有限公司的新產(chǎn)品“八面弧”罐體，因為其截面不規(guī)則并且焊接工序中兩端無封頭，所以無法使用頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)、滾道式翻轉(zhuǎn)機(jī)。目前使用的(擺臂式)滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)也存在著劃傷罐體、翻轉(zhuǎn)效率低等問題[1-2]。

1.1 固定式滾輪變位裝置

最常見的是普通滾輪裝置，主要用于圓筒形或圓錐形工件的翻轉(zhuǎn)，可與自動焊接設(shè)備配套使用，但不適用于異形截面工件的翻轉(zhuǎn)，有一定的局限性，如圖1所示。對于異形截面罐體，如果采用普通滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致罐體在兩滾輪之間掉下，滾輪摩擦力不足，難以提供翻轉(zhuǎn)扭矩，出現(xiàn)無法繼續(xù)翻轉(zhuǎn)的情況，如圖2、3所示。故異形截面罐體翻轉(zhuǎn)不可采用普通滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)[3]。

圖1 圓形截面罐體翻轉(zhuǎn) 圖2 異形截面罐體初始位置

圖3 異形截面罐體45°

1.2 擺臂式滾輪變位裝置

擺臂式滾輪裝置由兩套相同的機(jī)構(gòu)組成。每套機(jī)構(gòu)包含一個底座、兩個支架、兩個轉(zhuǎn)臂。每個支架上配一套電機(jī)減速機(jī)，每個轉(zhuǎn)臂上有兩個滾輪和鏈傳動系統(tǒng)。支架上的電機(jī)減速機(jī)通過轉(zhuǎn)臂上的鏈傳動系統(tǒng)帶動滾輪旋轉(zhuǎn)。每個滾輪都是主動輪。利用滾輪與罐體之間的摩擦力帶動罐體旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)變位。

當(dāng)罐體最凸出部分旋轉(zhuǎn)到彎臂時，可能會與之發(fā)生碰撞，只有加大彎臂彎度才能使罐體順利翻轉(zhuǎn)。滾輪在彎臂上的間距和支座距離根據(jù)異形截面罐體形狀適當(dāng)調(diào)整。

通過使用三維參數(shù)化建模設(shè)計軟件，對八面弧截面罐體及擺臂式滾輪變位裝置進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：異形截面罐體在翻轉(zhuǎn)過程中，并不是圍繞一個固定中心旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)中心是變化的。異形截面罐體在翻轉(zhuǎn)過程中，除了自轉(zhuǎn)還有公轉(zhuǎn)。當(dāng)罐體旋轉(zhuǎn)15°時，罐體中心向左偏離10.41 mm，高度位于+60.98 mm；當(dāng)罐體旋轉(zhuǎn)30°時，罐體中心向左偏離15.40 mm，高度位于+160.76 mm；當(dāng)罐體旋轉(zhuǎn)45°時，罐體中心橫向偏離0，高度位于+197.86 mm；當(dāng)罐體旋轉(zhuǎn)60°時，罐體中心向右偏離15.4 mm，高度位于+160.76 mm；當(dāng)罐體旋轉(zhuǎn)75°時，罐體中心向右偏離10.41 mm，高度位于+60.98 mm。從這組數(shù)據(jù)可以看出，采用擺臂式滾輪裝置翻轉(zhuǎn)異形截面罐體，雖然罐體旋轉(zhuǎn)中心不是固定的，但是它的軌跡是規(guī)律的，近似橢圓，如圖4～圖8所示。

圖4 罐體0°狀態(tài)

圖5 罐體30°狀態(tài) 圖6 罐體45°狀態(tài)

圖7 罐體60°狀態(tài) 圖8 罐體90°狀態(tài)

本裝置雖然解決了異形截面罐體翻轉(zhuǎn)過程中卡死、磕碰的問題，但在實際應(yīng)用中，罐體表面會有局部劃傷。通過軟件分析可以發(fā)現(xiàn)，在排除滾輪硬度過大的因素后，主要的原因是產(chǎn)生了相對運動，即打滑。打滑的原因之一是摩擦力減小，導(dǎo)致驅(qū)動力不足，滾輪空轉(zhuǎn)。摩擦力與正壓力和摩擦因數(shù)有關(guān)，正壓力的減小是由于擺臂擺動過程中，角度發(fā)生變化，即罐體重力的分力減小。打滑的另外一個原因是由于滾輪的轉(zhuǎn)速與罐體表面的線速度不匹配，八面弧罐體在旋轉(zhuǎn)的過程中，理論上與之接觸的4個滾輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是不完全相同且是不斷變化的，這是由于罐體的八段圓弧曲率不相同，半徑不相同，所以圓弧表面的線速度不相同。但圖中4個滾輪的轉(zhuǎn)速相同且恒定，在翻轉(zhuǎn)的任意時刻，滾輪與罐體表面都存在相對滑動，這也是劃傷罐體的主要原因之一。故該裝置也不滿足異形截面罐體翻轉(zhuǎn)的工藝要求。

2 自適應(yīng)滾輪變位裝置設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用傳統(tǒng)擺臂式滾輪架為依據(jù)，形成大曲率弧形彎臂，依托機(jī)架布置成面對面的方式，形成環(huán)抱罐體的結(jié)構(gòu)模式。采用中心減速機(jī)驅(qū)動4組轉(zhuǎn)臂的方式，配合差速裝置使動力匹配更平順，降低設(shè)備制造及維護(hù)成本；采用柔性可調(diào)式弧形彎臂結(jié)構(gòu)，將彎臂分成兩個部分，端部軸孔共同裝配在中間鉸軸處，并在彎臂的側(cè)板上開螺栓孔，這樣兩只彎臂就可以繞中間軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整到需要的角度，適應(yīng)不同曲率截面的罐體。

2.2 動力系統(tǒng)設(shè)計

模仿汽車的四驅(qū)傳動方案，設(shè)置中心動力源，通過傳動軸將動力傳遞到軸間差速器，經(jīng)過齒輪轉(zhuǎn)向箱傳遞到終端差速器，最后通過鏈傳動將動力合理分配到2個驅(qū)動輪上，最終實現(xiàn)八輪全驅(qū)的傳輸系統(tǒng)(見圖9)。

圖9 動力系統(tǒng)設(shè)計簡圖

由上文可知，罐體翻轉(zhuǎn)的任意時刻，各滾輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)該不完全一致且在不斷變化的，以避免相對運動，故此處引入了汽車差速器。差速器的調(diào)整是自動的，涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。轉(zhuǎn)動過程中兩驅(qū)動輪之間形成矛盾的、摩擦的內(nèi)力矩，迫使行星輪架繞軸線公轉(zhuǎn)，行星齒輪繞軸線自傳，這樣就形成速度補償，一側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，另一側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，最終實現(xiàn)差速，以達(dá)到滾輪與罐體表面速度自動匹配的目的(見圖10)。

圖10 動力系統(tǒng)傳輸原理分析

但是即便使用了差速器，在翻轉(zhuǎn)罐體的過程中，處于上半部的滾輪依然容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，由上文可知，這是由于擺臂轉(zhuǎn)動到接近豎直位置導(dǎo)致滾輪與罐體之間正壓力不足。根據(jù)差速器的工作原理，此時動力會一直往空轉(zhuǎn)輪傳輸(因為阻力少)，加劇打滑。為解決此問題，在差速鎖和電子制動力分配系統(tǒng)之間做了分析對比。

3 引入電子制動力分配系統(tǒng)

理想狀態(tài)下，系統(tǒng)可以自動降低有打滑趨勢的滾輪的轉(zhuǎn)速，同時降低打滑滾輪的動力輸出，以便將更多動力通過差速器傳遞到另一側(cè)不打滑的滾輪，提高驅(qū)動能力，故引入了電子制動力分配系統(tǒng)。

系統(tǒng)由輪速傳感器、電子控制器和執(zhí)行器三部分組成。輪速傳感器是用來檢測滾輪轉(zhuǎn)速的，每只滾輪安裝1個磁感應(yīng)式輪速傳感器，它是由傳感元件和信號轉(zhuǎn)子組成，傳感元件為靜止部件，安裝在滾輪軸套上，不隨滾輪轉(zhuǎn)動。信號轉(zhuǎn)子由鐵磁材料制成帶齒的圓環(huán)，安裝在與滾輪一同轉(zhuǎn)動的半軸上。工作時電子控制器接收滾輪轉(zhuǎn)速信號，通過電腦分析對比，當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)速超過最大理論值設(shè)定值時，即判定滾輪處于打滑狀態(tài)，控制器向系統(tǒng)的制動力調(diào)節(jié)器發(fā)出控制指令，打滑滾輪的制動系統(tǒng)工作，強制降低其轉(zhuǎn)速。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)可對變頻器狀態(tài)進(jìn)行顯示，機(jī)器的運行速度由變頻器的頻率控制，通過頻率的平滑調(diào)整實現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速。將本裝置與罐體裝配到一起，運用三維仿真技術(shù)對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，對翻轉(zhuǎn)罐體上的定點生成速度與位移曲線，通過曲線可以反向匹配電機(jī)轉(zhuǎn)速，使罐體表面任意一點的線速度趨于一個恒定值，這是與焊接專機(jī)配合工作的重要理論依據(jù)。

圖11 量值分析翻轉(zhuǎn)罐體的速度與位移

5 結(jié)論

自適應(yīng)滾輪變位裝置用于異形截面罐體翻轉(zhuǎn)，實用性已在生產(chǎn)中得到驗證，解決了劃傷罐體的工藝難題，滿足產(chǎn)品制造的工藝要求。本項目的研制不僅僅停留在其變位功能上，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加上控制系統(tǒng)就可以精準(zhǔn)實現(xiàn)“八面弧罐體”表面單點的定位分析，根據(jù)線性運動軌跡配合專機(jī)將對應(yīng)的環(huán)縫進(jìn)行焊接和打磨，提升了自動化程度，使得集裝箱制造裝備的多元化水平得到很大的提升，具備極大的推廣及應(yīng)用價值。