帶式輸送機(jī)倍增伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析*

王 皓，陳鵬飛

(1.阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

由于輸送貨物的連續(xù)性和高效性，帶式輸送機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工廠等許多貨物堆積場所[1-3]。研究者一直致力于其性能和結(jié)構(gòu)的改造，以提高其貨運(yùn)效率和不同貨運(yùn)場所的適應(yīng)能力。

帶式輸送機(jī)工作時(shí)，通常是通過電動機(jī)或液壓裝置帶動伸縮架進(jìn)行伸縮，由滾筒帶動輸送帶實(shí)現(xiàn)對貨物的運(yùn)輸。由于伸縮機(jī)構(gòu)的不同，各類帶式輸送機(jī)的伸縮效率和外形結(jié)構(gòu)也各有不同，直接決定著帶式輸送機(jī)貨運(yùn)效率和其結(jié)構(gòu)的緊湊性。

國內(nèi)外現(xiàn)有輸送機(jī)的伸縮機(jī)構(gòu)主要采取環(huán)繞式、托盤滾筒式和鋼絲纏繞式結(jié)構(gòu)，通過伸縮機(jī)構(gòu)帶動輸送架，逐級伸縮來實(shí)現(xiàn)輸送半徑的變化[4]。但環(huán)繞式輸送機(jī)是通過輸送帶來帶動輸送架的伸縮，使得輸送帶壽命大大降低；且在輸送過程中常出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，造成伸縮效率的降低[5]。而托盤滾筒和鋼絲纏繞式伸縮機(jī)構(gòu)在工作過程中，由于是單純靠鋼絲繩對輸送架進(jìn)行拖拽，在伸縮過程中只能一級一級地伸出，其伸縮時(shí)間較長[6]；且這兩種伸縮機(jī)構(gòu)的體積較大，也會造成帶式輸送機(jī)外廓尺寸較大，不能適應(yīng)棚車等狹長封閉空間的貨物輸送需求。

因此，有研究人員指出，想要進(jìn)一步提高伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮效率和結(jié)構(gòu)緊湊性，需要設(shè)計(jì)一種能夠使多級伸縮架同時(shí)伸縮的伸縮機(jī)構(gòu)；且伸縮機(jī)構(gòu)需盡量置于伸縮架內(nèi)部，以避免因伸縮機(jī)構(gòu)過大，從而導(dǎo)致帶式輸送機(jī)整體尺寸偏大。

因此，筆者在對現(xiàn)有帶式輸送機(jī)伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出齒輪齒條機(jī)構(gòu)與滑輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的倍增伸縮機(jī)構(gòu)，以達(dá)到提高伸縮效率、縮小輸送機(jī)外廓尺寸的目的。

1 伸縮機(jī)構(gòu)工作原理

該伸縮機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)伸縮架、兩組滑輪機(jī)構(gòu)和一組齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成。

帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)1-一級伸縮架；2-伸縮架前滾筒；3-二級伸縮架；4-伸縮架后滾筒；5-三級伸縮架；6-滑輪；7-鋼絲繩；8-固定齒條；9-小齒輪；10-齒輪箱；11-大齒輪；12-伸縮齒條；13-油缸；14-固定架；15-電動滾筒

第一組滑輪機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)3個(gè)伸縮架的伸出運(yùn)動，兩個(gè)滑輪分別置于二級伸縮架和三級伸縮架頂端，兩條鋼絲繩繞過兩個(gè)滑輪且兩端分別與一級伸縮架、三級伸縮架末端和二級伸縮架、固定架末端連接；第二組滑輪機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)3個(gè)伸縮架的收縮運(yùn)動，其放置方式與第一組滑輪機(jī)構(gòu)正好相反。

第一組、第二組滑輪機(jī)構(gòu)鋼絲繩繞法如圖2所示。

圖2 鋼絲繩繞法示意圖1-一級伸縮架；2-二級伸縮架；3-三級伸縮架；4-固定架

第三級伸縮架與液壓裝置之間通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接。工作時(shí)，液壓裝置提供動力，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動第三級伸縮架伸出；與此同時(shí)，一級伸縮架和二級伸縮架在第一組滑輪機(jī)構(gòu)的作用下伸出，繼而實(shí)現(xiàn)了3個(gè)伸縮架同時(shí)伸出的目的。

同理，收縮時(shí)3個(gè)伸縮架在第二組滑輪機(jī)構(gòu)的作用下進(jìn)行同步收縮。齒輪齒條機(jī)構(gòu)可將液壓桿輸出的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為輸送架的伸縮運(yùn)動，兩個(gè)滑輪組機(jī)構(gòu)使每一級伸縮架相對下一級伸縮架以2倍速率進(jìn)行伸縮，大大縮減了伸縮時(shí)間，提高了伸縮效率。

現(xiàn)假設(shè)在伸縮架伸出過程中，液壓裝置活塞桿行程為X(m)，滿行程時(shí)第三級伸縮架可伸出2X(m)，在第一組滑輪機(jī)構(gòu)的牽引下，第二級伸縮架和第一級伸縮架分別相對第三級伸縮架和第二級伸縮架伸出2X(m);

同理，在收縮過程中，第一級伸縮架和第二級伸縮架分別相對第二級伸縮架和第三級伸縮架以2倍速率收縮。

由此可知，該伸縮機(jī)構(gòu)在液壓裝置的推動下，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)伸縮架的同時(shí)伸縮，且總伸縮量達(dá)到活塞桿行程的6倍，實(shí)現(xiàn)了倍增伸縮的目的。

2 伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 伸縮機(jī)構(gòu)虛擬建模

筆者運(yùn)用Pro/Engineer軟件對帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模[7]。

伸縮機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖3 伸縮機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

2.2 伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

筆者對伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，目的在于驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)是否能夠?qū)崿F(xiàn)所需運(yùn)動形式。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每級伸縮架的伸縮長度應(yīng)不小于1.5 m。由于3個(gè)伸縮架可實(shí)現(xiàn)同步移動，只要分析第3級伸縮架下齒條的運(yùn)動規(guī)律，便可以得到3個(gè)伸縮架的運(yùn)動規(guī)律[8]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，貨物運(yùn)輸形式為先加速后勻速再減速，單程運(yùn)行時(shí)間為9 s，加速度為90 mm/s2。

筆者將簡化后的模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并添加運(yùn)動副，驅(qū)動轉(zhuǎn)速為40 r/min；在齒輪齒條之間添加接觸力，可得到位移、速度、接觸力變化曲線。

其中，位移變化曲線圖如圖4所示。

圖4 位移變化曲線圖

速度變化曲線圖如圖5所示。

圖5 速度變化曲線圖

接觸力變化曲線圖如圖6所示。

圖6 接觸力變化曲線圖

通過分析以上帶式輸送機(jī)倍增伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線圖可知：

(1)第三級伸縮架的伸縮長度可達(dá)1.75 m，大于1.5 m；(2)速度曲線滿足先加速后勻速再減速的運(yùn)動形式，且運(yùn)動過程比較平順；(3)從接觸力變化曲線可以看出，扭矩呈現(xiàn)周期性變化，通過計(jì)算可知，其峰值在機(jī)構(gòu)強(qiáng)度范圍內(nèi)。

由此可見，該伸縮機(jī)構(gòu)的位移、速度和接觸力指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 伸縮機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性分析

筆者簡化虛擬模型部件，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行動態(tài)分析[9，10]。對伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性分析的目的是為了驗(yàn)證伸縮機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足使用要求[11，12]。

此處選定機(jī)構(gòu)材料為40Cr，其許用應(yīng)力為[σ]≥785 MPa。筆者對伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，第一至三級伸縮架受滾動摩擦力為F1、F2、F3，拉力為N1、N2，齒條受力為F。

通過計(jì)算可知，3個(gè)伸縮架質(zhì)量分別為m1=214 kg,m2=485 kg,m3=714 kg，設(shè)滑動摩擦系數(shù)u=0.1，取重力加速度g=10 N/kg。最終得到施加在齒條上的力F=2 541 N。

接下來分析模型類型，并添加載荷，以得到大齒輪、小齒輪和齒輪軸的應(yīng)力、應(yīng)變分布圖。

大齒輪應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 大齒輪應(yīng)力分析

大齒輪應(yīng)變分布如圖8所示。

圖8 大齒輪應(yīng)變分析

小齒輪應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 小齒輪應(yīng)力分析

小齒輪應(yīng)變分布如圖10所示。

圖10 小齒輪應(yīng)變分析

根據(jù)以上分布圖可知：大齒輪應(yīng)力峰值為309 MPa，受力變形峰值為0.23 mm，分布在齒輪頂部；小齒輪應(yīng)力峰值為140 MPa，受力變形值為0.12 mm，分布在齒輪頂部；齒輪軸應(yīng)力峰值為31.6 MPa，受力變形峰值為0.1 mm，分布在齒輪軸中段。

通過分析上述大齒輪、小齒輪和齒輪軸的應(yīng)力應(yīng)變分布可知：各重要部件受力均小于許用應(yīng)力，考慮到各部件尺寸及運(yùn)動行程，變形量可忽略不計(jì)，因此，可判定其滿足輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的合理性，筆者在蘭州市貨運(yùn)火車站進(jìn)行了貨運(yùn)試驗(yàn)。

裝載對象為P70型號棚車，車廂總長L=16 000 mm，車廂高(不含弧頂)H=2 800 mm，車廂寬度B=2 800 mm；一節(jié)P70車廂可裝載約900袋50 kg的物品；貨物選擇50 kg水泥，裝載過程中，每袋水泥裝載間隔約為5 s。

通過實(shí)地測量，搭載該倍增伸縮機(jī)構(gòu)的帶式輸送機(jī)第一級伸縮架長度為1 600 mm，第二級伸縮架長度為1 800 mm，第三級伸縮架長度為1 950 mm，油缸行程為1 000 mm，帶式輸送機(jī)實(shí)際外廓尺寸為2 510 mm×1 100 mm×610 mm。

當(dāng)3個(gè)伸縮架完全伸出情況下，第一級伸縮架相對第二級伸縮架伸出長度約為1 400 mm，第二級伸縮架相對第三級伸縮架伸出長度約為1 560 mm，第三級伸縮架相對固定架伸出長度約為1 680 mm，帶式輸送機(jī)整體展開長度達(dá)到7 140 mm。

在帶式輸送機(jī)伸長過程中，第一級伸縮架完全伸出約用時(shí)8 s，第二級伸縮架完全伸出約用時(shí)11 s，第三級伸縮架完全伸出約用時(shí)11 s，3個(gè)伸縮架幾乎同時(shí)完成伸出作業(yè)；在收縮過程中，第一級伸縮架完全收回約用時(shí)12 s，第二級伸縮架完全收回約用時(shí)10 s，第三級伸縮架完全收回約用時(shí)10 s，3個(gè)伸縮架幾乎同時(shí)完成收縮作業(yè)。

在貨運(yùn)實(shí)驗(yàn)過程中，共裝載50 kg水泥200袋，2人裝載總用時(shí)16 min，經(jīng)換算，裝載一節(jié)車廂貨物用時(shí)約為72 min。而根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，人力裝載一節(jié)車廂貨物需6人4 h完成，叉車裝載一節(jié)車廂貨物需3人3 h完成，現(xiàn)有帶式輸送機(jī)需2人2 h完成。

按每列火車搭載60節(jié)P70車廂，工作時(shí)間8 h/d計(jì)算，不同方式裝載一列火車用時(shí)情況如表1所示。

表1 不同方式裝載一列火車時(shí)間對比(單位：d)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 裝載效率

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的情況下測得的。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：搭載倍增伸縮機(jī)構(gòu)的帶式輸送機(jī)的伸縮時(shí)間略長于設(shè)計(jì)時(shí)間9 s，考慮到機(jī)械設(shè)備齒輪齒條等傳動部件運(yùn)行過程中存在反向間隙的因素，因此判定伸縮時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求。

通過數(shù)據(jù)對比可知，搭載倍增伸縮機(jī)構(gòu)的帶式輸送機(jī)裝載一列火車的時(shí)間比現(xiàn)有帶式輸送機(jī)少8 d，裝載效率可提高40%。

3.2.2 結(jié)構(gòu)緊湊性

參照現(xiàn)在市面上某款P系列可伸縮帶式轉(zhuǎn)向裝卸機(jī)，其外廓尺寸為3 300 mm×1 500 mm×1 100 mm，整機(jī)展開長度為6.5 m；而搭載了倍增伸縮機(jī)構(gòu)的帶式輸送機(jī)比該可伸縮帶式裝卸機(jī)體積減小近31%，且整機(jī)展開長度可達(dá)到7.14 m,增加近10%，可見其結(jié)構(gòu)緊湊性得到了明顯提升。

4 結(jié)束語

在對國內(nèi)外現(xiàn)有帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)存在問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，筆者提出了滑輪組機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)相結(jié)合的倍增伸縮機(jī)構(gòu)；通過對伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析和動態(tài)特性分析，得到了作業(yè)過程中伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性和伸縮機(jī)構(gòu)重要受力部件的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況；對照設(shè)計(jì)要求，對伸縮機(jī)構(gòu)伸縮運(yùn)動和強(qiáng)度進(jìn)行了分析；

筆者對帶倍增伸縮機(jī)構(gòu)的帶式輸送機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，測得了該倍增伸縮機(jī)構(gòu)可使帶式輸送機(jī)貨運(yùn)效率提升了40%，外廓尺寸縮小了近31%。

研究結(jié)果表明：該伸縮機(jī)構(gòu)伸縮過程平穩(wěn)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，和現(xiàn)有帶式輸送機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)相比，倍增伸縮效果明顯，伸縮效率和結(jié)構(gòu)緊湊程度方面都有明顯提升，可為狹長封閉空間輸送貨物用帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。