羅文翠, 王玉虎, 史志成, 劉滿東, 沈建成
(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050;3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730314)
我國高速公路快速發(fā)展,通車?yán)锍獭⒔ㄔO(shè)水平已經(jīng)步入先進(jìn)行列,隨著機動車數(shù)量逐年增多,高速公路的通行負(fù)擔(dān)越來越重,公路養(yǎng)護任務(wù)將更為艱巨[1]。公路維修養(yǎng)護時部分路段要封閉管制交通,即在作業(yè)區(qū)外放置交通標(biāo)志,引導(dǎo)車輛的行駛。在維修養(yǎng)護作業(yè)時,必須要保證行車和作業(yè)區(qū)的安全,在作業(yè)區(qū)外擺放交通路錐或設(shè)置路障以引導(dǎo)車輛的行駛,特別是在高速公路上作業(yè)時,由于行車速度快,車流量大,更有必要擺放路錐等引導(dǎo)設(shè)施。
目前,國內(nèi)在公路維護作業(yè)時,路錐的擺放與回收均采用人工操作,尚缺少路錐自動收放裝置,這種人工擺放和回收的模式,不僅作業(yè)速度慢,而且操作工人直接暴露于危險的交通環(huán)境下,安全系數(shù)低。國外一些發(fā)達(dá)國家,研究并使用路錐自動收放裝置的技術(shù)方面相對較為成熟[2],但引進(jìn)成本昂貴。
筆者設(shè)計的一種車載路錐自動存儲系統(tǒng),由機械手、水平導(dǎo)軌、輸送帶、液壓缸、齒輪齒條等機構(gòu)組成。首先根據(jù)庫內(nèi)的空間確定路錐存放方式,并對庫內(nèi)抓取機構(gòu)及庫內(nèi)路錐輸送的原理進(jìn)行分析,確定總體方案。然后對庫內(nèi)輸送機構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計計算,同時對整個庫內(nèi)存儲系統(tǒng)各機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置。
自動存儲系統(tǒng)主要包括動力裝置、庫內(nèi)抓取機構(gòu)及庫內(nèi)路錐輸送機構(gòu),實現(xiàn)路錐入庫存儲及路錐出庫調(diào)用。
路錐存儲系統(tǒng)作為車載路錐自動放置與回收系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),其主要功能是配合主系統(tǒng)工作,完成路錐的入庫存儲自動化和出庫調(diào)用自動化,取代傳統(tǒng)的由人工參與的路錐存儲及調(diào)用方式。根據(jù)設(shè)計要求,選用高度700 mm,底盤為340×340 mm的硬質(zhì)PVC材質(zhì)路錐。為保證主系統(tǒng)平穩(wěn)可靠的工作,以及配合所選車型的要求,結(jié)合所選路錐的物理特性,考慮到路錐自動出入庫及存儲空間限制,選用臥式重疊放錐方式,如圖1所示。
圖1 臥式重疊放錐方式
庫內(nèi)路錐輸送由并列的五排輸送帶組成,其目的是配合庫內(nèi)5錐同抓抓取機械手工作,實現(xiàn)路錐自動出、入庫工作,且存錐量大。路錐入庫存儲時,負(fù)責(zé)庫內(nèi)抓取機械手水平移動的電機開始工作,通過齒輪齒條帶動庫內(nèi)抓取機械手水平移動到抓取路錐的位置,豎直方向移動的液壓缸啟動,抓取機械手豎直方向靠近路錐,收到抓取位置的信號后,機械手爪開合液壓缸啟動,機械手爪閉合,實現(xiàn)路錐的抓??;水平移動電機反轉(zhuǎn),齒輪齒條帶動機械手爪水平移動到庫內(nèi),完成路錐入庫,機械手爪張開,機構(gòu)上升至初始高度,拖動路錐移動的傳送帶在動力機構(gòu)的帶動下完成路錐的入庫存儲。
路錐出庫調(diào)用與路錐入庫存儲各相關(guān)機構(gòu)動作動作相反,庫內(nèi)路錐在液壓馬達(dá)的帶動下,通過帶錐擋板輸送帶逆時針方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)距離,使得一排路錐出庫,到達(dá)庫內(nèi)抓取機械手抓取位置;庫內(nèi)抓取機械手水平運行至適當(dāng)?shù)奈恢?,下移到達(dá)抓取位置,機械手閉合完成抓取,最后由齒輪齒條機構(gòu)帶動機械手將路錐抓取至下一工作階段的工作位置,手抓松開,回到初始位置,完成一次路錐的出庫調(diào)用。
庫內(nèi)路錐輸送采用液壓馬達(dá)為系統(tǒng)動力源,通過一個雙輸出蝸桿減速器,將動力傳遞到主動鏈輪軸上,通過鏈條傳遞至從動鏈輪,經(jīng)由從到鏈輪軸為帶擋錐板輸送帶提供動力,從而實現(xiàn)庫內(nèi)部路錐的輸送過程。存儲系統(tǒng)機構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
車載路錐自動放置與回收系統(tǒng)的設(shè)計——存儲系統(tǒng),其主要功能是為了實現(xiàn)路錐的自動存儲與自動出入庫。路錐存儲系統(tǒng)機構(gòu)由庫內(nèi)路錐抓取機械手、齒輪齒條、導(dǎo)軌、庫體、路錐支架、路錐擋板、輸送裝置等部分組成。傳動機構(gòu)由液壓馬達(dá)、減速器、鏈輪、鏈條及聯(lián)軸器等組成。輸送機構(gòu)由托輪、輸送帶組成。
庫內(nèi)機械手通過液壓缸作用來實現(xiàn)機械手爪開合進(jìn)而抓取與釋放路錐。庫內(nèi)路錐抓取機構(gòu)通過水平方向齒輪齒條和豎直液方向液壓缸來實現(xiàn)整個抓取機構(gòu)的水平移動和豎直移動。庫內(nèi)路錐自動抓取機械手開合角度通過計算確定和試驗確定,開合角度過小會導(dǎo)致手爪在運行過程中碰到路錐,影響抓取動作,過大則會使液壓缸的總體尺寸偏大,或者出現(xiàn)動作干涉。存儲系統(tǒng)的庫體作為各機構(gòu)的載體,其參數(shù)是存儲系統(tǒng)中各個機構(gòu)參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ),本方案以東風(fēng)多利卡底盤參數(shù)為基礎(chǔ),按照動作時序優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),合理布局各部分機構(gòu),有效利用空間,防止出現(xiàn)干涉。
在整個機構(gòu)中,鏈輪軸起到將液壓馬達(dá)經(jīng)由減速器傳遞出來的動力傳遞到工作部分的作用,故軸的類型為傳動軸。整套動力系統(tǒng)通過減速器、鏈輪鏈條、傳送帶,帶動整庫路錐移動,轉(zhuǎn)速3 r/min。
在結(jié)構(gòu)上,考慮到主動鏈輪的安裝與定位,對于鏈輪軸向定位采用結(jié)構(gòu)簡單的軸肩定位的方式,周向定位則采用鍵連接進(jìn)行扭矩的傳遞;整個動力系統(tǒng)的安裝位置位于橫庫下方的鋁型材上,結(jié)合軸承支座的安裝,設(shè)計軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 主動鏈輪軸結(jié)構(gòu)
(1) 鏈輪軸強度校核
按扭轉(zhuǎn)強度計算:
式中:dmin為最小軸端直徑;P為軸所傳遞的功率;n為軸的工作轉(zhuǎn)速;A為系數(shù)。
查表幾種常用軸材料的τp及A值表可得,A=110,代入公式有:
dmin=22 mm
校核危險截面安全系數(shù)S:
式中:Sσ為只考慮彎矩作用時的安全系數(shù);Sτ為只考慮扭矩作用時的安全系數(shù);Sp為按疲勞強度計算的許用安全系數(shù)。查表可得許用安全系數(shù)Sp為1.3~1.5[6]。
式中:Sτ為只考慮扭矩作用時的安全系數(shù);σ-l為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限;τ-l為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限;Kσ、Kτ為彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù);β為表面質(zhì)量系數(shù);εσ、ετ為彎曲和扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù);ψσ、ψτ為材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù);σa、σm為彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力;τa、τm為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。
查表得,σ-l=270,τ-l=155,Kσ=1.90,Kτ=1.70,β=0.95,εσ=0.83,ετ=0.89,ψσ=0.30,ψτ=0.21,σa≈14,σm=0,τa≈45,τm=0,代入式:
Sσ=4.59,Sτ=1.71
將計算所得Sσ、Sτ值代入下式:
S=1.6≥SP=1.3~1.5
從動鏈輪軸材料查軸的常用材料及主要力學(xué)性能表得:選用45鋼,熱處理方式為調(diào)質(zhì),主要力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所列。
表1 軸的主要力學(xué)參數(shù)
路錐自動存儲系統(tǒng)主要包含了動力裝置、庫內(nèi)抓取機構(gòu)及庫內(nèi)路錐輸送機構(gòu);庫內(nèi)路錐輸送由并列的五排橫庫構(gòu)成,動力裝置為其工作提供了源動力,抓取機構(gòu)通過機械爪與其它構(gòu)件的共同配合完成路錐抓取工作,在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上進(jìn)行理論計算,大大提高了裝置的可靠性,滿足設(shè)計要求,即完成對5個路錐同時出庫、入庫操作,提高了路錐抓取效效率,減輕了工人的勞動強度。