蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

晁用璽

（哈工大機(jī)器人智能制造有限公司，北京 100032）

引言

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)在多個(gè)工位間傳送物料的過程中，往往需通過串聯(lián)方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，在此過程中無法保證物料平穩(wěn)運(yùn)輸，易增加物料掉落幾率，且輸送效率低，對(duì)于結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提出現(xiàn)實(shí)要求。在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸送機(jī)設(shè)計(jì)合理性與關(guān)鍵部件強(qiáng)度的校核，能夠?yàn)檩斔蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性提供保障。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)原理

常規(guī)帶式輸送機(jī)主要在輸送帶的前后兩端設(shè)置帶輪，通過驅(qū)動(dòng)傳送帶沿皮帶方向作直線運(yùn)動(dòng)，完成物料輸送作業(yè)，但在此模式下輸送帶僅能沿線性方向移動(dòng)、不支持轉(zhuǎn)向，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)不同工位間的物料輸送需求[1]。蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)是一種支持在多個(gè)不在同一直線上工位間輸送物料的輸送機(jī)械，通過沿蛇形軌道布設(shè)帶體，使帶體沿軌道移動(dòng)至平面上的任意位置，支持對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)、穩(wěn)定輸送，避免在不同輸送帶以串聯(lián)方式傳遞物料過程中引發(fā)物料掉落問題，保證物料輸送效率與安全。同時(shí)，將鏈條固定在蛇形軌道的滑槽內(nèi)，用于防止在帶體移動(dòng)過程中發(fā)生位置偏移，保證輸送帶運(yùn)行環(huán)節(jié)物料的穩(wěn)定性。在帶體一側(cè)設(shè)有擋板，防止在運(yùn)行過程中出現(xiàn)物料掉落現(xiàn)象，保障帶體的連續(xù)順利移動(dòng)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，該輸送裝置主要由機(jī)架、軌道、鏈條、帶體、帶片以及液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。在機(jī)架上安裝有蛇形槽軌，在槽軌內(nèi)側(cè)滑動(dòng)安裝鏈條，在鏈條上安裝有帶體，沿鏈條方向在帶體上設(shè)置若干帶片，將蛇形槽軌內(nèi)側(cè)鏈條的鏈銷伸出滑槽后與相應(yīng)位置的帶片進(jìn)行固定連接，并且以層疊方式將扇形帶片的一側(cè)與相鄰帶片一側(cè)疊加進(jìn)行連接，在機(jī)架上帶體兩側(cè)設(shè)有擋板，擋板上方設(shè)有導(dǎo)槽。

其中機(jī)架部分包含機(jī)頭小車、中間小車與機(jī)尾小車，基于履帶式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)頭小車，采用輪式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中間小車和機(jī)尾小車移動(dòng)，各小車間借助萬(wàn)向節(jié)連接、配置有轉(zhuǎn)向油缸，利用液壓系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向油缸配合控制小車行走、轉(zhuǎn)向；在鏈條一側(cè)設(shè)有鏈板，鏈板左右兩端分別設(shè)有十字軸和鉸接孔、中部設(shè)有鉸接位移孔，使兩相鄰鏈板采用鉸接形式連接，將鏈銷與鏈板端部固定連接，使鏈板以鏈銷為基準(zhǔn)做軸向轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)（鏈板結(jié)構(gòu)如圖1所示）；帶體呈條狀，在帶體上沿鏈條方向設(shè)有若干帶片，帶片側(cè)面呈扇形，兩相鄰帶片搭接時(shí)避免連接部位存在縫隙，將鏈銷與相應(yīng)位置的帶片進(jìn)行固定連接，保證帶片與相應(yīng)鏈板在帶體上保持同步運(yùn)動(dòng)；當(dāng)鏈條沿蛇形軌道移動(dòng)時(shí)，其線形將由直線轉(zhuǎn)變?yōu)樯咝?，使與之相連的帶片呈蛇形狀排列（如下頁(yè)圖2所示），控制帶體蛇形前進(jìn)，將物料經(jīng)由不同工位輸送至軌道上指定位置；帶體兩邊緣處分別設(shè)有擋板，用于在帶體滑動(dòng)過程中阻擋物料脫落。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與檢驗(yàn)

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

針對(duì)蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行分析，主要涉及到直線-圓周、直線-圓弧、S形幾種運(yùn)動(dòng)軌跡類型[2]。假設(shè)輸送機(jī)在光滑平面上運(yùn)行，帶輪無打滑現(xiàn)象，小車沿縱向保持軸對(duì)稱，質(zhì)心速度方向與縱軸同向，轉(zhuǎn)彎曲曲率半徑較大?；谏鲜鰲l件，建立蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)的參考坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)各小車附體坐標(biāo)系（i=1,2,3,…,n），且xi為各小車縱軸方向、oi為質(zhì)心。將第i個(gè)小車的位形設(shè)為｛xiθi yi｝，其質(zhì)心在輸送機(jī)參考坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)為｛xiyi｝，其縱軸與x軸夾角為θi，建立機(jī)頭小車運(yùn)動(dòng)模型。

設(shè)第i個(gè)小車與第i+1個(gè)、第i-1個(gè)小車間的鉸接點(diǎn)分別為Ai和Bi，該小車的線速度為vi、角速度為ωi，其縱軸與第i+1個(gè)小車縱軸夾角為φi，則該小車在輸送機(jī)運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律表示為：

在此基礎(chǔ)上，設(shè)機(jī)頭小車行進(jìn)方向兩側(cè)車輪的滑動(dòng)參數(shù)為k1和kr，則建立整體蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行學(xué)傳遞方程為：

考慮到各小車間的相對(duì)轉(zhuǎn)角不超過5°，因此取sin（φi）≈φi、cos（φi）≈1。以第i個(gè)小車與相鄰第i+1個(gè)小車的鉸接點(diǎn)為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，設(shè)小車機(jī)架半寬度為ai、ai+1，小車轉(zhuǎn)動(dòng)前后位置分別為si、si+1，則相鄰小車間轉(zhuǎn)向油缸的活塞位移δi表示為：

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

設(shè)蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)由一節(jié)機(jī)頭小車、三節(jié)中間小車和一節(jié)機(jī)尾小車組成，各小車間配置的轉(zhuǎn)向油缸依次為y（0）、…、y（4），直線段的運(yùn)動(dòng)速度略快于曲線段，小車縱軸與X軸夾角度數(shù)為θi,結(jié)合上述參數(shù)生成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果。從中可觀察到，在帶式輸送機(jī)沿軌道直線段向曲線段行進(jìn)時(shí)，由機(jī)頭小車對(duì)第一節(jié)中間小車施加牽引力，配合轉(zhuǎn)向油缸的作用帶動(dòng)其他小車轉(zhuǎn)向曲線運(yùn)動(dòng)段，基于相同曲率半徑做曲線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)尾小車的尺寸擴(kuò)大一倍時(shí)，其運(yùn)動(dòng)曲率半徑同比其他四節(jié)小車減小，由此說明小車的運(yùn)動(dòng)曲率半徑與小車尺寸間具有反比例關(guān)系。針對(duì)各小車間配置轉(zhuǎn)向油缸的活塞位移進(jìn)行仿真分析，在帶式輸送機(jī)沿直線段行進(jìn)過程中，小車間配置的轉(zhuǎn)向油缸的活塞位移數(shù)值為0；當(dāng)帶式輸送機(jī)由直線段轉(zhuǎn)向曲線段行進(jìn)后，各小車間配置的轉(zhuǎn)向油缸活塞位移由機(jī)頭至機(jī)位方向依次遞增至3 cm；當(dāng)各小車在曲線路徑上行進(jìn)時(shí)，各小車間配置的轉(zhuǎn)向油缸的活塞位移保持在3 cm的恒定值。

2.3 關(guān)鍵部件有限元分析

在該蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，利用萬(wàn)向節(jié)完成相鄰小車的連接，擬對(duì)該受力部件進(jìn)行分析與校核。采用ANSYS軟件進(jìn)行關(guān)鍵部件的有限元分析，該部件孔徑大小為12 mm、孔深為10 mm；材料為金屬鋼，彈性模量為2.1×105Pa、泊松比為0.3。對(duì)蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中萬(wàn)向節(jié)的受力情況進(jìn)行分析，主要由機(jī)頭小車向后方小車施加一個(gè)向后傳遞的牽引力F1，同時(shí)機(jī)頭小車產(chǎn)生一個(gè)摩擦阻力f1，中間小車及機(jī)尾小車所受摩擦力分別為f2,…，fn，則機(jī)頭小車與第一節(jié)中間小車間連接的萬(wàn)向節(jié)所受拉力為F=f2，…，fn。設(shè)各節(jié)小車質(zhì)量為120 kg，移動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)為0.1，則該萬(wàn)向節(jié)所受拉力的最大值為1 400 N。已知萬(wàn)向節(jié)抗拉強(qiáng)度為600 MPa、許用應(yīng)力值為60 MPa，在萬(wàn)向節(jié)受力過程中以孔內(nèi)側(cè)為應(yīng)力集中區(qū)域，該部位產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為0.195×107MPa，符合設(shè)計(jì)要求，能夠保證萬(wàn)向節(jié)的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在蛇形移動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，由于其蛇形移動(dòng)過程中涉及到由直線段轉(zhuǎn)向曲線段以及沿曲線段運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)彎過程中為避免影響到傳送方向的準(zhǔn)確性，還需在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)償角的設(shè)計(jì)，優(yōu)化帶體的空間曲線[3]。首先，需控制好帶體中心內(nèi)曲線的高度，避免因高度過大在轉(zhuǎn)彎環(huán)節(jié)引發(fā)物料傾斜甚至側(cè)翻等問題，合理調(diào)節(jié)中心線抬高角度，用于減少轉(zhuǎn)彎半徑、加快轉(zhuǎn)彎速度。其次，可在機(jī)架上安裝支撐角，使帶體外側(cè)朝向中心方向移動(dòng)，避免因彎曲外力影響到帶體的平面度。最后，還可以適當(dāng)增加鏈板帶的補(bǔ)償角，使其在移動(dòng)過程中自動(dòng)找正,為輸送機(jī)物料運(yùn)送過程的安全穩(wěn)定提供保障。

3 結(jié)語(yǔ)

蛇形移動(dòng)的帶式輸送機(jī)能夠有效適應(yīng)多工位、復(fù)雜曲線工況環(huán)境下的物料輸送需要，移動(dòng)蛇形軌道與各節(jié)小車間的靈活連接，可確保各小車沿預(yù)設(shè)軌跡跟蹤移動(dòng)。經(jīng)由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真優(yōu)化后，可有效證明小車間的位移變化曲線與實(shí)際移動(dòng)軌跡相符，能夠?yàn)閹捷斔蜋C(jī)行進(jìn)過程的穩(wěn)定、準(zhǔn)確與安全提供可靠保障。