板型物料專用提升裝置的設計與分析

田軍亮 李小姣 李玉龍

摘 要：提升裝置是生產(chǎn)中較為常見的機械裝備，本文研制一種專用提升裝置應用于板型物料裝車使用。該專用提升裝置的獨特之處在于添加了自動翻轉(zhuǎn)裝置，結構巧妙無需額外提供動力，通過傳送帶與水平地面間夾角的重力分量提供翻轉(zhuǎn)動力，翻轉(zhuǎn)機構處設計凸輪減速系統(tǒng)，避免被提升物體與機架間發(fā)生碰撞。

本裝置以電動機作為主要動力源，電動機經(jīng)過二級減速系統(tǒng)降速以后通過鏈輪驅(qū)動提升鏈來提升板型物料。板型物料專用提升裝置的具體工作過程為：當操作人員將板型物料放置于專用提升裝置的規(guī)定區(qū)域范圍后即可自動啟動專用提升裝置，當板型物料被提升至預定的高度時，板型物料隨翻轉(zhuǎn)機構翻轉(zhuǎn)至車箱內(nèi)，此刻鏈條上的另一組提升板觸發(fā)行程開關后繼電器斷開，電動機停止轉(zhuǎn)動，此刻當操作人員取下板型物料后，提升裝置進入下一輪的循環(huán)，從而實現(xiàn)專用提升裝置的連續(xù)工作。通過虛擬樣機試制，證明該專用提升裝置符合預期的設計目標，經(jīng)過生產(chǎn)樣機試制表明該裝置不僅能夠滿足實際生產(chǎn)應用需求，而且結構原理簡單、輕便便于移動，具備良好的市場推廣價值。

關鍵詞：提升裝置 翻轉(zhuǎn)機構 凸輪減速

Abstract：Elevator is a common mechanical equipment in production. In this paper， a special lifting device is developed and applied to the loading of plate materials. The special lifting device is unique in that it adds an automatic turnover device， which is ingenious in structure and does not need to provide additional power. The turnover power is provided through the gravity component of the angle between the conveyor belt and the horizontal ground. A cam deceleration system is designed at the turnover mechanism to avoid collision between the lifted object and the frame.

The device takes the motor as the main power source. After the speed reduction of the motor through the secondary reduction system， the lifting chain is driven by the sprocket to lift the plate material. When the material turnover mechanism is turned to the specified height of the plate after the material turnover mechanism is switched off， the personnel can turn the material turnover mechanism to the specified height of the plate after the material turnover mechanism is switched off， and the material turnover mechanism can be switched off with the specific operation of the plate， At this moment， when the operator removes the plate material， the lifting device enters the next round of circulation， so as to realize the continuous operation of the special lifting device. Through the trial production of virtual prototype， it is proved that the special lifting device meets the expected design goal. The trial production of production prototype shows that the device can not only meet the actual production and application needs， but also has simple structure principle， light weight and easy movement， and has good market promotion value.

Key words：Elevator; Turnover mechanism; Cam deceleration

1 前言

板型物料專用提升裝置廣發(fā)應用地磚生產(chǎn)銷售產(chǎn)業(yè)。主要用來解決搬運過程中，需要人力進行搬運裝車的情景。以生產(chǎn)環(huán)節(jié)普遍需要搬運的800×800（mm）地板磚為例，兩片作為最小裝箱單元，重量約為45KG。在具體搬運實施過程中因地磚質(zhì)硬、面積大、易破損等特點相比于等質(zhì)量其他物體而言搬運難度顯著增加，尤其是從地面搬運至車廂的過程人員體力消耗巨大，同時保證地板磚不磕碰也相對困難[1]。

專用提升裝置，由支架和翻轉(zhuǎn)機構組成，如圖1所示為專用提升裝置結構示意圖。包括傾斜支架和底部支架兩部分，傾斜支架斜向下設置，一端與底部支架固定連接；傾斜支架的頂?shù)撞糠謩e設置上、下兩轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸兩側安裝鏈輪，布局于傾斜支架內(nèi)側，鏈輪間通過鏈條實現(xiàn)傳動[2]。翻轉(zhuǎn)裝置包括凸輪、固定臂、旋轉(zhuǎn)臂和彎板，專用提升裝置減輕了工人勞動強度，大幅度提高搬運效率，有效減少板型物料損壞。該專用提升裝置結構簡單、控制簡捷可有效的滿足裝運要求。

2 專用提升裝置簡介

本專用提升裝置裝置的核心部件為翻轉(zhuǎn)機構。物料在提升過程中傾斜支架與地面間形成約70°的夾角，物料自身重力可分解為垂直提升面的分力和豎直方向下的重力分力，當板裝物料的重心超過傾斜支架高點并大于板型物料與提升板間的摩擦力時自動完成翻轉(zhuǎn)動作[3]。為確保翻轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定，在支架上設置減速系統(tǒng)，避免因翻轉(zhuǎn)速度過大而引起物料與專用提升裝置的損壞。

生產(chǎn)應用過程：當操作人員將板型物料放置于專用提升裝置的規(guī)定區(qū)域范圍后即可自動啟動專用提升裝置，當板型物料被提升至預定的高度時，板型物料隨翻轉(zhuǎn)機構翻轉(zhuǎn)至車箱內(nèi)，此刻鏈條上的另一組提升板觸發(fā)行程開關后繼電器斷開，電動機停止轉(zhuǎn)動，此時若操作人員取下板型物料，則提升裝置進入新工作循環(huán)，從而實現(xiàn)板型物料的連續(xù)提升工作。

3 專用提升裝置的結構設計

3.1 板型物料專用提升裝置的機架設計原則

板型物料專用提升裝置的機架設計原則如下：

（1）保證機架上安裝的減速系統(tǒng)和提升系統(tǒng)能夠順利運轉(zhuǎn)；機架的固定部分與運動部分間不得存在運動干涉；機架在強度達到要求的前提下也要滿足相應的剛度要求；

（2）對穩(wěn)定性的要求：機架采用空心管件有可能存在失穩(wěn)問題，尤其是采用細長薄壁的構件，運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)失穩(wěn)對機架結構產(chǎn)生很大的損傷，設計過程中須對機架所選材料進行校核；

（3）對固有頻率的要求：機架設計完成后需要通過虛擬樣機對機架進行模態(tài)分析，避免形成共振。從而預防機架的變形、振動及爬行；

（4）對外觀的要求：在保證專用提升裝置正常運轉(zhuǎn)的前提下盡可能使結構緊湊外形美觀。

3.2 板型物料專用提升裝置的結構設計原理

以面積800×800mm，重量約50KG左右的板料進行整體結構設計。考慮翻轉(zhuǎn)過程中沖擊載荷引起的超重問題，設計時設備安全儲備系數(shù)選為2。專用提升裝置設計過程中考慮板料與提升板間的摩檫力，提升板的摩檫力內(nèi)側摩擦系數(shù)大于外側，保證翻轉(zhuǎn)動作干脆利落，避免未過頂端造成板料滑落。為保證物料不脫落，提高設備安全使用性能，在設計時增加物料重心過頂端的距離并增加旋轉(zhuǎn)臂的長度。

專用提升裝置有安裝輪子的底部以及板型物料上升過程中所需的傾斜支架組成[4]。傾斜支架的頂、底分別設置轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)軸兩端布置鏈輪，通過鏈條將上下轉(zhuǎn)軸的運動聯(lián)系起來。上轉(zhuǎn)軸端部安裝旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)面位于傾斜支架的外側，固定臂的端部設置有軸孔，軸孔內(nèi)布設滑動軸，在板型物料上升時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂與傾斜支架平行。

翻轉(zhuǎn)機構包括旋轉(zhuǎn)臂、彎板以及凸輪減速系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)臂沿長度方向設計兩個滑槽，滑槽上端的長度小于下端，兩滑槽中心線平行，彎板為“η”形，彎板與旋轉(zhuǎn)臂相配合，當板型物料上升到一定高度后，實現(xiàn)地磚的自鎖固定，避免翻轉(zhuǎn)時發(fā)生物料墜落[5]。提升鏈條上設置兩組間隔距離相等的提升板，提升板與提升鏈條相垂直，在機架上提升板運動途中安裝行程開關，傾斜支架下部外面對稱設置有兩個定位板，其中一定位板上設有壓力開關。

旋轉(zhuǎn)臂包括底板和兩塊豎直對稱設置在底板左、右兩側的豎板，兩側豎板高出底板，豎板上沿板長方向設置滑槽，滑動軸與兩個豎板上的滑槽滑動連接，兩側的豎板高出底板，沿板長方向設計滑槽二，滑動軸的兩端與豎板上的槽二滑動連接。

翻轉(zhuǎn)機構還包括固定在固定臂內(nèi)側，同軸設置的凸輪減速系統(tǒng)，減速系統(tǒng)包括減速支桿和套設在減速支桿上的壓力彈簧，支架上安裝支桿座，其上設計通孔，減速支桿從中穿過[6]。減速支桿上固定有支桿擋板，壓力彈簧位于支桿擋板和支桿座間，減速支桿的頂端與凸輪的外圓周面頂靠連接。凸輪減速機構的應用使板型物料在翻轉(zhuǎn)過程中更加平穩(wěn)避免物料的損壞。

4 專用提升裝置的工作過程

（1）當板型物料接觸旋轉(zhuǎn)臂時，旋轉(zhuǎn)臂會繞滑動軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整至最佳姿態(tài)，避免撞造成物料損傷。如圖2所示。

（2）當板型物料提升到上轉(zhuǎn)軸時，旋轉(zhuǎn)臂會自動貼合板型物料，使板型物料進入彎板中。

（3）板型物料到達彎板頂端，彎板的軸孔與旋轉(zhuǎn)臂的滑槽通過滑動軸配合，板型物料上升彎板沿滑槽移動，當板型物料帶動彎板到達另一滑槽頂端時彎板與旋轉(zhuǎn)臂間完成自鎖。

（4）當板型物料沿傾斜支架提升一定距離后，將克服板型物料與提升板間的摩擦力完成翻轉(zhuǎn)動。

（5）當板型物料與旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)到水平位置時，旋轉(zhuǎn)臂帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪觸碰支桿擋板，壓力彈簧對旋轉(zhuǎn)的凸輪提供緩沖力；

（6）板型物料平穩(wěn)搬運至運輸車，工人取出板型物料彎板自動解鎖。

5 翻轉(zhuǎn)動作的理論分析

旋轉(zhuǎn)臂隨板型物料上升到達預定高度時對它們進行受力分析：

設板型物料長度為L，質(zhì)量為m1，旋轉(zhuǎn)臂質(zhì)量為m2，板型物料與提升板間摩擦因數(shù)為μ，當板型物料沿傾斜支架提升距離x時，將克服板型物料與提升板間的摩擦力完成翻轉(zhuǎn)。以旋轉(zhuǎn)點做受力分析如圖6所示。

cosβ×（m1+m2）=（m1+m2）×cosβ+μ（m1+m2）sinβ×（L.x）cosβ

化簡得：=1+2μsinβ （1-2）

代入已知數(shù)據(jù)L=800mm，μ=0.6，β=70°

求得X=545mm

當板型物料沿傾斜支架提升距離x為545mm時，滿足x＜L，將克服板型物料與提升板間的摩擦力完成翻轉(zhuǎn)[7]。

當板型物料與旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)到水平位置時，旋轉(zhuǎn)臂帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪碰觸支桿擋板，減速機構的壓力彈簧對旋轉(zhuǎn)的凸輪提供緩沖力，同時壓力彈簧增大凸輪與減速支桿上支桿擋板之間的摩擦力，起到減速目的，避免因旋轉(zhuǎn)速度過大板型物料碰撞支架。壓力彈簧的選擇是根據(jù)板型物料與旋轉(zhuǎn)臂重心下落距離的重力做功確定的。

設板型物料與旋轉(zhuǎn)臂重心做功為：W1=mgh

h：為板型物料與旋轉(zhuǎn)臂重心下落距離

凸輪與減速支桿間的摩擦力做功為：W2=2Fμs，F(xiàn)=kL

μ：凸輪與減速支桿上方擋板間經(jīng)過接觸面的摩擦因數(shù)取μ=0.8;

F：壓力彈簧的壓力;

s：凸輪與支桿擋板的圓周摩擦距離;

K：壓力彈簧的彈簧系數(shù)，

L：平均壓縮距離

當W1=W2時，可以避免因旋轉(zhuǎn)速度過大板型物料碰撞支架，代入仿真測得的數(shù)據(jù)為：

H=568mm，L=50mm， s=300mm，

求得壓力彈簧系數(shù)為：k=1230N/m。因此選用壓力彈簧勁度系數(shù)為1230N/m的彈簧可起到減速作用[8]。

6 結論

通過理論分析表明該板型物料專用提升裝置的設計方案能夠滿足預期需求，經(jīng)過虛擬樣機分析及生產(chǎn)樣機試制表明該專用提升裝置符合預期的設計目標，不僅能夠滿足實際生產(chǎn)應用需求，而且結構原理簡單易于生產(chǎn)制造，具備良好的市場推廣價值。

項目：河南省高等學校重點科研項目23B460019《智能型果蔬分選專家系統(tǒng)訓練平臺》。

參考文獻：

[1]溫毅，李龍，康文凱，李哲宇，郝曉華.提升裝置卷筒的小型化改造設計[J].時代汽車，2022（06）：125-126.

[2]張虎，高云，王志虎.激光測距儀在提升裝置上的應用[J].汽車電器，2022（02）：52-54.

[3]靳志強.礦用提升裝置鋼絲繩損傷檢測裝置的設計[J].機械管理開發(fā)，2021，36（08）：253-255.

[4]李奉順，陸榮鑑，張建紅.一種翻轉(zhuǎn)機構的仿真及優(yōu)化設計[J].藝術科技，2019，32（11）：240-241.

[5]陳志華. 基于翻轉(zhuǎn)式的超薄玻璃在線碼垛機器人設計研究[D].北京信息科技大學，2018.

[6]陳東海.礦用水力作業(yè)機排管裝置的設計與應用[J].煤炭工程，2017（10）：113-118

[7]李建峰.關于礦用提升裝置盤式制動器的結構改進設計[J].自動化應用，2020（03）：50-52.

[8]劉曉麗.基于礦井提升裝置的傳動軸優(yōu)化設計[J].內(nèi)燃機與配件，2019（21）：80-81.