改造者：金 偉 毛 杰 尉遲鐵業(yè) 梁存真

自位式裝卸過(guò)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算

改造者：金 偉 毛 杰 尉遲鐵業(yè) 梁存真

通過(guò)對(duì)自位式裝卸過(guò)橋受力分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用凸輪擺桿組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過(guò)橋升降與運(yùn)輸車(chē)輛尾部的搭接，使用彈簧機(jī)構(gòu)通過(guò)擺桿與橋板凸輪板連接，實(shí)現(xiàn)重力與彈簧力的平衡；無(wú)需外界動(dòng)力，僅靠人力驅(qū)動(dòng)，可完成全部動(dòng)作要求。操作靈活，維護(hù)簡(jiǎn)便，適合中小型倉(cāng)儲(chǔ)、港口、礦山、鐵路、郵政及裝卸貨場(chǎng)使用。

郵政、礦山、鐵路、物流等裝卸場(chǎng)所的站臺(tái)形式多樣，運(yùn)輸車(chē)輛規(guī)格不一，使得固定式裝卸站臺(tái)很難滿足快捷的裝卸要求。因此研究可調(diào)節(jié)裝卸高度的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)固定站臺(tái)與不同高度車(chē)廂尾部的快速搭接，使各種裝載車(chē)輛直接駛?cè)胲?chē)廂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)貨物機(jī)械化裝卸，已成為郵政、倉(cāng)儲(chǔ)、物流行業(yè)急待解決的課題。

研究?jī)?nèi)容

目前國(guó)內(nèi)郵件處理中心內(nèi)使用的托盤(pán)小車(chē)、小型叉車(chē)集裝箱的參數(shù)，要求“裝卸過(guò)橋”的承載能力至少為30KN，考慮到郵政的發(fā)展前景，在設(shè)計(jì)中其承載能力定為50KN，橋板寬度1.7m、橋板長(zhǎng)度1.6m，以利于將來(lái)裝卸工具、裝卸機(jī)械的通過(guò)。參照土建設(shè)計(jì)，郵件處理中心的站臺(tái)高度1.2m（普通貨物站臺(tái)高度1.1m）、現(xiàn)服役的郵車(chē)的車(chē)型最高車(chē)輛的車(chē)廂高度1.4m、最低為0.8m，結(jié)合人機(jī)工程的設(shè)計(jì)要求和裝卸機(jī)械的爬坡的要求，裝卸過(guò)橋的工作范圍設(shè)定為+7°～-7°，基本滿足大多數(shù)車(chē)輛的搭接。

在此前提下，我們研究開(kāi)發(fā)了自位機(jī)械式裝卸過(guò)橋，以方便不同形式站臺(tái)的配套選型。自位機(jī)械式裝卸過(guò)橋，無(wú)需外界動(dòng)力、低碳無(wú)污染，僅靠人力操作來(lái)完成全部動(dòng)作要求。在人力驅(qū)動(dòng)下裝卸過(guò)橋被推至某個(gè)角度，橋板即平穩(wěn)停在某處，且能橫向平移實(shí)現(xiàn)不同車(chē)位的搭接（如圖1所示）。操作時(shí)，人力松開(kāi)鎖緊裝置，彈簧力作用在橋板上，操作者拉起或推下橋板，其拉力或推力克服慣性力和摩擦阻力，使橋板轉(zhuǎn)動(dòng)上升、下降，平穩(wěn)的搭接在運(yùn)輸車(chē)輛的車(chē)廂尾部。

設(shè)計(jì)計(jì)算

在自位式裝卸過(guò)橋的研究中，采用平面凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，擺桿端部的滾輪半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凸輪起升段的曲率半徑。機(jī)構(gòu)中彈簧起著非常重要的作用，一方面保持滾輪始終與凸輪接觸，另一方面擔(dān)負(fù)著平衡裝卸過(guò)橋本體（各部件）的重量作用，以確保裝卸過(guò)橋在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中輕便、靈活，處于恒自位狀態(tài)。機(jī)構(gòu)中O1、O3分別為橋板的轉(zhuǎn)軸和彈簧的轉(zhuǎn)軸（如圖1所示），橋板通過(guò)O1安裝在站臺(tái)上，而彈簧通過(guò)O3安裝在橋板上且與O1不重合，這是由于若上述兩點(diǎn)重合，則凸輪運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)較大失真，出現(xiàn)凸輪工作壓力角較大的情況，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

該機(jī)構(gòu)組成共有活動(dòng)構(gòu)件2個(gè)，高副1處，低副2處，因此：

n=2，pi=2，ph=1，故其自由度：F=3× 2-2× 2- 1=1

裝卸過(guò)橋的受力分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將過(guò)橋分為四部分進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

其中：

P — 橋板對(duì)滾輪的壓力；

L1— 擺桿長(zhǎng)度；

L2— O1轉(zhuǎn)軸距作用力P′垂直距離；

L3— O1轉(zhuǎn)軸距橋板重力W2垂直距離；

L4— O3轉(zhuǎn)軸距彈簧重力W3垂直距離；

圖1　自位式裝卸過(guò)橋結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　過(guò)橋四部分受力分析圖

H0— 彈簧自由狀態(tài)長(zhǎng)度、ΔH— 彈簧伸長(zhǎng)量。

為保證系統(tǒng)恒自位，需初步設(shè)計(jì)求出各構(gòu)件質(zhì)量，以重力為已知條件，確定彈簧、凸輪、推桿、及固定鉸鏈的相對(duì)位置參數(shù)，因此這是一個(gè)多元優(yōu)化問(wèn)題，無(wú)法直接找出解析表達(dá)式的函數(shù)，要多次人為定多項(xiàng)初值，使計(jì)算逐漸收斂，才能得到近似解，而初值中因有多項(xiàng)為非線性變化，另外還要考慮制件的工藝性，所以給計(jì)算結(jié)果收斂帶來(lái)了一定難度。

由于采用凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，并使用拉簧拉力平衡機(jī)構(gòu)各器件重力，以保證系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的恒自位要求，拉簧拉力隨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位置的變化規(guī)律既與機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，又與滾輪在凸輪廓線上的位置有關(guān)，所以拉簧拉力的變化非線性且無(wú)法用函數(shù)描述，只能采用先設(shè)計(jì)后校核的方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。上述計(jì)算的目的是最終用于對(duì)凸輪進(jìn)行修正、利于控制誤差范圍，實(shí)現(xiàn)力和力矩平衡。

表1　過(guò)橋設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)裝卸過(guò)橋在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程始終處于自位的條件，結(jié)合裝卸過(guò)橋處于每個(gè)位置時(shí)的具體參數(shù)，計(jì)算出裝卸過(guò)橋每翻轉(zhuǎn)10°，彈簧力與裝卸過(guò)橋自重力平衡結(jié)果見(jiàn)下表。

圖3　T 與T′隨反轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖4　誤差分析圖

表1中所得到數(shù)據(jù)分析可知，在起點(diǎn)0o彈簧產(chǎn)生的拉力大于平衡轉(zhuǎn)矩所需要的力，在終點(diǎn)97 o彈簧產(chǎn)生的拉力小于平衡轉(zhuǎn)矩所需要的力，這是為了保證裝卸過(guò)橋在起點(diǎn)、終點(diǎn)狀態(tài)穩(wěn)固停放和可靠工作，避免外界小擾動(dòng)致使裝卸過(guò)橋失靈產(chǎn)生誤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也能滿足人機(jī)工程中人力驅(qū)動(dòng)的要求。

圖3、圖4所示為凸輪廓線經(jīng)過(guò)工藝修正后的橋板平衡所需的理論拉力T ，彈簧的實(shí)際彈力T′的圖線，以及誤差分析圖。（其中θ為翻轉(zhuǎn)度數(shù)）

最終對(duì)力平衡校核表明，翻轉(zhuǎn)段最大誤差均在百分之五以?xún)?nèi)，滿足人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)用新穎簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但尺寸計(jì)算上則要求擬合精確，才能實(shí)現(xiàn)功能的準(zhǔn)確性及可靠性以及生產(chǎn)工藝的可行性。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自位機(jī)械式裝卸過(guò)橋進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析及受力分析，以機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件重力為已知條件，進(jìn)行彈簧、凸輪、推桿、及固定鉸鏈的相對(duì)位置參數(shù)的確定。由于該問(wèn)題為多元優(yōu)化問(wèn)題，并且采用凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，拉簧拉力變化規(guī)律非線性且無(wú)法用函數(shù)描述，故只能采用設(shè)計(jì)校核的方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)人為擬定初值，逐步計(jì)算優(yōu)化，最終得到了符合機(jī)構(gòu)工作要求的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的可用性及誤差范圍進(jìn)行了分析。

自位式裝卸過(guò)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算不僅從理論上獲取多元優(yōu)化的數(shù)據(jù)，而且通過(guò)試制取得了可靠結(jié)論，為高位倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸業(yè)的安全高效生產(chǎn)提供了一種便利、靈活、耐用可靠的裝卸設(shè)備。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.027