小型開啟橋的機械傳動系統創新設計

黃凱　陳茂雙　謝寶玲　鄭靖　李彬

摘 要：文章論述了開啟橋的開啟機構設計，開啟橋開啟部分包括支座設計、傳動系統設計、減速裝置設計、滑塊控制系統設計等四個方向內容。在設計過程中開啟裝置為扇形齒樞軸-齒輪系統，通過齒輪嚙合轉動完成開啟橋的開啟和關閉；通過減速器來實現電動機輸出轉速與開啟裝置齒輪傳動輸入轉速的變換實現低轉速平穩開啟；通過觀察滑塊控制系統來控制橋臂轉動的角度，解決了橋臂轉動過度或不到位的問題，通過三大系統共同實現橋臂的順利開啟與關閉。

關鍵詞：開啟橋；設計；扇形齒；樞軸

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）09-0018-01

1 開啟橋及開啟機構概述

開啟橋（movable bridge）是指為了通航需要，上部結構能以豎旋、平旋、提升等方式開合的橋梁。開啟橋的開啟機構是給開啟橋增加自由度，使其轉動更加靈活，很好地解決通航問題。

改革開放以來，我國的公路建設方面有著飛速的發展，作為公路建設的重要組成部分——開啟橋建設也得到了相應的發展，并被人們廣泛關注。中國作為發展中國家，經濟發展是首要位置。開啟橋能夠解決陸路和水路不兼顧的問題，加速經濟的發展，并在以后的發展中有著不可估量的地位。我們設計的開啟橋裝置采用電氣控制系統，該控制系統具有自動控制功能、保護功能、監視功能、測量功能、具有體積小、通用性和靈活性強，使用維護方便等特點。

2 小型開啟橋的開啟機構設計

小型開啟橋開啟機構是給開啟橋增加自由度，它是由開啟軸、支架、軸承、開啟齒輪等組成的，通過各種元件的配合實現齒輪嚙合來完成開啟橋上下轉動或者橫向轉動的一種機構，它本身就是一種對原有實體開啟橋的一種革新，讓基體能夠平穩運動。開啟機構原理圖，如圖1所示。

開啟機構是整個裝置的靈魂，擔任了主要的開啟任務。本開啟機構采用的是齒輪扇形齒嚙合系統。開啟機構由主軸Ⅱ正轉，轉速為nII，在主軸Ⅱ上的直齒輪2與樞軸上的扇形齒輪1嚙合，扇形齒輪1與橋臂為同一構件，從而帶動橋臂運動，達到開啟的目的。本設計是屬于立轉式開啟橋，也就是使橋臂從水平位置旋轉90 °至豎直位置，這就需要控制齒輪的嚙合，保證齒輪的旋轉角度，扇形齒輪就可以很好地控制旋轉角度，適用于立轉式開啟橋中。

圖1中的扇形齒輪機構是由齒輪機構演變而得的一種間歇傳動機構。它主要是將主動輪的連續轉動轉換為從動輪的間歇運動達到橋臂緩慢開啟的要求。扇形齒輪與直齒輪的傳動是有一定角度的，進而實現了橋臂在一定的范圍內旋轉。扇形齒輪機構具有結構簡單、制造方便、易于對橋臂的轉動進行控制等特點。

采用齒輪傳動有以下三點優勢：①齒輪傳動與鏈傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動相比。帶傳動的傳動比不穩定，傳動的中心距大，占據的空間大，使開啟機構不穩定。鏈傳動的精度較低，傳動平穩性較差，最重要的鏈傳動會出現掉鏈的現象，這對開啟機構來說有著致命的影響；蝸輪蝸桿的傳動效率低，容易發熱，縮短了開啟橋的使用壽命。②齒輪傳動硬度較高，在轉動過程中能承受較高載荷。③齒輪結構緊湊，能減少使用面積，保證了整個開啟機構的緊湊性。開啟機構結構圖，如圖2所示。

3 小型開啟橋的滑塊控制

滑塊傳動原理，如圖3所示。

滑塊控制，是通過滑塊移動，觀察在導軌上的相對位置，計算出橋面與水平面的相對角度，完成對橋面的有效調控。

其傳動原理如下：H臂、橋面L和扇形齒輪共同被固定在樞軸I上，扇形齒輪在轉動的過程中帶動樞軸I上的橋面和H臂以相同的角速度ω進行轉動。H臂與K臂、M滑塊槽以及小滑塊共同組成了四桿機構，由于自由度：

F=3n-2p1-ph=3×3-2×4=1

只要H臂發生轉動，滑塊m就會在滑塊槽M內平移運動。由于角速度ω相同，所以滑塊運動的速度V∝ω，便可以得出滑塊m和滑塊槽邊緣的相對距離與橋面L和水平面的轉過角度的函數s=kθr。

將函數編寫成入C語言并制作出程序，操作員通過計算機就能得到橋梁精確地角度。并在需要停止橋面轉動時提前做出操作，完成橋梁的停止。滑塊控制系統，如圖4所示。

本控制系統是對其他不同控制基礎的創新。相比普通的控制系統，有以下優點：

①采用最簡單的曲柄滑塊機構，設計制作方便，傳動原理簡潔，傳動效率高，最重要的是傳動平穩，振動速度極低。②滑塊控制與扇形齒輪形成雙保險，防止了開啟橋轉動角度過大超出控制，減少安全隱患。③便于編程，通過程序控制橋梁轉動角度，完成開啟橋旋轉的開啟和關閉，實現了自動化、智能化控制。

4 結 語

本作品設計的開啟橋屬于立轉式的開啟橋，開啟裝置通過齒輪傳動減速裝置和滑塊控制等一系列傳動共同組合而成。在傳動過程中，齒輪傳動成為整個開啟裝置傳動的核心內容，通過直齒圓柱齒輪與扇形齒輪的嚙合，使得橋臂旋轉，達到了開啟的目的。減速裝置是通過蝸輪蝸桿傳動達到減速的目的。蝸輪蝸桿傳動優于齒輪傳動，可以實現很大的傳動比，使橋臂旋轉速度較低，更為平穩。滑塊控制采用曲柄滑塊機構，在樞軸的旋轉下帶動滑塊進行直線運動，觀察滑塊與滑塊槽的相對位置來控制開啟橋的開啟與關閉。

本開啟橋裝置應用廣泛，適合安全性要求較高的地區，如有較高的抗震設防要求時，本設計適用，在對通航凈空要求較高的河道，如經常出現游艇等高聳型船只時，本設計的適用性也較強，三是本設計的低成本和易維修性，增強了推廣競爭力。

參考文獻：

[1] 張鈺雕.響螺灣海河開啟橋結構性能及疲勞荷載譜研究[D].天津：天津 大學，2008.

[2] 梅新詠.溫州甌南大橋開啟橋方案構思[J].橋梁建設，2006，（S2）.

[3] 馮濤，劉敬賢.天津港海河開啟橋通航環境與安全研究[J].中國水運，2007，（10）.