提升翻轉裝置的研究設計

劉聯超+黃輝+張卓

摘 要：目前在我國不銹鋼棒料回收領域并沒有專門的提升翻轉裝置，該項目主要針對這種情況，以及不銹鋼棒料回收時所處的特殊工作環境及功能需要，設計出新型可靠的提升翻轉裝置，該裝置通過上下軌道的形狀配合，將棒料豎直裝入料倉后提升翻轉至水平剪切口。同時本項目對關鍵部件進行了詳細的理論分析和設計，如防墜器、推送機構的設計研究等。最后制作了演示動畫和實物模型對該項目進行驗證和展示。

關鍵詞：提升翻轉；防墜器；推送機構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.239

1 項目背景及意義

提升、翻轉設備我國可以自主研究設計和建造，但是在重要不銹鋼棒料的回收處理領域，并沒有專門的提升翻轉設備，可以說幾乎一片空白。我國目前采用的提升翻轉機構多為兩部分，通過提升裝置把不銹鋼棒料提升起來后翻轉裝置再負責翻轉，這樣會降低工作效率，而且涉及到的智能化控制更加復雜，裝置的穩定性也就會存在一定問題。

該項目所研究設計的提升翻轉結構，將提升和翻轉有機的結合在了一起，使提升翻轉通過同一個裝置就可以實現，從而大大的提高了工作效率。而且該裝置智能化控制較少，機械化操作更加簡單便捷，還巧妙的用到了料倉搬運，使棒料在提升翻轉過程中不會掉落，更好的保證了棒料的完整性，也體現出了該裝置的穩定性、安全性和可靠。該裝置是適應目前不銹鋼棒料預處理過程中的剪切過程，它的成功研制為廢料回收過程可以積累經驗，對非不銹鋼棒料循環利用的研究也具有重大意義，促進了相關方面技術的發展。

2 研究內容

本文針對于我國沒有自主研制的先進棒料處理設備的現狀，開展自動剪切機上不銹鋼棒料提升翻轉裝置研究。研制了一種將棒料提升翻轉至水平工位的提升翻轉裝置。其工作狀態如下：小車進入翻轉軌道時，拉力繩提升動力和芯軸的作用下會使得不銹鋼棒料傾斜，最終與提升機通道平行。當棒料到達行程頂端時，棒料停在水平位置后鎖定，推出棒料，完成整個提升翻轉動作。

該裝置由運送棒料的料倉，小車，導軌，防墜裝置，推送機構以及其他裝置等構成，能實現將棒料平穩地運輸到指定地點的功能。本項目主要研究三個方面，分別是總方案的設計，裝置結構的設計，及突發狀態的應對。

2.1 總方案的設計

與其他普通棒料處理環境不同，本文設計的不銹鋼棒料提升翻轉裝置需要高標準的污染密封屏蔽性和安全可靠性。由于高污染、人員無法入內等特殊的工作環境，提升翻轉裝置工作時需要滿足高精度，安全可靠，啟停反應迅速等要求，當裝置工作出現意外情況時能得到及時有效的控制，同時提升翻轉裝置的運動部件和易損部件需要采用模塊化設計，滿足遠距離拆裝和更換的要求。根據以上要求以及提升翻轉裝置的功能需求提出了以下方案：提升翻轉裝置主要由小車、料倉、軌道、防墜器、推送機構等組成。

主要實現步驟如下：

提升翻轉裝置能實現將棒料豎直裝入小車，小車平穩上升，棒料被平穩放置水平，小車穩定固定再取出棒料，并最終實現將棒料平穩地運送到指定地點的功能。

相關原理如下：鋼索與小車相連，小車和料倉用芯軸連接，料倉首尾端連線與軌道的夾角由料倉托架上特殊的設計部件與軌道接觸來控制。軌道由兩端的圓弧軌道與中間的平直軌道連接構成。軌道兩端的圓弧軌道的作用是連續改變小車與水平面的夾角，達到讓料倉由豎直到傾斜，再由傾斜到水平的角度改變目的。料倉上端開口無遮蓋裝置，當裝置運行時，棒料從料倉上端裝入，運送到指定地點后（料倉已經處于水平狀態），料倉后端端開有小通孔，此時需要一推送裝置經小孔將棒料平緩推出料倉，使棒料進入剪切口，因此需要推送裝置的設計。由于該裝置所處的環境的危險性與污染性（不能使用液壓和傳感器），還需要考慮安全防墜裝置（機械式）的設計，所以在鋼索與小車之間又設計了防墜裝置—防墜器，防止料倉因鋼索突然斷裂而下降產生振動，從而帶來輻射污染。

2.2 裝置結構的確定

棒料提升翻轉裝置的小車、軌道、料倉、防墜器、推送機構等部件結構的設計，根據功能需要，將小車和料倉設計為長條形狀，與棒料結構類似，而軌道根據剪切口高度和棒料存放處的位置，進行布置，以達到裝置穩定運行合理和穩定的目的。

2.3 突發情況的應對

考慮到在棒料提升翻轉規程中，可能會出現鋼索斷裂，輪子脫軌、棒料掉落或者沒有被推送進街切口，需要根據不同情況設計出相關結構，保證棒料運送過程的平穩和可靠。

（1）輪子脫軌，說明需要改進軌道的形狀保證運送過程的可靠；

（2）鋼索斷裂，很有可能會造成棒料振動或者掉下，需要防墜裝置保證其不會掉落；

（3）當棒料被運送到剪切口時，需要將棒料推送進剪切口，推送結構的設計也需要做相關設計。

3 關鍵部件設計

3.1 軌道

本項目設計的提升翻轉裝置是通過上下軌道的形狀配合來實現提升和翻轉同時進行，上軌道為直軌道，下軌道為三段，通過圓弧軌道連接來限制輪子的運動，從而達到改變料倉角度，并實現提升翻轉的功能。并且這種軌抱輪式的設計，使小車和料倉與軌道始終可靠的連接，相比類火車輪與軌道的輪抱軌式更加可靠，改變小車運動的時候也不會出現脫軌。

3.2 防墜器

當電機通過帶動鋼索來提升小車和料倉時，由于料倉內棒料的自重，如果在提升翻轉過中出現鋼索斷開或者小車輪子被卡住等情況，為了防止棒料受到劇烈振動而產生高輻射，需要防墜裝置—防墜器來防止小車和料倉突然下滑。該防墜器采用類似自行車剎車片的結構，當鋼索斷開時，防墜器的剎車部件在力的作用下，剎車部件1發生形變伸出而卡住軌道，保護料倉內的棒料不會突然下降而劇烈震動，從而實現了防墜的功能。

3.3 推送機構

當料倉到達水平剪切工位時，需要將棒料送出料倉，進入剪切口，而該項目設計的推送機構就可以實現這個功能。當推桿從通孔進入時，由于力的作用使夾板放松，推桿進入，當推桿需要退出時，帶動頂針使其伸出，從而頂開夾板，推桿順利退出，很好的將棒料送進剪切口。該裝置由項目組自行研究設計，并申請了實用新型專利（已受理）。endprint

4 校核以及改進

在提升翻轉過程中，料倉和小車的連接軸是變形與受力的主要部件，故有必要對其進行強度校核。通過計算，滿載時，連接軸受到52000N的力。根據連接軸的位置與支撐情況，對連接軸進行靜應力分析。分析軟件為SolidWorks。

假設：連接軸為連續彈性體，材料為合金鋼，連接軸的兩端分別受大小為26000N的支撐反力。在分析時，兩端被夾具固定，連接軸的中間受到52000N的通向均布載荷。

初始加載示意圖如下：

運算完成后，結果如下：

結果分析：整個連接軸最大位移為0.242mm，最大應力為496.6MPa

<620.422MPa，校核符合要求，正常工況下，該軸不會失效。

5 仿真與實物模型驗證

作為新的機械設計，為了驗證設計能否滿足功能要求，有必要對模型進行仿真分析與實物模型分析。前面已經對裝置的關鍵部位進行了強度校核，本小節將結合實物模型，對設計的可行性進行驗證，以更好的對裝置進行改進。

模型的實物模型安裝調試好后效果圖如圖10。

采用通過遙控模塊控制小車的上行下行，發現完全能實現提升翻轉過程，故本文模型設計較為合理，有一定的實踐指導價值。

6 創新點

（1）本項目設計的裝置通過上下軌道的形狀配合可實現提升和翻轉同時進行，并且軌抱輪式的設計，使小車和料倉與軌道始終可靠連接、不脫軌。

（2）本項目設計的裝置主要為機械構件，不依賴液壓系統、傳感器等，能適應高溫高放射的各種惡劣工作環境。

（3）防墜器：自行研究設計（原創）的防墜器，剎車部件受力變形后卡在軌道內，從而起到防墜功能。

（4）推送機構：自行研究設計（原創）的推送機構，能適應倉內推送的工作要求。

7 結語

本項目通過對不銹鋼棒料預處理過程的分析，設計出的提升翻轉裝置，可實現提升、翻轉過程同時進行，能減少運送、翻轉時間，對生產效率有較大提升作用。由于本項目設計的提升翻轉裝置是不銹鋼棒料整個剪切方案中預處理過程的核心裝置，對該裝置的研究能夠積累一定的污染環境下廢鋼回收裝置的研制經驗，并且對于非不銹鋼棒料回收處理系統的研究也具有重大的參考意義，這對工業生產材料的回收利用的研究有一定的促進作用。

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