徑向擠壓制管設備有軌導引小車及其傳動系統設計

賈思棋，杜冬梅，何 青

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

近年來，由于我國大力發展基礎設施，城鎮化建設的不斷推進，對小口徑排水管需求越來越大。隨著我國對產業化調整的步伐加快，促進勞動密集型向技術密集型以及國家由高能耗、高污染能源向清潔、環保能源的轉變，亟需一種高產出、低能耗的制管工藝和設備來代替傳統工藝。徑向擠壓制管工藝因具有生產效率高、勞動強度低、自動化程度高、生產成本低、環境污染小、無需蒸汽養護、成型后管子內外表面光滑、工作噪聲低等優點，在許多國家得到應用[1]。立式徑向擠壓制管工藝作為生產制造鋼筋混凝土排水管的先進生產工藝之一，受到許多生產廠家的關注。

文獻[2]對立體倉庫中有軌導引小車的出入庫效率進行了仿真，而對小車出入庫運行的安全性未做考慮。文獻[3]對有軌導引小車(Rail Guided Vehicle, 簡稱RGV)進行了運動學仿真，改善了RGV運行過程中自動轉彎的問題，減少避免了軸變形不協調的問題。文獻[4]采用單片機和步進電機對有軌導引小車進行控制，實現了對RGV的精確定位。瑞典VOLVO公司在汽車裝配線上大量采用有軌導引小車進行自動化裝配作業，截至2015年在瑞典超過10 000臺RGV在運行[5]。在我國，北京起重運輸機械研究所于1976年研制出第一臺RGV[6]。中科院沈陽自動化所在國家“動63”計劃支持下，完成了多項移動機器人應用基礎研究和應用技術開發項目，并開發出應用于實踐較為成熟的RGV及其系統技術[7]。2015年，漢諾威展展出的北自所研發的料箱式搬運機器人預示著RGV邁向了一個新的里程碑[8]。

目前有軌導引小車的技術已經逐漸趨向成熟，國內外針對RGV小車的軌道、控制系統等專一問題研究較為深入，但較少針對RGV小車的結構和傳動系統進行綜合性設計研究。本文以某公司的立式徑向擠壓水泥制管設備為基礎，著重對有軌導引小車的結構設計以及傳動系統進行了具體研究。

1 有軌導引小車傳動原理

1.1 有軌導引小車的分類

有軌導引小車的分類如表1所示。在車間生產實際中，多數輸送小車采用自行式，即由電機、減速器和電源，但自行式輸送車成本高，維護費用高，而且生產運行中需要經常充電，大大降低生產效率。

表1 有軌導引小車的分類

有軌導引小車，不需要外加電機，兩種有軌導引小車優缺點如表2所示。

表2 有軌導引小車特點

1.2 摩擦輪傳動原理

摩擦輪傳動是一種新型傳動,可實現大中心距高速強力回轉，可以利用直接接觸并相互壓緊的兩個摩擦輪之間摩擦力，將主動輪的運動與轉矩傳給從動輪。

根據有軌導引小車行駛動力傳動路線計算摩擦輪法向壓力。首先考慮在滿載條件下，使小車行駛，再根據空載條件下能夠行駛進行校核。有軌導引小車在滿載條件下受力分析圖如圖1所示。

圖1 平板車受力分析

由圖1，在滿載條件下對有軌導引小車受力分析可知，在豎直方向上有：

G=F+FN

(1)

式中G——有軌導引小車在滿載條件下的重力，N；F——自動加壓裝置對有軌導引小車底部的壓力，N；FN——鋼軌對有軌導引小車車輪的支撐力，N。

在水平方向上有

Ft=Ff=μ1FN

(2)

式中Ft——有軌導引小車的牽引力，即摩擦輪對平板車的摩擦力，N；Ff——鋼軌對軌道鋼輪的滾動摩擦力，N；μ1——鋼軌與軌道鋼輪之間的滾動摩擦系數，表面淬火的車輪與鋼軌之間圓錐形車輪之間的滾動摩擦系數為0.08～0.10，圓柱形車輪之間的滾動摩擦系數為0.05～0.07[8]。

摩擦輪與有軌導引小車之間關系為

Ft=μ2F

(3)

式中μ2——聚氨酯膠體/鋼摩擦副之間的摩擦系數。

2 有軌導引小車結構及其傳動系統設計

2.1 有軌導引小車的結構設計

2.1.1有軌導引小車車輪

六輪支撐滿足車架的強度要求，運轉行駛過程中更加穩定安全，保證從徑向擠壓模具脫出的濕水泥管能夠保持外形，為水泥管的成品率提供保障。

在額定載荷下，對小車軌道車輪受力分析得單個車輪載荷為

m1=me/6

(4)

式中m1——有軌導引小車單個車輪載荷，t；me——有軌導引小車額定載荷，t。

2.1.2有軌導引小車鋼軌

不同尺寸的軌道車輪必須選擇與之匹配的鋼軌[9]，選擇合適的軌道是保證有軌導引小車行駛過程中保持平穩，降低因高載荷輕型時的故障率。

鋼軌軌道如圖2所示。

圖2 鋼軌軌道尺寸圖

2.2 有軌導引小車傳動系統的設計

2.2.1電動機的選取

有軌導引小車的運輸速度采用低速行駛，由摩擦輪直接傳動。

考慮有軌導引小車在最大載荷下所需要的功率：

PW=FtV

(5)

式中PW——最大載荷下所需要的功率，W。V——輸送小車行駛速度，m/s。

軌道鋼輪上滾動軸承效率η1=0.97；摩擦副傳遞效率η2=0.85～0.92；電機輸出軸與主動摩擦輪之間效率(采用平鍵直接連接)η3=1。

傳動裝置的總效率為

ηa=η1η2η3

(6)

在滿足條件下工作所需要的電動機輸出功率Ped為

(7)

轉矩由摩擦輪直接傳遞給有軌導引小車，摩擦輪通過鍵與電機輸出軸直接連接，由此關系得電機轉速為

(8)

式中v2——主動摩擦輪線速度，m/s；D1——摩擦輪外徑，mm。

2.2.2加壓裝置的確定

為了能夠使摩擦輪驅動有軌導引小車行駛，則兩者之間必須外加壓力，使摩擦輪與有軌導引小車產生滾動摩擦力驅動小車行駛。加壓裝置有恒壓及自動加壓兩大類。

圖3為雙彈簧自動加壓裝置[10]受力分析(單側)。

圖3 雙彈簧自動加壓裝置受力分析(單側)

根據圖中的電動機和鉸接底座在豎直方向受力分析得：

Fn1+G1=2(Fk1+Fn2)

(9)

式中Fn1——有軌導引小車對電機的支撐反力，N；G1——電機的自重，N；Fn2——鉸接座的支撐力，N；Fk1——加壓彈簧對底座的彈力，N。

因底座采用對稱結構設計，則鉸接座和彈簧受力有關系：

Fn2=Fk1

(10)

自動加壓裝置選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧為加壓彈簧。對彈簧受力分析有關系：

Fk2=cΔl

(11)

式中Fk2——彈簧彈力，N；c——彈簧的剛度，N/mm；Δl——彈簧的壓縮量，mm。

要滿足彈簧提供足夠的彈力必須有：

Fk2≤Fk1

(12)

自動加壓裝置選用普通圓柱螺旋壓縮彈簧為加壓彈簧。

自動加壓裝置工作時施加最大壓力為

Fmax=4cΔl

(13)

式中Fmax——自動加壓裝置工作時施加的最大壓力，N。

3 有軌導引小車的設計模型

有軌導引小車尺寸參數如表3所示，結構組成如表4所示。

表3 有軌導引小車尺寸參數 mm

表4 有軌導引小車結構組成

選擇有軌導引小車的額定載荷me為30 t，則將me=30 t代入式(4)可得m1=5 t。本設計軌道鋼輪選用單輪緣車輪DL-170×90，優點是耐磨，抗壓，載重性強。

DL-17×90軌道輪具體參數如表5所示。

表5 DL-170×90軌道輪參數表

本設計選取軌道型號為9 kg/m，尺寸規格如表6所示。

表6 9 kg/m輕軌尺寸參數 mm

有軌導引小車具體模型如圖4所示。

圖4 有軌導引小車的主、俯視圖

在滿載條件下對有軌導引小車受力分析可知，有軌導引小車的技術參數如表7所示。

表7 有軌導引小車摩擦輪的技術參數

將G、μ1、μ2代入式(1)～式(3)，可得

F=26 727 N，Ft=13 364 N，Ff=13 364 N

摩擦輪的額定載重必須大于最大載重量，即Fe≥F=26 727 N，可得me≥可得727 N。

本設計取主動摩擦輪額定載重為5 t。選取40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪[11]，相關參數如表8所示。

表8 40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪

將Ft=13 364 N，v=0.3 m/s代入式(5)中得Pw=4 kW。將η1=0.97，η2=0.85，η3=1代入式(6)得η=0.824 5。將Ped=5.5 kW，D2=302 mm代入式(7)和(8)中得n=20.4 r/min。

由ne≥n=20.4 r/min因此選取YCJ250/Y132S-4斜齒輪減速電機[12]，額定功率為5.5 kW，額定轉速為23 r/min。

初步取Δl=12 mm，將Fn2=Fk1=7 237.9 N代入式(9)、(10)和(11)中得c=603 N/mm。故選取壓縮彈簧型號YB 14×60×82-GB/T 2089。

將c=603 N，Δl=12 mm代入式(13)得Fmax=33 744 N<39 200 N，因此滿足設計要求。

4 結語

通過對有軌導引小車的動力學和機構設計的具體研究，設計了既滿足生產要求成本又較低的有軌導引小車。

(1)確定了有軌導引小車的技術參數及結構，確定了小車的最大載荷為30 t，選取單輪緣車輪DL-170×90作為小車車輪，保證從徑向擠壓模具脫出的濕水泥管能夠保持外形，為水泥管的成品率提供保障。根據車輪的踏面形狀和尺寸，選取了軌道型號為9 kg/m的方鋼作為鋼軌，保證輸送平板小車在行駛過程中保持平穩，降低因高載荷輕型時的故障率。

(2)有軌導引小車采用聚氨酯橡膠作為摩擦副材料，這種材料較天然橡膠具有更高的硬度、強度、彈性和耐磨性，不僅成本低并且日常維護方便、快捷。根據小車行駛動力傳動路線計算摩擦輪法向壓力選取40 cm(12寸)45號鋼包聚氨酯橡膠摩擦輪。由于小車采用低速行駛，故采用了低成本短周期的某公司的YCJ系列斜齒輪減速電機。本文采用了對稱鉸接利用杠桿原理的自動加壓裝置，保證摩擦輪與有軌導引小車產生滾動摩擦力驅動小車行駛。本文利用三維軟件對有軌導引小車進行了模擬設計，確保了該小車的可行性。

(3)有軌導引小車通過軌道導向，在自動加壓裝置作用下使主動摩擦輪與有軌導引小車之間產生預緊力，由電機帶動驅動輪從而驅動轉運車，通過控制多臺電機之間的距離實現長距離行駛。有軌導引小車的設計降低了人力勞動強度，提高了轉運效率。