一種港口設(shè)備操作手柄檔位凸輪的參數(shù)化設(shè)計

趙鑫 廣州港集團有限公司南沙集裝箱碼頭分公司

近期，廣州某港口大型設(shè)備操作手柄開始出現(xiàn)不同程度的損壞，具體故障表現(xiàn)為手柄無正常檔位，檔位切換不順暢，操作時有明顯卡滯感，有時手柄還會卡在一個檔位無法切換檔位或回零，有極大的操作安全隱患，同時作業(yè)效率明顯降低。

1.故障分析

手柄換擋過程為手柄臂圍繞下支點向前或向后移動，帶動大齒輪同方向旋轉(zhuǎn)，大齒輪與小齒輪相互嚙合，檔位凸輪隨小齒輪一起轉(zhuǎn)動，檔位凸輪左右對稱，有1個零位，兩邊各5個檔位，擺臂在彈簧作用下使手柄在零位和檔位之間切換。

經(jīng)檢查，手柄故障原因為檔位凸輪出現(xiàn)磨損，因而導(dǎo)致手柄換檔時出現(xiàn)問題。分析故障可能的原因主要有三個：

1）檔位凸輪的材質(zhì)可能存在一定問題，手柄出現(xiàn)問題的設(shè)備基本為同期到港，使用時間約3年，手柄使用時間9473.4小時（月平均使用時間263.15小時）；

2）檔位凸輪的設(shè)計可能存在一定問題，檔位之間過渡圓弧還可繼續(xù)優(yōu)化，使操作更順暢，減少換檔造成的磨損；

3）設(shè)備操作人員的操作習(xí)慣可能存在一定問題，在正常作業(yè)過程中，手柄5檔時長最多，使得手柄在使用過程中5個檔位之間造成的磨損程度不同，因而出現(xiàn)卡滯或無法回零。

在規(guī)范設(shè)備操作人員的操作習(xí)慣后，決定設(shè)計一款新的手柄檔位凸輪，提升手柄使用壽命。

2.尺寸設(shè)計

2.1 檔位凸輪工作特點

1）檔位凸輪只有兩種作業(yè)狀態(tài)，零位狀態(tài)和檔位狀態(tài)，凸輪左檔位弧線與右檔位弧線對稱。

2）檔位凸輪的零位要求不能使手柄輕易向前、向后，因此凸輪零位的弧線滿足對稱性、連續(xù)可導(dǎo)，又滾子在零位無左右晃動間隙，綜上所述，零位弧線為與滾子直徑相等的圓形凹槽。

3）在日常作業(yè)過程中，手柄在最大檔位時可快速回零，因此，針對單個檔位弧線，靠近零位側(cè)的部分弧線斜率變化比另一部分弧線斜率變化慢。

2.2 參數(shù)

2.2.1 手柄零位數(shù)據(jù)測量

擺桿長度l=24mm

中心距長度L=32mm

滾子半徑Rr=4mm

凸輪圓半徑為R=20mm

2.2.2 推程運動角

齒輪模數(shù)

取m=1，根據(jù)實物，即齒輪參數(shù)為

齒數(shù)Z1=63

分度圓直徑d1=m＊Z1=63mm

齒數(shù)Z2=20

分度圓直徑d2=m＊Z2=20mm

為使各個檔位之間清晰明確，確定手柄擺動角度為。在大齒輪向前或向后擺動45°時，小齒輪轉(zhuǎn)動角度為

即檔位凸輪在手柄位于5檔時轉(zhuǎn)動角度為141.75°，如圖所示。

為保證手柄有清晰的檔位，即零位弧線和檔位弧線均應(yīng)存在和滾子相匹配的圓弧，且零位和檔位之間存在一定距離也可防止誤觸碰。手柄在轉(zhuǎn)至5檔時，滾子共計運行0.5個零位弧線、4.5個檔位弧線、零位與檔位之間的弧線。而一般為方便操作順暢，檔位弧線與零位弧線對應(yīng)角度相同，設(shè)檔位弧線角度為θ3，檔位與零位之間的角度為θ4，即有

2.3 零位弧線

如圖3。

2.3.1 弧線做法

在手柄入檔時，為保證操作安全，需要存在一定卡滯，但應(yīng)滿足操作順滑流暢。沿圓心O作兩條直線和圓交于A、B兩點，滿足∠AOB=23°，作∠AOB角平分線，在角平分線上找一點C，使得C A⊥OA，以C為圓心，以為Rr半徑作圓，即弧AB為零位弧線。

2.3.2 數(shù)學(xué)表達式

以O(shè)為坐標(biāo)原點畫直角坐標(biāo)系，即C點坐標(biāo)為(0，-20.41)，因此弧線方程為

2.4 檔位弧線

2.4.1 弧線做法

檔位弧線與零位弧線相似，但相對于零位弧線行程較低，即h零＞h檔，暫時確定h檔=2.5mm。

以O(shè)為圓心作半徑為17.5mm的圓，由于零位弧線與檔位弧線之間夾角為26°，檔位弧線23°，因此作直線OA、OB、OC，如圖所示。手柄由低檔位換至高檔位時，需要有一定的阻滯，而由低檔位換至高檔位即手柄回零時，則需要快速能回零。因此以4mm半徑作圓P，使得此圓與半徑17.5mm的圓相切，同時也與直線OC相切。從B點向圓心O作直線，與圓P相切與點D，因此直線BD和弧DC連成的線即為1檔檔位弧線。

2.4.2 數(shù)學(xué)表達式

假設(shè)圓P圓心坐標(biāo)為（x，y），則有

解方程式選擇P坐標(biāo)為（16.42，-13.88），即P圓坐標(biāo)方程為

圓方程和直線OB方程

解方程選擇B點坐標(biāo)為（12.18，-15.87），直線BD為圓P的切線，因此直線BD方程式為

即直線BD方程式為

因此1檔檔位弧線方程式為

將此弧線沿圓心O旋轉(zhuǎn)23°，旋轉(zhuǎn)4次，然后將5段弧線沿零位弧線中線對稱，如圖所示，即為手柄檔位弧線。

2.4.3 驗證

零位弧線和檔位弧線曲率半徑

ρ=4mm

由于h零＞h檔，因此只需校驗零位弧線壓力角。

以O(shè)為原點作直角坐標(biāo)系，以O(shè)為圓心作半徑為32mm的圓，以半徑為24mm作零位弧線同心圓，則兩圓交點為擺桿鉸點，解方程

圖2 手柄參數(shù)

圖3 零位弧線

圖4 檔位弧線

圖5 手柄凸輪

表1

得鉸點坐標(biāo)為（23.99，-21.18），圓角半徑為0.5mm，因此有

得圓角圓心為（4.28，-19.02）。

手柄在零位時，根據(jù)壓力角定義，此時壓力角為擺桿垂線和圓角圓心與滾子圓心連線之間所夾的銳角，設(shè)當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動角度θ時設(shè)圓角圓心為(x1，y1)，即有

此時滾子圓心坐標(biāo)為(x2，y2)，即有

因此圓角圓心與滾子圓心組成的直線為

采用賦值法，見表1。

圖6 凸輪轉(zhuǎn)角θ與凸輪壓力角α關(guān)系

根據(jù)表1，凸輪轉(zhuǎn)角與凸輪壓力角為負相關(guān)，隨凸輪轉(zhuǎn)角增大凸輪壓力角減小。一次凸輪最大壓力角手柄在零位時，即

滿足要求。

3.結(jié)論

（1）根據(jù)凸輪使用特點，確定檔位弧線與零位弧線基本輪廓。

（2）以滾子直徑為基礎(chǔ)確定凸輪行程，減少凸輪不必要磨損，增加凸輪使用壽命。