車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)械系統(tǒng)的分析 *

羅文翠，王玉虎，史志成，劉滿東，易湘斌

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

迄今為止，道路養(yǎng)護(hù)是一種復(fù)雜的系統(tǒng)工程，維修過程中需要進(jìn)行交通管制，在作業(yè)區(qū)要放置交通路障引導(dǎo)車輛行駛，尤其是在高速公路或潮汐車道上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)時(shí)，由于過往車輛行駛速度快且流量大，因此安全且快速配置路錐更為重要[1]。目前交通路錐的擺放、回收一般是由人工完成，隨著維護(hù)公路里程數(shù)地增加，公路維修養(yǎng)護(hù)工作日益繁重，人工作業(yè)不僅速度慢、效率低，且存在路錐擺放不規(guī)則、施工人員安全得不到保證等一系列的問題。另外，考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)行空間的同時(shí)，不僅降低制造成本，還要保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性[2]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)公路錐自動(dòng)放置與回收設(shè)備的研究最深入的是南京工業(yè)大學(xué)與中國(guó)兵器裝備集團(tuán)合作共同研制的NL-100交通錐收放車，在交通錐擺放過程中，實(shí)現(xiàn)了路錐自動(dòng)放置和回收的功能，但車輛的收放機(jī)構(gòu)大多是傳統(tǒng)的機(jī)械裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大且造價(jià)較高[3]。國(guó)外路障自動(dòng)存儲(chǔ)自動(dòng)收放技術(shù)研究更早，技術(shù)也相對(duì)成熟，但引進(jìn)成本高昂。

考慮到在進(jìn)行路錐自動(dòng)收放的過程中，收放機(jī)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)對(duì)路錐放置效果的影響，筆者對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，根據(jù)分析得出的可靠性參數(shù)進(jìn)行收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有舉足輕重的意義。

1 車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)

圖1為車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)示意圖。其主要過程為路錐收放系統(tǒng)工作時(shí)絲杠電機(jī)正轉(zhuǎn)(以左側(cè)出錐為例)，絲杠螺母帶動(dòng)豎直模組從庫(kù)中移出，為路錐出庫(kù)做好準(zhǔn)備，當(dāng)?shù)谝慌怕峰F從庫(kù)中抓出后，豎直模組由絲杠螺母帶動(dòng)下回到工作位置，實(shí)際操作中豎直模組將會(huì)以一定的速度水平往返運(yùn)動(dòng)。在滿足工作動(dòng)作要求的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了第二套滑軌滑塊，并且為了使手爪抓取路錐具有一定地準(zhǔn)確性，在結(jié)構(gòu)中采用了齒輪齒條作為傳動(dòng)部件。另外為了滿足并行安裝兩個(gè)軌道的需求，在不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用鋁型材作為兩導(dǎo)軌的連接支架，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中鋁型材支架連接兩個(gè)導(dǎo)軌、齒輪齒條和絲杠螺母，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)示意圖

豎直模組中電機(jī)支架與導(dǎo)軌的滑塊相連接，這種連接形式保證了電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)又將一部分力轉(zhuǎn)換為導(dǎo)軌正向壓力，減輕了電機(jī)支架的載荷，提升了連接背板的使用壽命。

機(jī)械手爪在抓取路錐過程中移動(dòng)距離較大，同時(shí)也受到錐庫(kù)高度、豎直模組限制高度的要求，采用鏈輪和鏈條垂直模塊驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，當(dāng)鏈輪軸的軸心向上提升位移h時(shí)，機(jī)械手就會(huì)向上提升2h距離，這種傳輸形式保證了機(jī)械手爪在庫(kù)中有限空間內(nèi)的工作范圍，滿足了較好的工作要求。由于鏈傳動(dòng)特性和安裝空間限制，在實(shí)際傳動(dòng)過程中豎直模組會(huì)出現(xiàn)左右抖動(dòng)，為了避免這種情況發(fā)生，采用圓柱形導(dǎo)軌對(duì)豎直模組的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束。

2 車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)的分析

2.1 滑塊連接板受力狀態(tài)分析

為評(píng)價(jià)滑塊連接板在主體機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性，通過Ansys Workbench軟件對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)中的滑塊連接板進(jìn)行模態(tài)分析。選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q255材料的密度為7 850 kg/m3，楊氏模量為2.0×1011Pa，剪切模量為7.692 3×1010Pa，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5℃-1，抗壓屈服強(qiáng)度為2.5×108Pa，拉伸極限強(qiáng)度為4.6×108Pa，劃分的單元尺寸大小為5.0×10-3m，最小邊界長(zhǎng)度為1.25×10-4m，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1 902 805個(gè)，單元數(shù)目為1 017 816個(gè)。

對(duì)滑塊連接板加載為最大工況載荷200 N時(shí)，由圖2滑塊連接板受力后的變形狀態(tài)分布圖看出連接板最小變形量為0 m，最大變形量為2.593 4×10-5m，知其連接符合承載要求，可以完成正常的工作。

圖2 滑塊連接板受力后變形狀態(tài)分布圖

2.2 放置與回收機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

放置與回收機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析如圖3所示。其主體機(jī)構(gòu)的前6階頻率見表2所列。

圖3 放置與回收機(jī)構(gòu)的前6階振型圖

表2 車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)的前6階頻率

在兩個(gè)模組都被約束的情況下，對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了振型分析，以得知關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)發(fā)生位移的變化情況。通過表2、圖3的前6階頻率數(shù)據(jù)以及放置與回收機(jī)構(gòu)的前6階振型圖可知，懸臂節(jié)點(diǎn)位置在第3階模態(tài)時(shí)發(fā)生變形量較大的值為4.88 mm，一般針對(duì)此類機(jī)械結(jié)構(gòu)，計(jì)算第1階模態(tài)數(shù)值進(jìn)行變形量分析就可以得知振動(dòng)的影響[4]，由表1可知第1階模態(tài)時(shí)發(fā)生變形量為0.667 mm，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移幾乎無振動(dòng)干擾。

表1 車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)變形量

通過車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)振型分析，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)發(fā)生的位移變化情況幾乎無振動(dòng)干擾；根據(jù)以上理論分析結(jié)果進(jìn)行了收放系統(tǒng)參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了產(chǎn)品化生產(chǎn)；按照單個(gè)路錐質(zhì)量為4 kg，對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)路錐收放功能。

3 結(jié) 語

為了提高路錐收放效率，文中通過查閱國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有資料，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一種車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)初期，按照實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置了具體參數(shù)，運(yùn)用Ansys Workbench軟件對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵承載件滑塊連接板進(jìn)行模態(tài)分析，理論分析結(jié)果及該零件在實(shí)際工作狀態(tài)均符合要求。另外還對(duì)車載路錐自動(dòng)放置與回收主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了前6階模態(tài)振型分析，得知該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在理論、實(shí)際使用中產(chǎn)生的振動(dòng)，不會(huì)存在較大變形而造成機(jī)械故障。