電子穩定系統在滾輪變位裝置中的應用

范俊超

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 現有翻轉變位設備的應用范圍及特點

近幾年罐箱生產經歷了幾次技術革新，翻轉工序設備從原始的鏈條翻轉機，頭尾架翻轉機，滾輪翻轉機，滾道式翻轉機，到擺臂式滾輪翻轉機都存在一定的缺陷，主要體現在劃傷罐體、工時長、安全系數低、適用范圍不廣等方面。而此次中車齊齊哈爾車輛有限公司的新產品“八面弧”罐體，因為其截面不規則并且焊接工序中兩端無封頭，所以無法使用頭尾架翻轉機、滾道式翻轉機。目前使用的(擺臂式)滾輪翻轉機也存在著劃傷罐體、翻轉效率低等問題[1-2]。

1.1 固定式滾輪變位裝置

最常見的是普通滾輪裝置，主要用于圓筒形或圓錐形工件的翻轉，可與自動焊接設備配套使用，但不適用于異形截面工件的翻轉，有一定的局限性，如圖1所示。對于異形截面罐體，如果采用普通滾輪翻轉機翻轉，會導致罐體在兩滾輪之間掉下，滾輪摩擦力不足，難以提供翻轉扭矩，出現無法繼續翻轉的情況，如圖2、3所示。故異形截面罐體翻轉不可采用普通滾輪翻轉機[3]。

圖1 圓形截面罐體翻轉 圖2 異形截面罐體初始位置

圖3 異形截面罐體45°

1.2 擺臂式滾輪變位裝置

擺臂式滾輪裝置由兩套相同的機構組成。每套機構包含一個底座、兩個支架、兩個轉臂。每個支架上配一套電機減速機，每個轉臂上有兩個滾輪和鏈傳動系統。支架上的電機減速機通過轉臂上的鏈傳動系統帶動滾輪旋轉。每個滾輪都是主動輪。利用滾輪與罐體之間的摩擦力帶動罐體旋轉實現變位。

當罐體最凸出部分旋轉到彎臂時，可能會與之發生碰撞，只有加大彎臂彎度才能使罐體順利翻轉。滾輪在彎臂上的間距和支座距離根據異形截面罐體形狀適當調整。

通過使用三維參數化建模設計軟件，對八面弧截面罐體及擺臂式滾輪變位裝置進行分析發現：異形截面罐體在翻轉過程中，并不是圍繞一個固定中心旋轉，它的旋轉中心是變化的。異形截面罐體在翻轉過程中，除了自轉還有公轉。當罐體旋轉15°時，罐體中心向左偏離10.41 mm，高度位于+60.98 mm；當罐體旋轉30°時，罐體中心向左偏離15.40 mm，高度位于+160.76 mm；當罐體旋轉45°時，罐體中心橫向偏離0，高度位于+197.86 mm；當罐體旋轉60°時，罐體中心向右偏離15.4 mm，高度位于+160.76 mm；當罐體旋轉75°時，罐體中心向右偏離10.41 mm，高度位于+60.98 mm。從這組數據可以看出，采用擺臂式滾輪裝置翻轉異形截面罐體，雖然罐體旋轉中心不是固定的，但是它的軌跡是規律的，近似橢圓，如圖4～圖8所示。

圖4 罐體0°狀態

圖5 罐體30°狀態 圖6 罐體45°狀態

圖7 罐體60°狀態 圖8 罐體90°狀態

本裝置雖然解決了異形截面罐體翻轉過程中卡死、磕碰的問題，但在實際應用中，罐體表面會有局部劃傷。通過軟件分析可以發現，在排除滾輪硬度過大的因素后，主要的原因是產生了相對運動，即打滑。打滑的原因之一是摩擦力減小，導致驅動力不足，滾輪空轉。摩擦力與正壓力和摩擦因數有關，正壓力的減小是由于擺臂擺動過程中，角度發生變化，即罐體重力的分力減小。打滑的另外一個原因是由于滾輪的轉速與罐體表面的線速度不匹配，八面弧罐體在旋轉的過程中，理論上與之接觸的4個滾輪的轉速應該是不完全相同且是不斷變化的，這是由于罐體的八段圓弧曲率不相同，半徑不相同，所以圓弧表面的線速度不相同。但圖中4個滾輪的轉速相同且恒定，在翻轉的任意時刻，滾輪與罐體表面都存在相對滑動，這也是劃傷罐體的主要原因之一。故該裝置也不滿足異形截面罐體翻轉的工藝要求。

2 自適應滾輪變位裝置設計

2.1 結構設計

采用傳統擺臂式滾輪架為依據，形成大曲率弧形彎臂，依托機架布置成面對面的方式，形成環抱罐體的結構模式。采用中心減速機驅動4組轉臂的方式，配合差速裝置使動力匹配更平順，降低設備制造及維護成本；采用柔性可調式弧形彎臂結構，將彎臂分成兩個部分，端部軸孔共同裝配在中間鉸軸處，并在彎臂的側板上開螺栓孔，這樣兩只彎臂就可以繞中間軸轉動，調整到需要的角度，適應不同曲率截面的罐體。

2.2 動力系統設計

模仿汽車的四驅傳動方案，設置中心動力源，通過傳動軸將動力傳遞到軸間差速器，經過齒輪轉向箱傳遞到終端差速器，最后通過鏈傳動將動力合理分配到2個驅動輪上，最終實現八輪全驅的傳輸系統(見圖9)。

圖9 動力系統設計簡圖

由上文可知，罐體翻轉的任意時刻，各滾輪的轉速應該不完全一致且在不斷變化的，以避免相對運動，故此處引入了汽車差速器。差速器的調整是自動的，涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態。轉動過程中兩驅動輪之間形成矛盾的、摩擦的內力矩，迫使行星輪架繞軸線公轉，行星齒輪繞軸線自傳，這樣就形成速度補償，一側半軸轉速加快，另一側半軸轉速減慢，最終實現差速，以達到滾輪與罐體表面速度自動匹配的目的(見圖10)。

圖10 動力系統傳輸原理分析

但是即便使用了差速器，在翻轉罐體的過程中，處于上半部的滾輪依然容易出現打滑現象，由上文可知，這是由于擺臂轉動到接近豎直位置導致滾輪與罐體之間正壓力不足。根據差速器的工作原理，此時動力會一直往空轉輪傳輸(因為阻力少)，加劇打滑。為解決此問題，在差速鎖和電子制動力分配系統之間做了分析對比。

3 引入電子制動力分配系統

理想狀態下，系統可以自動降低有打滑趨勢的滾輪的轉速，同時降低打滑滾輪的動力輸出，以便將更多動力通過差速器傳遞到另一側不打滑的滾輪，提高驅動能力，故引入了電子制動力分配系統。

系統由輪速傳感器、電子控制器和執行器三部分組成。輪速傳感器是用來檢測滾輪轉速的，每只滾輪安裝1個磁感應式輪速傳感器，它是由傳感元件和信號轉子組成，傳感元件為靜止部件，安裝在滾輪軸套上，不隨滾輪轉動。信號轉子由鐵磁材料制成帶齒的圓環，安裝在與滾輪一同轉動的半軸上。工作時電子控制器接收滾輪轉速信號，通過電腦分析對比，當滾輪轉速超過最大理論值設定值時，即判定滾輪處于打滑狀態，控制器向系統的制動力調節器發出控制指令，打滑滾輪的制動系統工作，強制降低其轉速。

4 控制系統設計

控制系統可對變頻器狀態進行顯示，機器的運行速度由變頻器的頻率控制，通過頻率的平滑調整實現電機的無級調速。將本裝置與罐體裝配到一起，運用三維仿真技術對整個系統進行仿真分析，對翻轉罐體上的定點生成速度與位移曲線，通過曲線可以反向匹配電機轉速，使罐體表面任意一點的線速度趨于一個恒定值，這是與焊接專機配合工作的重要理論依據。

圖11 量值分析翻轉罐體的速度與位移

5 結論

自適應滾輪變位裝置用于異形截面罐體翻轉，實用性已在生產中得到驗證，解決了劃傷罐體的工藝難題，滿足產品制造的工藝要求。本項目的研制不僅僅停留在其變位功能上，現有結構加上控制系統就可以精準實現“八面弧罐體”表面單點的定位分析，根據線性運動軌跡配合專機將對應的環縫進行焊接和打磨，提升了自動化程度，使得集裝箱制造裝備的多元化水平得到很大的提升，具備極大的推廣及應用價值。