摩擦輪在加氣混凝土生產線的應用研究

岳周豐

（廣州發展環保建材有限公司）

0 概述

加氣混凝土砌塊和板材是以硅質材料（粉煤灰或砂）和鈣質材料（水泥、石灰）為主要原料，摻入適量調節劑（石膏）和少量產氣材料（鋁漿），通過原料加工、攪拌、澆注、靜停、切割、蒸壓養護而成的新型“綠色”墻體材料，重量輕，保溫隔熱性能好，可以大幅降低建筑能耗，是實現雙碳目標不可或缺的墻體材料。

加氣混凝土生產線的關鍵專用設備——擺渡車的故障不僅影響生產線的正常運行，還可能造成預養室半成品的報廢，擺渡車的可靠性決定了整線可靠性高低。

擺渡車需要實現重載模具車的上下擺渡車、模具車的駐車以及橫向運輸。其中擺渡車的橫向運動由行走系統實現，機械設計、制造、控制技術成熟，可靠性較高。模具車的上下擺渡車、模具車的駐車功能由模具驅動裝置實現。

擺渡車的模具車驅動方式先后經歷了人力、鏈條、頂推小車、摩擦輪幾個階段。近幾年利用摩擦驅動模具車逐步趨于主流。摩擦輪在應用中還存在減速機斷軸、摩擦輪使用壽命短等缺陷，影響系統可靠性進一步提高。因擺渡車摩擦輪比其他工位的使用要求更高，有必要對其應用進行研究分析。

1 摩擦輪工況介紹

隨著高產板材比例上升，新建加氣混凝土生產線靜停養護室多采用“非”字形工藝布置。因其他布局形式對擺渡車功能要求類似，僅以“非”字形布置進行討論。“非”字形布置時，擺渡車布置在中間，靜停養護工位布置在擺渡車的兩側。模具車完成澆注后，載有漿液的模具車由澆注擺渡車的摩擦輪輸送到擺渡車上后制動、減速、駐車。隨后擺渡車行走系統工作，將其運輸到制定工位，最后摩擦輪將放置在擺渡車軌道上的模具車推入指定的靜停養護工位。

圖1 靜停養護室工藝布置圖

2 結構及工作原理

擺渡車主要由行走機構、軌道、摩擦輪系統等構成。行走機構實現擺渡車橫向移動功能，使頂部軌道與兩側的軌道對正，以便停放在軌道上的模具車正常進出靜停養護工位。模具車通過其底部行走輪與軌道接觸，軌道承載模具車重力。

摩擦輪系統是一種利用摩擦力進行模具車驅動的裝置，由電機、減速機、摩擦輪、升降機機構、機架等構成。電動機驅動非金屬材質的摩擦輪，從而對模具車產生驅動力，驅動模具車運動。摩擦輪由內層芯輪及外層膠輪組成，芯輪通過平鍵與電動機減速機直聯。升降機機構在摩擦膠輪磨損而外徑變小、行走輪磨損、安裝誤差等情況下，自動補償高度并保證摩擦輪與模具車間的正壓力。

模具車完成澆注后，由地面驅動裝置驅動其進入到設定位置時，擺渡車上的傳感器檢測到信號，啟動摩擦輪電機，摩擦輪轉動。模具車底部的摩擦帶接觸到摩擦輪后，摩擦輪與摩擦帶在氣缸（或氣囊）頂升作用產生的摩擦力驅動模具車運動。模具車達到設定位置后，摩擦輪減速、停止轉動，模具車停止。因減速機減速比較大（通常＞50:1）具有一定的自鎖能力，可防止模具車在橫向運動中移位，實現模具車的駐車。隨后擺渡車行走機構啟動，擺渡車移動到制定位置后，摩擦輪再次啟動，推動模具車進入預設工位。這種方式可以通過電機的轉速調節和啟停實現對模具車的調速、啟停、駐車，通過調整頂升機構（氣缸或氣囊）的壓力調節推力大小，具有機械結構簡單、定位準確、駐車控制方便、維護方便、易于實現自動控制等特點。

圖2 氣缸式摩擦輪

3 受力分析

模具車放置于擺渡車軌道上，摩擦輪系統電機啟動后，摩擦輪與模具車底部摩擦帶的相對運動趨勢產生的摩擦力驅動模具車克服鋼軌對模具車輪的阻力而運動。

模具車啟動時水平方向力需要滿足條件：摩擦帶與摩擦輪間摩擦力>模具車運動軌道阻力。

模具車運動軌道阻力：F=μ1（Mg－N）

μ1——模具車車輪與鋼軌滾動摩擦系數(約0.05)；

M——模具車質量；

g——重力加速度；

N——摩擦輪對摩擦帶的壓力。

摩擦帶與摩擦輪間摩擦力：F2=μ2N

μ2——摩擦輪與摩擦帶的滑動摩擦系數。

模具車啟動條件需要滿足：F2＞F

即：μ2N＞μ1（Mg－N），可化簡：N＞μ1Mg/（μ2+μ1）。

摩擦輪對摩擦帶的壓力：N=KPSsinθsinα

K——結構設計系數（K=L2/L1）；

P——氣缸或氣囊壓力；

S——氣缸（氣囊）有效面積；

α——機架轉軸與氣缸兩端鉸鏈轉軸之間夾角。

為充分利用氣缸（或氣囊）推力，摩擦輪驅動時，支架和氣缸連接點與支架轉軸的連線和氣缸軸線垂直，sinθ=1。摩擦輪磨損時夾角會有微小變化，sinθ略小于1，即sinθ≈1。

啟動條件轉化為：Kμ2PSsinα＞μ1（Mg－N）。

因NL1=PSL2，P＞μ1Mg/(KS(μ1+μ2))；因μ2>>μ1，可簡化為：P＞μ1Mg/(KSμ2sinα)。

以摩擦支架旋轉軸為轉軸，運動時力矩平衡需要滿足：

NL1±FL3=L2PS，模具車需要正反兩個方向的運動；當模具車向右運動時取+，向左時取-，即：P=(NL1±FL3)/L2S。

當氣缸壓力P小于(NL1±FL3)/L2S，摩擦輪將不能驅動模具車打滑。擺渡車實際工作中需要由摩擦輪驅動模具正反兩個方向運動，氣缸設動壓力需要滿足：

P＞μ1MgL3/（L2S（1－sinα））(Mg>>N，Mg－N≈Mg）

通過上面的分析，摩擦輪升降氣缸（或氣囊）工作壓力需要同時滿足上述兩個條件：

P＞μ1Mg/(KSμ2sinα)

P＞μ1MgL3/（L2S（1－sinα））

因實際使用過程中還存在以下因素：

摩擦輪磨損、安裝偏差、模具車批量加工的差異都會造成θ偏離π/2，sinθ＜1，摩擦帶變形時，摩擦輪轉動時摩擦力方向改變，偏離水平方向，水平分量減小。表面因長期使用打滑造成摩擦帶表面粗糙度下降，摩擦系數下降；模具車輪沿磨損、軌距變化等其他阻力增加；摩擦輪塑料磨損不均勻，接觸面變化、油污等。

上述原因均會引起摩擦力不足以驅動模具車運動而發生打滑，造成驅動失敗。

4 設計

4.1 氣缸（氣囊）工作壓力選擇

因設備制造、安裝、維護等環節均難以達到設計的理想條件，摩擦輪系統在使用過程中需要的驅動力常常大于設計值，安全余量選擇過小時，容易因驅動失敗造成打滑，損壞設備。設計選擇氣缸（氣囊）時需要適當增加氣缸直徑和壓力調節裝置。當氣缸（氣囊）工作壓力為氣源最低壓力50%時滿足啟動要求為宜。

4.2 氣缸（氣囊）工作行程及結構系數選擇

摩擦輪工作時需要壓緊摩擦帶，空載時摩擦帶頂點的高度，需要略大于模具車摩擦帶的高度（Δh）。因模具車加工誤差、軌道變型、摩擦帶變形凹陷、摩擦輪磨損直徑變小等原因，需要將摩擦輪空載時的高度調整到比摩擦帶更高的位置，即Δh更大一些。Δh越大，克服上述偏差的能力越強，在其他條件相同的條件下，打滑的概率更低，摩擦輪使用壽命更長，系統可靠性更高。

Δh增加，在摩擦輪工作時，由圖4可知摩擦輪與摩擦帶接觸點在垂直方向的變化通過杠桿作用放大，升降機構輸出端行程變化量為Δh·K。摩擦帶端部斜面接觸時，因模具車的速度較快，將快速壓縮氣缸（氣囊），其進氣口不能及時排除多余的壓縮空氣，缸（囊）內壓力大幅上升，嚴重時減速機輸出軸斷裂。當摩擦輪結構設計系數K選擇較大時，減速機驅動摩擦輪旋轉的輸出軸的受力會大幅上升，斷軸概率上升，嚴重影響系統的可靠性。設計時可選擇總行程更大的氣缸，壓縮時氣缸活塞受壓端空間較大，可防止壓縮比過大，降低壓力脈沖峰值。另外，在氣缸頂升的壓縮空氣回路設置壓力釋放閥，限制缸內最高氣壓，也可有效減小減速機輸出軸因過載損壞的概率。

圖4 摩擦輪系統受力示意圖

設計時選擇較小的K值，更大直徑的摩擦輪，設備制造時提高摩擦輪機架和模具車的精度，安裝時提高軌道的水平度等都有利于調整時減小Δh。

4.3 氣缸和氣囊的選擇

當氣缸內壓力一定時，氣缸輸出力不隨氣缸行程變化；當活塞被輸出端外力壓縮時，因缸體為剛性材料，不能緩沖，脈沖壓力峰值較大。采用氣缸作為升降動力時，需要控制在極端使用條件下，模具車進入摩擦輪驅動時的壓縮比小于減速的輸出軸過載系數。

摩擦輪用氣囊是一種在柔性橡膠膠囊中充入壓縮空氣，通過壓縮空氣的通斷實現氣囊輸出端的位移的裝置。具有安裝空間要求低，安裝、調節方便，結構簡單的優點。某公司氣囊氣動執行應用技術參數見表1。

從表1可知氣囊輸出推力會隨行程增加而快速下降。因氣囊在壓縮空氣作用下擴張伸長需要克服橡膠材料的張力，當氣壓下降時輸出推力也會急劇壓降，下降幅度遠大于氣源壓力的下降幅度，嚴重時甚至不能達到設計行程。當受外力輸出端被外力壓縮時，由于橡膠材料的彈性和擴張，可較大幅度減低壓力脈沖峰值，從而保護輸出軸。

表1 某品牌氣囊氣動執行應用技術參數

采用氣囊作為摩擦輪升降動力時，設計時需要盡量減小K值，以減小氣囊工作行程。例如圖3的K值接近于1。

圖3 氣囊式摩擦輪

4.4 轉軸及機架設計

因摩擦輪系統安裝空間受限，摩擦輪的中心線偏離向機架轉軸的一側，驅動模具車時，轉軸與機架單側受力，磨損快。長期使用軸孔失圓，造成摩擦輪的外層膠輪單側受力，壓強超過設計值，使用壽命大幅縮短。在筆者對一廠家輸送線的摩擦輪失效原因進行分析時，發現摩擦輪機架的轉軸軸孔在使用3年后失圓達到3.35mm。增加軸孔受力長度，可有效延長機架使用壽命。

因摩擦輪安裝在軌道內側，安裝空間受限，維修困難，特別是擺渡車工作負荷大、使用頻率高，頻繁啟停和制動，故障率更高，如不能及時消缺將嚴重影響生產線正常生產，因此設計時需要考慮快速維修。如圖三的設計，故障難以現場處理時，可以快速整體更換摩擦輪系統。在其他輸送線應用的摩擦輪，基礎容易被漿料掩埋，維修時難以清理，增加維修作業時間，在地坑上部布置預埋件固定設備，也是一種有效的解決方案。

4.5 其他環節注意事項

摩擦輪的工況與模具車的摩擦帶密切相關。因加氣生產線模具車數量較大，部分板材生產線配置數量超過50個。模具車數量較大，在設計和制造過程中需要充分考慮加工精度和互換性。若加工定位誤差不能保證，使用過程中實際受力情況將偏離設計工況，可靠性下降。可在模具車的輪距控制中采用行走輪軸連接形式，利用車床加工的精度，保證其定位精度；適當增加摩擦帶的強度和寬度，也可防止因轉軸孔磨損造成摩擦輪單側受力損壞。

在安裝過程中需要嚴格控制軌道的直線度、平行度、軌距、標高。摩擦輪膠輪的中心線需要與軌道中心、線重合。安裝單位需要有科學、可行的檢測和調整方案，保證安裝精度。

使用單位需要制定合理、可行的檢測、維修方案，及時發現以下問題：

模具車：行走輪輪沿磨損、軸承損壞、摩擦帶變形。

軌道：沉降、磨損、變形、軌距等超過設計標準。

摩擦輪：轉軸磨損、膠輪磨損、鍵磨損等；氣源壓力設置不當；膠輪選材不當、膠輪加工工藝不良等。

日常使用中需要運行、檢修人員及時發現易損件磨損、打滑等問題并及時處理，防止因處理不及時而造成相關設備受損，擴大受損設備范圍，增加損失。

5 結論

設備制造廠家設計時要充分考慮應用場景及用戶維護水平，充分考慮設備的易于維護要求，合理選擇設計、制造技術方案；向用戶提供詳細的運行操作、維護技術資料。用戶在使用、維修中，嚴格按照廠家技術要求，及時發現和消除打滑等缺陷；找到根本原因，從源頭消除，防止“小病拖成大病”，擴大損失。通過上述措施可有效提高加氣混凝土生產線摩擦輪系統的可靠性。