蛇形移動帶式輸送機結構設計分析

晁用璽

（哈工大機器人智能制造有限公司，北京 100032）

引言

傳統帶式輸送機在多個工位間傳送物料的過程中，往往需通過串聯方式進行結構連接，在此過程中無法保證物料平穩運輸，易增加物料掉落幾率，且輸送效率低，對于結構改進設計提出現實要求。在完成結構設計的基礎上進行輸送機設計合理性與關鍵部件強度的校核，能夠為輸送機結構設計的合理性提供保障。

1 結構設計方案

1.1 結構原理

常規帶式輸送機主要在輸送帶的前后兩端設置帶輪，通過驅動傳送帶沿皮帶方向作直線運動，完成物料輸送作業，但在此模式下輸送帶僅能沿線性方向移動、不支持轉向，無法滿足現場不同工位間的物料輸送需求[1]。蛇形移動帶式輸送機是一種支持在多個不在同一直線上工位間輸送物料的輸送機械，通過沿蛇形軌道布設帶體，使帶體沿軌道移動至平面上的任意位置，支持對物料進行連續、穩定輸送，避免在不同輸送帶以串聯方式傳遞物料過程中引發物料掉落問題，保證物料輸送效率與安全。同時，將鏈條固定在蛇形軌道的滑槽內，用于防止在帶體移動過程中發生位置偏移，保證輸送帶運行環節物料的穩定性。在帶體一側設有擋板，防止在運行過程中出現物料掉落現象，保障帶體的連續順利移動。

1.2 結構設計

在結構設計上，該輸送裝置主要由機架、軌道、鏈條、帶體、帶片以及液壓系統等結構組成。在機架上安裝有蛇形槽軌，在槽軌內側滑動安裝鏈條，在鏈條上安裝有帶體，沿鏈條方向在帶體上設置若干帶片，將蛇形槽軌內側鏈條的鏈銷伸出滑槽后與相應位置的帶片進行固定連接，并且以層疊方式將扇形帶片的一側與相鄰帶片一側疊加進行連接，在機架上帶體兩側設有擋板，擋板上方設有導槽。

其中機架部分包含機頭小車、中間小車與機尾小車，基于履帶式結構驅動機頭小車，采用輪式結構驅動中間小車和機尾小車移動，各小車間借助萬向節連接、配置有轉向油缸，利用液壓系統與轉向油缸配合控制小車行走、轉向；在鏈條一側設有鏈板，鏈板左右兩端分別設有十字軸和鉸接孔、中部設有鉸接位移孔，使兩相鄰鏈板采用鉸接形式連接，將鏈銷與鏈板端部固定連接，使鏈板以鏈銷為基準做軸向轉彎運動（鏈板結構如圖1所示）；帶體呈條狀，在帶體上沿鏈條方向設有若干帶片，帶片側面呈扇形，兩相鄰帶片搭接時避免連接部位存在縫隙，將鏈銷與相應位置的帶片進行固定連接，保證帶片與相應鏈板在帶體上保持同步運動；當鏈條沿蛇形軌道移動時，其線形將由直線轉變為蛇形，使與之相連的帶片呈蛇形狀排列（如下頁圖2所示），控制帶體蛇形前進，將物料經由不同工位輸送至軌道上指定位置；帶體兩邊緣處分別設有擋板，用于在帶體滑動過程中阻擋物料脫落。

2 運動學分析與檢驗

2.1 運動學模型

針對蛇形移動帶式輸送機的運行過程進行分析，主要涉及到直線-圓周、直線-圓弧、S形幾種運動軌跡類型[2]。假設輸送機在光滑平面上運行，帶輪無打滑現象，小車沿縱向保持軸對稱，質心速度方向與縱軸同向，轉彎曲曲率半徑較大。基于上述條件，建立蛇形移動帶式輸送機的參考坐標系，對應各小車附體坐標系（i=1,2,3,…,n），且xi為各小車縱軸方向、oi為質心。將第i個小車的位形設為｛xiθi yi｝，其質心在輸送機參考坐標系中的位置坐標為｛xiyi｝，其縱軸與x軸夾角為θi，建立機頭小車運動模型。

設第i個小車與第i+1個、第i-1個小車間的鉸接點分別為Ai和Bi，該小車的線速度為vi、角速度為ωi，其縱軸與第i+1個小車縱軸夾角為φi，則該小車在輸送機運行過程中的運動規律表示為：

在此基礎上，設機頭小車行進方向兩側車輪的滑動參數為k1和kr，則建立整體蛇形移動帶式輸送機的運行學傳遞方程為：

考慮到各小車間的相對轉角不超過5°，因此取sin（φi）≈φi、cos（φi）≈1。以第i個小車與相鄰第i+1個小車的鉸接點為基準建立坐標系，設小車機架半寬度為ai、ai+1，小車轉動前后位置分別為si、si+1，則相鄰小車間轉向油缸的活塞位移δi表示為：

2.2 運動學仿真

設蛇形移動帶式輸送機由一節機頭小車、三節中間小車和一節機尾小車組成，各小車間配置的轉向油缸依次為y（0）、…、y（4），直線段的運動速度略快于曲線段，小車縱軸與X軸夾角度數為θi,結合上述參數生成運動學仿真結果。從中可觀察到，在帶式輸送機沿軌道直線段向曲線段行進時，由機頭小車對第一節中間小車施加牽引力，配合轉向油缸的作用帶動其他小車轉向曲線運動段，基于相同曲率半徑做曲線運動。當機尾小車的尺寸擴大一倍時，其運動曲率半徑同比其他四節小車減小，由此說明小車的運動曲率半徑與小車尺寸間具有反比例關系。針對各小車間配置轉向油缸的活塞位移進行仿真分析，在帶式輸送機沿直線段行進過程中，小車間配置的轉向油缸的活塞位移數值為0；當帶式輸送機由直線段轉向曲線段行進后，各小車間配置的轉向油缸活塞位移由機頭至機位方向依次遞增至3 cm；當各小車在曲線路徑上行進時，各小車間配置的轉向油缸的活塞位移保持在3 cm的恒定值。

2.3 關鍵部件有限元分析

在該蛇形移動帶式輸送機的結構設計上，利用萬向節完成相鄰小車的連接，擬對該受力部件進行分析與校核。采用ANSYS軟件進行關鍵部件的有限元分析，該部件孔徑大小為12 mm、孔深為10 mm；材料為金屬鋼，彈性模量為2.1×105Pa、泊松比為0.3。對蛇形移動帶式輸送機運行過程中萬向節的受力情況進行分析，主要由機頭小車向后方小車施加一個向后傳遞的牽引力F1，同時機頭小車產生一個摩擦阻力f1，中間小車及機尾小車所受摩擦力分別為f2,…，fn，則機頭小車與第一節中間小車間連接的萬向節所受拉力為F=f2，…，fn。設各節小車質量為120 kg，移動過程中的摩擦系數為0.1，則該萬向節所受拉力的最大值為1 400 N。已知萬向節抗拉強度為600 MPa、許用應力值為60 MPa，在萬向節受力過程中以孔內側為應力集中區域，該部位產生的應力最大值為0.195×107MPa，符合設計要求，能夠保證萬向節的強度達標。

2.4 結構優化設計要點

在蛇形移動帶式輸送機運行過程中，由于其蛇形移動過程中涉及到由直線段轉向曲線段以及沿曲線段運動，在轉彎過程中為避免影響到傳送方向的準確性，還需在現有結構上進行補償角的設計，優化帶體的空間曲線[3]。首先，需控制好帶體中心內曲線的高度，避免因高度過大在轉彎環節引發物料傾斜甚至側翻等問題，合理調節中心線抬高角度，用于減少轉彎半徑、加快轉彎速度。其次，可在機架上安裝支撐角，使帶體外側朝向中心方向移動，避免因彎曲外力影響到帶體的平面度。最后，還可以適當增加鏈板帶的補償角，使其在移動過程中自動找正,為輸送機物料運送過程的安全穩定提供保障。

3 結語

蛇形移動的帶式輸送機能夠有效適應多工位、復雜曲線工況環境下的物料輸送需要，移動蛇形軌道與各節小車間的靈活連接，可確保各小車沿預設軌跡跟蹤移動。經由運動學分析與仿真優化后，可有效證明小車間的位移變化曲線與實際移動軌跡相符，能夠為帶式輸送機行進過程的穩定、準確與安全提供可靠保障。