重載機(jī)械無(wú)級(jí)定位鎖止機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

邱雪松，王 亮，劉佳啟

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司重型裝備事業(yè)部，黑龍江 富拉爾基 161042)

0 前言

在尺度、重量巨大的核電及加氫結(jié)構(gòu)件的機(jī)械加工和裝配過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)變位是銜接各工藝過(guò)程的重要工序，直接影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量［1－3］。因此，研制超大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)有重要意義。

為了適應(yīng)工件的中間工藝尺寸和多規(guī)格要求，運(yùn)轉(zhuǎn)前翻轉(zhuǎn)機(jī)的組合工作臺(tái)必須無(wú)級(jí)精確調(diào)整位置并鎖定。在重載作用下，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)準(zhǔn)確定位、可靠鎖止已成為翻轉(zhuǎn)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)之一［4－6］。

目前，鎖止(緊)機(jī)構(gòu)在航空航天、機(jī)器人關(guān)節(jié)、大型機(jī)床、汽車(chē)變速器［7］、雷達(dá)［8］、組合刀具等多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

根據(jù)鎖止(緊)的實(shí)時(shí)性可分為無(wú)級(jí)鎖止(緊)機(jī)構(gòu)和有級(jí)鎖止(緊)機(jī)構(gòu):文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的空間磁懸浮飛輪鎖緊機(jī)構(gòu)，采用自鎖摩擦無(wú)級(jí)的形式消除飛輪定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙;文獻(xiàn)［10］介紹了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)電磁式鎖止(緊)機(jī)構(gòu)，利用控制電磁離合器的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)夾緊面間的鎖與放;文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)臺(tái)軸系的鎖緊機(jī)構(gòu)，采用彈性元件軸向擠壓端面的方式實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸的無(wú)級(jí)鎖止定位;寶鋼UOE 生產(chǎn)線(xiàn)的大型銑邊機(jī)的銑削單元與地基導(dǎo)軌位置的調(diào)整與鎖止，采用油缸增壓式的摩擦無(wú)級(jí)鎖緊結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［12］介紹了一種數(shù)控機(jī)床端齒盤(pán)固定角度有級(jí)定位夾緊機(jī)構(gòu)，利用動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)的脫開(kāi)、轉(zhuǎn)位和嚙合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸的鎖止和分度定位;電機(jī)或液壓油缸驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)式有級(jí)鎖止也是常用結(jié)構(gòu)，但是，在重型載荷作用下，由于結(jié)構(gòu)變形與摩擦力的巨大，鎖止銷(xiāo)的對(duì)位及拔插非常困難。

迄今為止，無(wú)級(jí)鎖止本質(zhì)上均為摩擦鎖止，在振動(dòng)、沖擊、變載荷(特別是重載)作用下，容易滑動(dòng)、可靠性與安全性均大幅降低，這是由工作原理所決定的不可避免的缺點(diǎn);有級(jí)鎖止機(jī)構(gòu)只適用于特定位置、角度的定位鎖止，其鎖止位置不具有任意性。

在大型機(jī)床、重載壓力機(jī)、操作機(jī)、冶金軋鋼機(jī)械、工程機(jī)械和起重設(shè)備中，可靠性、安全性是鎖止機(jī)構(gòu)的尤為重要的指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)、準(zhǔn)確定位及可靠的鎖止非常困難，已成為行業(yè)內(nèi)亟待解決的普遍存在的共性關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文根據(jù)90°/180°超大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)的翻轉(zhuǎn)工藝，提出了一種二自由度機(jī)械無(wú)級(jí)準(zhǔn)確定位的鎖止機(jī)構(gòu)構(gòu)型，并進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)。該構(gòu)型基于傳統(tǒng)的絲杠－螺母?jìng)鲃?dòng)原理與大結(jié)構(gòu)件宏動(dòng)、小結(jié)構(gòu)件微動(dòng)跟隨調(diào)整的原則，采用有級(jí)直齒條扣合、無(wú)級(jí)斜面楔塊移動(dòng)副串聯(lián)調(diào)整，從原理上保證了鎖止的可靠，避免了對(duì)位及鎖止件插拔困難的問(wèn)題。該鎖止裝置適用于大型重載裝備等移動(dòng)部件的無(wú)級(jí)定位鎖止，具有通用性，屬于重型裝備基礎(chǔ)共性技術(shù)。

1 組合工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)與定位鎖止要求

自主研發(fā)的90°/180°超大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)如圖1 所示。

圖1 超大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of super heavy-duty tipper

主要用于核電、加氫反應(yīng)器厚壁殼體件冷加工、探傷時(shí)改變工件定位狀態(tài)，滿(mǎn)足全尺寸規(guī)格、所有重量的直筒節(jié)、過(guò)渡節(jié)、封頭、餅子類(lèi)件的90°、180°翻轉(zhuǎn)。其中，翻轉(zhuǎn)臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，翻轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)移動(dòng)臺(tái)可翻轉(zhuǎn)0－90°;二者構(gòu)成翻轉(zhuǎn)機(jī)的組合工作臺(tái)，并可沿L型工作臺(tái)上的導(dǎo)軌移動(dòng)。

當(dāng)工件翻轉(zhuǎn)90°時(shí)，翻轉(zhuǎn)工藝要求調(diào)整組合工作臺(tái)處于水平，并移動(dòng)到指定的位置鎖止。在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)始終疊合鎖止，工件則施加正壓力在組合工作臺(tái)上，故沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向最大鎖止載荷為組合工作臺(tái)自身總重量40 t。

當(dāng)工件翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，翻轉(zhuǎn)工藝要求首先調(diào)整組合工作臺(tái)處于水平，并移動(dòng)到指定位置鎖止;滾轉(zhuǎn)L 型工作臺(tái)使組合工作臺(tái)處于鉛垂位置，調(diào)入工件;翻轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)90°夾住工件;L 型工作臺(tái)反向滾轉(zhuǎn)120°～135°使工件重量完全轉(zhuǎn)移到翻轉(zhuǎn)臺(tái)上;翻轉(zhuǎn)臺(tái)(連同工件)回翻，同時(shí)，L型工作臺(tái)回滾(工件絕對(duì)轉(zhuǎn)角不變)至兩者疊合;L 型工作臺(tái)、翻轉(zhuǎn)臺(tái)、工件一同滾轉(zhuǎn)至組合工作臺(tái)水平，完成工件180°翻轉(zhuǎn)，過(guò)程如圖2 所示。當(dāng)工件的重量完全轉(zhuǎn)移到翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)的雙向最大鎖止載荷達(dá)1.90 MN。

根據(jù)工藝需要，定位鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足如下規(guī)范:

(1)滿(mǎn)足組合工作臺(tái)無(wú)級(jí)定位、可靠鎖止、工作過(guò)程無(wú)滑移。因大型核電、加氫所有工件的中間工藝尺寸、最終尺寸都是變化的，為確保生產(chǎn)安全，必須無(wú)級(jí)定位以消除工作臺(tái)與工件之間的間隙;

圖2 工件180°翻轉(zhuǎn)過(guò)程圖Fig.2 180° turning process of wokepicec

(2)鎖止機(jī)構(gòu)具有內(nèi)力自平衡和卸載功能。因工件翻轉(zhuǎn)變位中的鎖止載荷最大可達(dá)1.9 MN以上。

(3)能快速靈活實(shí)現(xiàn)鎖止和解鎖操作，保證生產(chǎn)效率。

2 鎖止機(jī)構(gòu)構(gòu)型與工程實(shí)現(xiàn)

2.1 鎖止機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案

在大型精密數(shù)控機(jī)床中，移動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)一般采用絲杠－螺母螺旋(傳動(dòng))驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定位移、無(wú)級(jí)、精密定位;過(guò)絲杠軸線(xiàn)將其縱向剖開(kāi)，絲杠等效于一個(gè)長(zhǎng)齒條、螺母等效于一個(gè)短齒條;絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)與螺母移動(dòng)存在單自由度對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅從定位與鎖止的功能出發(fā)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，對(duì)螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)、各部運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行拆分、重組與轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足翻轉(zhuǎn)機(jī)的鎖止定位要求。

鎖止方式。基于絲杠－螺母螺旋傳動(dòng)原理，將絲杠和螺母分別等效為長(zhǎng)、短齒條并拆分，消除絲杠旋轉(zhuǎn)(長(zhǎng)齒條移動(dòng))與螺母(短齒條)移動(dòng)的單自由度對(duì)應(yīng)關(guān)系，各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。利用短齒條軸向、徑向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)與長(zhǎng)齒條齒的扣合位置，完成兩個(gè)三角形齒的直齒條在任意位置的相互扣合，實(shí)現(xiàn)鎖止定位。采用大型件宏動(dòng)停位、小件微動(dòng)跟隨、鎖止的原則，將長(zhǎng)齒條固定在移動(dòng)平臺(tái)上，在工作區(qū)域內(nèi)隨移動(dòng)平臺(tái)無(wú)級(jí)移動(dòng)、停位;將短齒條通過(guò)兩個(gè)正交移動(dòng)副串聯(lián)地支撐于浮動(dòng)鉗口中，實(shí)現(xiàn)相對(duì)長(zhǎng)齒條徑向移近或脫離，在三角形齒側(cè)導(dǎo)向下，短齒條徑向接近長(zhǎng)齒條的同時(shí)伴隨被動(dòng)軸向竄動(dòng)(最大為一個(gè)齒距)達(dá)到齒側(cè)雙向扣合嚴(yán)密，之后，采用楔形滑塊插入以消除短齒條兩端與定位擋之間的間隙。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的無(wú)級(jí)、準(zhǔn)確定位、鎖止。其中浮動(dòng)鉗口支座固定于L 型工作臺(tái)。

卸載方式。沿導(dǎo)軌移動(dòng)的軸向力通過(guò)扣合接觸齒面派生出齒條徑向力，對(duì)移動(dòng)工作臺(tái)造成橫向擠壓。采用浮動(dòng)鉗口原理卸載，將鉗口的一側(cè)置于長(zhǎng)齒條背后、保持無(wú)壓力接觸，將短齒條置于移動(dòng)盒內(nèi)，通過(guò)移動(dòng)副與鉗口另一側(cè)接觸，當(dāng)扣合嚴(yán)密時(shí)，兩個(gè)鉗口對(duì)長(zhǎng)齒條夾緊、保持較小的徑向壓力;負(fù)載時(shí)派生出的巨大徑向力將導(dǎo)致浮動(dòng)鉗口產(chǎn)生微小的徑向位移，使鉗口與長(zhǎng)齒條的兩側(cè)面接觸壓力相等。徑向力被轉(zhuǎn)化為鉗口內(nèi)力。鎖止載荷軸向力則通過(guò)長(zhǎng)齒條、短齒條、移動(dòng)盒、兩側(cè)楔形滑塊直接傳遞到浮動(dòng)鉗口支座上的定位擋鐵，最終卸載到L 型工作臺(tái)(即機(jī)架)上［13－15］。

集成上述兩部分機(jī)構(gòu)，得到鎖止機(jī)構(gòu)的整體構(gòu)型如圖3 所示。

圖3 二自由度無(wú)級(jí)精確定位鎖止機(jī)構(gòu)構(gòu)型圖Fig.3 2-DOF mechanical locking mechanism with continuously variable positioning

2.2 鎖止裝置關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)

(1)直齒長(zhǎng)齒條。固定在移動(dòng)工作臺(tái)的兩側(cè)，長(zhǎng)4050 mm、齒寬160 mm。相對(duì)移動(dòng)臺(tái)下懸80 mm。齒形為三角形、保留齒尖、齒根采用深凹溝槽、過(guò)渡齒廓。

(2)直齒短齒條為三角形齒，短齒條與移動(dòng)盒之間設(shè)置雙彈簧結(jié)構(gòu)，非工作狀態(tài)短齒條相對(duì)移動(dòng)盒自動(dòng)回位;扣合過(guò)程中移動(dòng)盒徑向運(yùn)動(dòng)，短齒條憑齒側(cè)導(dǎo)向被動(dòng)軸向移動(dòng)、自動(dòng)尋找位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)嚴(yán)密扣合，如圖4 所示。

圖4 短齒條工程結(jié)構(gòu)ig.4 Short rack engineering structure

(3)主驅(qū)動(dòng)雙滑塊、移動(dòng)盒與浮動(dòng)鉗口。主驅(qū)動(dòng)采用單側(cè)楔形滑塊，斜面與移動(dòng)盒的斜面接觸、直面與浮動(dòng)鉗口接觸均設(shè)有T 形導(dǎo)槽，等效于雙滑塊;當(dāng)主驅(qū)動(dòng)楔形滑塊上下移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)盒接近或遠(yuǎn)離長(zhǎng)齒條，移動(dòng)盒兩端與機(jī)架移動(dòng)副接觸;鎖止機(jī)構(gòu)扣合或負(fù)載時(shí)，浮動(dòng)鉗口夾住并壓緊長(zhǎng)齒條，扣合齒面派生出的巨大徑向力，驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)鉗口沿徑向產(chǎn)生微小竄動(dòng)，最后停在兩個(gè)鉗口上力相等的位置，使長(zhǎng)齒條所受的橫向力被平衡掉，實(shí)現(xiàn)徑向卸載，如圖5 所示。

圖5 雙楔形滑塊、移動(dòng)盒與浮動(dòng)鉗口結(jié)構(gòu)Fig.5 Double wedge slider，moving worktable and floating jaw

(4)鎖止楔塊。單側(cè)斜面滑塊，直面與移動(dòng)盒內(nèi)側(cè)接觸，斜面與短齒條端面接觸。當(dāng)滑塊上移時(shí)，塞緊短齒條兩端與移動(dòng)盒之間的楔形空間、消除間隙。雙向軸向載荷通過(guò)短齒條、鎖止楔塊、移動(dòng)盒傳至(擋塊)L 型工作臺(tái)機(jī)架，如圖6 所示。

(5)鎖止裝置工作過(guò)程。主驅(qū)動(dòng)雙滑塊、兩個(gè)鎖止楔塊均采用電液推桿驅(qū)動(dòng)。鎖止裝置工程結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

(6)非工作狀態(tài)。長(zhǎng)、短齒條頂部保持一定的安全距離Δs，長(zhǎng)齒條隨移動(dòng)工作臺(tái)無(wú)極行走，短齒條兩側(cè)鎖止楔塊拉下，短齒條在雙彈簧驅(qū)動(dòng)下處于零位，如圖8a 所示。

圖6 鎖止楔塊Fig.6 Locking-wedge

圖7 移動(dòng)臺(tái)鎖止裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Moving worktable locking device structure

圖8 對(duì)位與鎖止過(guò)程Fig.8 Contraposition and locking process

(7)扣合過(guò)程。水平狀態(tài)下移動(dòng)臺(tái)行走到達(dá)指定位，啟動(dòng)主電液推桿、主驅(qū)動(dòng)雙滑塊上移，推動(dòng)移動(dòng)盒攜短齒條徑向接近長(zhǎng)齒條，齒面接觸后短齒條軸向移動(dòng)自動(dòng)調(diào)整(最大位移一個(gè)齒距)直到嚴(yán)密扣合，如圖8b、8c 所示，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)定位。兩鎖止楔塊塞緊短齒條兩側(cè)與移動(dòng)盒空間，完成扣合鎖止、設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)。

(8)解鎖過(guò)程。設(shè)備完成工作后、使移動(dòng)工作臺(tái)處于水平狀態(tài)以卸掉外載荷;拉下鎖止楔塊;主驅(qū)動(dòng)雙滑塊下移，拉動(dòng)移動(dòng)盒攜短齒條脫離長(zhǎng)齒條(回零位)。

2.3 鎖止裝置特點(diǎn)

(1)齒條扣合鎖止，屬于嚙合式面接觸止動(dòng)，原理上消除了鎖止件之間的相對(duì)滑移，鎖止可靠;

(2)采用多對(duì)齒同時(shí)扣合、可承載較大軸向力;

(3)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)無(wú)級(jí)定位與鎖止，且定位準(zhǔn)確;

(4)具有徑向力自身平衡、卸載功能，鎖止機(jī)構(gòu)給予移動(dòng)臺(tái)的橫向外力微小、不會(huì)造成移動(dòng)臺(tái)變形。

3 鎖止裝置主要參數(shù)

3.1 齒形參數(shù)

三角形非標(biāo)準(zhǔn)齒條，如圖9 所示。齒頂角60°;模數(shù)m=5 mm;齒槽深h2=h1+0.5;齒根厚b=P－ b1;齒距P=2(2h1+h)tan β。

圖9 三角形齒形參數(shù)Fig.9 Tooth profile parameters of triangular tooth

3.2 楔塊斜面結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)

主驅(qū)動(dòng)雙滑塊、鎖止楔塊結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)核示意圖Fig.10 Internal structure of locking mechanism

滑塊反行程自鎖幾何條件:

式中，f為摩擦系數(shù)，取0.1;φ為摩擦角鋼對(duì)鋼時(shí)5.7°。

鎖止楔角θ1=5°;主驅(qū)動(dòng)雙滑塊θ2=10°。

滑塊最大行程。建立坐標(biāo)系原點(diǎn)O 位于左、右鎖止楔塊對(duì)稱(chēng)中心，如圖11 所示。

圖11 楔塊位移量Fig.11 Displacement of wedge

短齒條扣合時(shí)沿x 軸移動(dòng)量為X，左、右鎖止楔塊沿z 軸移動(dòng)距離增量z1為

當(dāng)長(zhǎng)齒條與短齒條處于未扣合狀態(tài)，齒頂間距離Δs。主驅(qū)動(dòng)雙滑塊沿z 軸正向移動(dòng)時(shí)，短齒條沿y 軸正向移動(dòng)量為Y。則有主驅(qū)動(dòng)雙滑塊移距

鎖止楔塊沿z 軸移動(dòng)最大行程

主驅(qū)動(dòng)雙滑塊沿z 軸移動(dòng)最大行程

3.3 扣合強(qiáng)度校核

基于分析，工作臺(tái)在極限受力狀態(tài)下，作用在單個(gè)短齒條上的最大軸向載荷Fa=1.523 ×106N。

將在solidworks 建模的短齒條保存為Parasolid(* .x_ t)格式;導(dǎo)入模型并設(shè)置材料屬性;設(shè)置網(wǎng)格精度等級(jí);施加約束，將載荷直接加載接觸面上。計(jì)算結(jié)果:短齒條13 個(gè)齒強(qiáng)度及剛度變化趨勢(shì)如圖12 所示。

可以看出，在Fa作用下短齒條13 個(gè)嚙合齒的應(yīng)力變化，第一個(gè)齒應(yīng)力最大為477.4 MPa，其后逐漸減小趨于穩(wěn)定，整體最大變形量為0.06316 mm;最大應(yīng)力均發(fā)生在齒根受拉側(cè)，最大變形位置發(fā)生對(duì)應(yīng)齒齒頂，其綜合應(yīng)力均小于42CrMo 的抗拉強(qiáng)度950 MPa、抗壓強(qiáng)度1625 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖12 最大載荷作用下鎖止短齒條強(qiáng)度及剛度趨勢(shì)圖Fig.12 Tendency chart of locking short rack strength and rigidity under maximum load

4 結(jié)論

基于絲杠－螺母螺旋傳動(dòng)原理，采用運(yùn)動(dòng)拆分與重新匹配的方法，提出了新型的二自由度重載機(jī)械鎖止機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)短齒條自動(dòng)對(duì)位、回位調(diào)整功能可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)定位鎖止功能;利用鉗口夾緊長(zhǎng)齒條時(shí)內(nèi)力平衡原理，提出并設(shè)計(jì)了鎖止機(jī)構(gòu)內(nèi)部浮動(dòng)鉗口徑向力卸載結(jié)構(gòu);利用雙斜面摩擦自鎖原理，消除短齒條與移動(dòng)盒單元的運(yùn)動(dòng)間隙，并將軸向載荷經(jīng)鎖止機(jī)構(gòu)直接卸載到翻轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)架上，提高了鎖緊的剛性，實(shí)現(xiàn)超大載荷作用下的可靠鎖止。

該鎖止裝置工作原理具有廣泛通用性，屬于重型裝備基礎(chǔ)領(lǐng)域的共性技術(shù)，尤其適用于大型重載裝備等移動(dòng)部件的無(wú)級(jí)定位鎖止，為大型核電翻轉(zhuǎn)機(jī)、變位機(jī)設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)保障。

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