自位式裝卸過橋的設計計算

改造者：金 偉 毛 杰 尉遲鐵業 梁存真

自位式裝卸過橋的設計計算

改造者：金 偉 毛 杰 尉遲鐵業 梁存真

通過對自位式裝卸過橋受力分析和設計計算，應用凸輪擺桿組合機構實現過橋升降與運輸車輛尾部的搭接，使用彈簧機構通過擺桿與橋板凸輪板連接，實現重力與彈簧力的平衡；無需外界動力，僅靠人力驅動，可完成全部動作要求。操作靈活，維護簡便，適合中小型倉儲、港口、礦山、鐵路、郵政及裝卸貨場使用。

郵政、礦山、鐵路、物流等裝卸場所的站臺形式多樣，運輸車輛規格不一，使得固定式裝卸站臺很難滿足快捷的裝卸要求。因此研究可調節裝卸高度的設備，實現固定站臺與不同高度車廂尾部的快速搭接，使各種裝載車輛直接駛入車廂內，實現貨物機械化裝卸，已成為郵政、倉儲、物流行業急待解決的課題。

研究內容

目前國內郵件處理中心內使用的托盤小車、小型叉車集裝箱的參數，要求“裝卸過橋”的承載能力至少為30KN，考慮到郵政的發展前景，在設計中其承載能力定為50KN，橋板寬度1.7m、橋板長度1.6m，以利于將來裝卸工具、裝卸機械的通過。參照土建設計，郵件處理中心的站臺高度1.2m（普通貨物站臺高度1.1m）、現服役的郵車的車型最高車輛的車廂高度1.4m、最低為0.8m，結合人機工程的設計要求和裝卸機械的爬坡的要求，裝卸過橋的工作范圍設定為+7°～-7°，基本滿足大多數車輛的搭接。

在此前提下，我們研究開發了自位機械式裝卸過橋，以方便不同形式站臺的配套選型。自位機械式裝卸過橋，無需外界動力、低碳無污染，僅靠人力操作來完成全部動作要求。在人力驅動下裝卸過橋被推至某個角度，橋板即平穩停在某處，且能橫向平移實現不同車位的搭接（如圖1所示）。操作時，人力松開鎖緊裝置，彈簧力作用在橋板上，操作者拉起或推下橋板，其拉力或推力克服慣性力和摩擦阻力，使橋板轉動上升、下降，平穩的搭接在運輸車輛的車廂尾部。

設計計算

在自位式裝卸過橋的研究中，采用平面凸輪擺桿機構，擺桿端部的滾輪半徑遠遠小于凸輪起升段的曲率半徑。機構中彈簧起著非常重要的作用，一方面保持滾輪始終與凸輪接觸，另一方面擔負著平衡裝卸過橋本體（各部件）的重量作用，以確保裝卸過橋在運轉過程中輕便、靈活，處于恒自位狀態。機構中O1、O3分別為橋板的轉軸和彈簧的轉軸（如圖1所示），橋板通過O1安裝在站臺上，而彈簧通過O3安裝在橋板上且與O1不重合，這是由于若上述兩點重合，則凸輪運動會出現較大失真，出現凸輪工作壓力角較大的情況，對機構運動產生不利影響。

機構的構成

該機構組成共有活動構件2個，高副1處，低副2處，因此：

n=2，pi=2，ph=1，故其自由度：F=3× 2-2× 2- 1=1

裝卸過橋的受力分析

為了簡化計算，將過橋分為四部分進行受力分析，如圖2所示。

其中：

P — 橋板對滾輪的壓力；

L1— 擺桿長度；

L2— O1轉軸距作用力P′垂直距離；

L3— O1轉軸距橋板重力W2垂直距離；

L4— O3轉軸距彈簧重力W3垂直距離；

圖1　自位式裝卸過橋結構示意圖

圖2　過橋四部分受力分析圖

H0— 彈簧自由狀態長度、ΔH— 彈簧伸長量。

為保證系統恒自位，需初步設計求出各構件質量，以重力為已知條件，確定彈簧、凸輪、推桿、及固定鉸鏈的相對位置參數，因此這是一個多元優化問題，無法直接找出解析表達式的函數，要多次人為定多項初值，使計算逐漸收斂，才能得到近似解，而初值中因有多項為非線性變化，另外還要考慮制件的工藝性，所以給計算結果收斂帶來了一定難度。

由于采用凸輪擺桿機構，并使用拉簧拉力平衡機構各器件重力，以保證系統運動時的恒自位要求，拉簧拉力隨系統運動位置的變化規律既與機構旋轉角度有關，又與滾輪在凸輪廓線上的位置有關，所以拉簧拉力的變化非線性且無法用函數描述，只能采用先設計后校核的方法進行機構設計。上述計算的目的是最終用于對凸輪進行修正、利于控制誤差范圍，實現力和力矩平衡。

表1　過橋設計計算結果

計算結果與分析

根據裝卸過橋在整個翻轉過程始終處于自位的條件，結合裝卸過橋處于每個位置時的具體參數，計算出裝卸過橋每翻轉10°，彈簧力與裝卸過橋自重力平衡結果見下表。

圖3　T 與T′隨反轉角度變化曲線

圖4　誤差分析圖

表1中所得到數據分析可知，在起點0o彈簧產生的拉力大于平衡轉矩所需要的力，在終點97 o彈簧產生的拉力小于平衡轉矩所需要的力，這是為了保證裝卸過橋在起點、終點狀態穩固停放和可靠工作，避免外界小擾動致使裝卸過橋失靈產生誤轉動，同時也能滿足人機工程中人力驅動的要求。

圖3、圖4所示為凸輪廓線經過工藝修正后的橋板平衡所需的理論拉力T ，彈簧的實際彈力T′的圖線，以及誤差分析圖。（其中θ為翻轉度數）

最終對力平衡校核表明，翻轉段最大誤差均在百分之五以內，滿足人機工程設計要求。該機構的運用新穎簡便，結構簡單，但尺寸計算上則要求擬合精確，才能實現功能的準確性及可靠性以及生產工藝的可行性。

結束語

通過對自位機械式裝卸過橋進行機構分析及受力分析，以機構中各構件重力為已知條件，進行彈簧、凸輪、推桿、及固定鉸鏈的相對位置參數的確定。由于該問題為多元優化問題，并且采用凸輪擺桿機構，拉簧拉力變化規律非線性且無法用函數描述，故只能采用設計校核的方法進行系統設計。通過人為擬定初值，逐步計算優化，最終得到了符合機構工作要求的設計參數，并對計算結果的可用性及誤差范圍進行了分析。

自位式裝卸過橋的設計計算不僅從理論上獲取多元優化的數據，而且通過試制取得了可靠結論，為高位倉儲運輸業的安全高效生產提供了一種便利、靈活、耐用可靠的裝卸設備。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.027