活動配重式大臂俯仰機構(gòu)設計原理及配重重量的確定

劉志鵬

華電重工股份有限公司上海分公司

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活動配重式大臂俯仰機構(gòu)設計原理及配重重量的確定

劉志鵬

華電重工股份有限公司上海分公司

摘要：根據(jù)重車調(diào)車機的大臂俯仰機構(gòu)采用帶活動配重的平行四連桿機構(gòu)替代液壓提升機構(gòu)的情況，研究了曲柄搖桿的驅(qū)動機構(gòu)及平面四連桿機構(gòu)的配重臂系統(tǒng)，計算確定了活動配重在最經(jīng)濟情況下的所需重量。

關(guān)鍵詞：翻車機； 重車調(diào)車機； 大臂俯仰； 活動配重

1前言

活動配重式大臂是采用一塊跟隨配重臂擺動的活動配重替代液壓系統(tǒng)采用的平衡油缸,在重車調(diào)車機大臂起落時降低液壓系統(tǒng)壓力，使大臂運動平穩(wěn)的一種重車調(diào)車機大臂布置方式[1]。

活動配重式大臂機構(gòu)有2套運動副機構(gòu)，一套為大臂、配重拉桿及配重梁所組成的平面四連桿機構(gòu)運動副，另一套為大臂、驅(qū)動拉桿及由擺動馬達帶動的驅(qū)動臂所組成的曲柄搖桿機構(gòu)運動副。2套機構(gòu)運動副安裝在設備車體(7)及支座(8)上，并在大臂上的提升鉸點位置相同(見圖1)。

1.大臂體　2.配重拉桿　3.配重臂　4.驅(qū)動拉桿5擺動油缸　6. 驅(qū)動臂　7.車體　8.支座圖1　帶活動配重的大臂機構(gòu)

2設備設計參數(shù)的確定

2.1大臂體參數(shù)的確定

設備初步設計時，首先根據(jù)重車調(diào)車機車體布置形式，選擇大臂在車體上鉸點的位置，本項目選擇距行走軌高度1 410 mm，據(jù)重調(diào)車機中心線800 mm的位置作為大臂鉸點，此鉸點被標記為O1。大臂前端與鐵路車輛掛鉤位置水平距離距重調(diào)機中心線常規(guī)為4 700 mm，高度可根據(jù)車輛重載后車鉤至軌頂高度選取，本項目選擇840 mm，此點被標記為A1。計算后可得出O1A1連線取整長度為3 941 mm，O1A1連線作為大臂軸線與水平線夾角為8.3°，大臂上配重拉桿及驅(qū)動拉桿鉸點(標記為B1)，根據(jù)大臂設計細節(jié)及加工難度，選擇L2(O1B1水平距離)為700 mm，L3(O1B1垂直高度)為290 mm，詳見圖2。

圖2　大臂體結(jié)構(gòu)設計

2.2驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)運動副中各項設備參數(shù)的確定

通過作圖法得到驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)運動副中各項設備的參數(shù)。

驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)首先需要確定擺動油缸回轉(zhuǎn)中心的位置(標記為O2)，此點位置采用如下方式確定：

將大臂體置于豎直狀態(tài)，連接豎直狀態(tài)及落下狀態(tài)的B1及B'1點，并在水平或垂直方向合適位置，選擇一條與B1B'1線相交的點(O2)作為回轉(zhuǎn)中心。

測量O2B1及O2B'1距離，并按L5=(O2B1+O2B'1)÷2所得數(shù)值為半徑，以O2點為圓心做圓與B1B'1交與A1及A'1點，L5即為驅(qū)動曲柄的長度，A2B1長度為驅(qū)動拉桿(4)兩鉸點間距離(L4)；驅(qū)動曲柄(擺動油缸)工作行程為180°，擺動油缸選型時最大行程184°，兩側(cè)各保留2°的余量。

本項目選擇重調(diào)機中心相距250 mm做垂線，與B1B'1相交與O2點，測量O2B1尺寸為850.3 mm以及O2B'1尺寸為1 996.7 mm，得出L5長度為573.2 mm，此尺寸即為驅(qū)動臂鉸點長度；測量A2B1長度為1 423.6 mm為驅(qū)動拉桿鉸點間長度(L4)，詳見圖3。

圖3　曲柄搖桿驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)

2.3配重臂及平面四連桿機構(gòu)參數(shù)的確定

配重臂主鉸點O3可布置在O2的上方，具體以配重臂在設計后與電纜滑車導軌及底座無干涉即可，本項目選擇O3與重調(diào)機中心線相距550(與O1點水平距離1 350 mm)，與O1點垂直距離1 450 mm作為O3點位置。

配重臂鉸點B3與O3水平距離為L2，垂直距離為L3，使大臂體與配重臂鉸點組成平面四連桿機構(gòu)。并得到O1O3(或B1B3)距離為1 981.1 mm，此長度為配重拉桿兩鉸點件距離，詳見圖4。

圖4　平面四連桿活動配重配平機構(gòu)參數(shù)

3配重臂活動配重重量的確定

3.1各構(gòu)件中主要零件重量及重心的確定

各構(gòu)件完成初步設計后，確定各構(gòu)件中主要零件重量及重心數(shù)據(jù)，見表1。

表1　各構(gòu)件中主要零件重量及重心數(shù)據(jù)

其中，配重拉桿、驅(qū)動拉桿、驅(qū)動臂由于質(zhì)量較輕且重力臂較短，可簡化后不參與設備受力計算，液壓壓力計算后預留一定余量即可[2]。

3.2各鉸點間距離及角度的確定

根據(jù)圖紙中各鉸點位置，定義各鉸點間距離及角度，見圖5和表2。

大臂體軸線與水平面夾角定義為Q1(°)，大臂水平位置時，此角度為0°，大臂下落至接車位，此角度為負值，取-8.3°，大臂抬起至垂直位時，此角度為90°。在Q1為-8.3°及90°時，驅(qū)動臂與驅(qū)動連桿形成死點位置。

大臂體鉸點至驅(qū)動回轉(zhuǎn)鉸點連線L11與大臂體鉸點至提升鉸點連線L6夾角定義為大臂擺動角Q2(°)

Q2=180°-α1-α2-Q1

配重鉸點至大臂提升鉸點距離定義為L15，按余弦定理則：

在非死點位置時，驅(qū)動臂軸線L4與L15夾角定義為Q3(∠A'2O2B'1) (°)，驅(qū)動拉桿軸線L5與L15夾角定義為Q4(∠A'2B'1O2) (°)，大臂體鉸點至提升鉸點連線L6與L15夾角定義為Q5(°)，按余弦定理則：

表2　各鉸點間距離及角度定義和數(shù)據(jù)

圖5　機構(gòu)中各參數(shù)的定義圖示

3.3驅(qū)動扭力計算

根據(jù)上述各項數(shù)據(jù)可知，大臂體在擺動至任意角度(Q1)時，大臂體及鉤箱的重力矩定義為M1(kg·mm)，則：

同時，配重架的重力矩定義為M2(kg·mm)，則

為簡化設計和計算，M1及M2均按正值設計，除2處死點狀態(tài)及接近垂直狀態(tài)區(qū)間外，應確保大臂俯仰過程中M1>M2，即液壓系統(tǒng)在大臂抬起時提供提升動力，大臂落下時作為緩沖裝置[3]；反之，則認為配重質(zhì)量過大，不滿足設計要求，見圖6。

圖6　非死點狀態(tài)下曲柄搖桿驅(qū)動機構(gòu)設計參數(shù)

定義M3(kg·mm)為M1與M2兩重力矩差值，即大臂體重力矩與配重臂重力矩的力矩差，則：

M3=M1-M2

M3的力矩差作用在驅(qū)動拉桿上的拉力為定義為F1(N)，按圖7可知

F1作用在驅(qū)動臂上的扭力定義為M4(N·mm)，按圖7可知

根據(jù)液壓選型，選取擺動油缸活塞直徑為d=Φ125 mm，推動齒輪分度圓直徑D=200 mm，則液壓系統(tǒng)在此時的工作壓力P(MPa)為：

圖7　曲柄搖桿驅(qū)動機構(gòu)受力計算

根據(jù)上述各項公式，可得出在不同配重(G4)重量時，大臂俯仰過程中作用在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓強，并根據(jù)壓力值及俯仰角度繪制坐標圖(見圖8)。

圖8　配重質(zhì)量對應液壓系統(tǒng)工作壓力

由圖8可知，液壓系統(tǒng)在配重重量約7.3 t時，液壓系統(tǒng)最大工作壓力為4 MPa，配重重量約7.6 t時，液壓系統(tǒng)最大工作壓力為2 MPa，選擇配重重量約7.3 t時，設備配置最為經(jīng)濟，既節(jié)約了鋼結(jié)構(gòu)設計，液壓系統(tǒng)也完全能滿足工作要求且留有充足的余量。

由圖8中還可發(fā)現(xiàn)，大臂在從最低點開始抬起時，液壓系統(tǒng)工作壓力迅速上升；在接近垂直狀態(tài)時，液壓系統(tǒng)工作壓力逐漸下降，并在垂直狀態(tài)時配重端的重力矩大于大臂重力矩。在這樣的狀態(tài)下，大臂抬起至豎直狀態(tài)，由于配重端重力矩大于大臂體重力矩，大臂不會在液壓系統(tǒng)故障時自由滑落，造成事故。而在大臂放下的過程中，放下中段的液壓系統(tǒng)緩沖量較大，在接近終點時，液壓系統(tǒng)基本無緩沖，液壓系統(tǒng)工作非常平穩(wěn)。

4 結(jié)語

帶活動配重的大臂俯仰機構(gòu)采用2種經(jīng)典的連桿機構(gòu)，并充分利用曲柄搖桿機構(gòu)死點原理，使機構(gòu)在兩端極限停止位(特別是大臂豎直狀態(tài)時)機構(gòu)處于過死點狀態(tài)，在沒有外力的作用下，大臂機構(gòu)不會由于自重的影響而使大臂自由滑落；活動配重為機械式結(jié)構(gòu)，不受環(huán)境溫度的影響，液壓系統(tǒng)布置簡單，取消了高壓蓄能器，降低了系統(tǒng)工作壓力，并在不同大臂長度時，均可通過調(diào)整配重裝置，采用相同的液壓系統(tǒng)及擺動油缸裝置，增強設備的通用性，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

參 考 文 獻

[1]成大先. 機械設計手冊[M].北京： 化學工業(yè)出版社， 2013.

[2]張連東. SL6裝船機卷揚系統(tǒng)平臺力學行為及減振研究[D].秦皇島：燕山大學， 2010.

[3]宋興龍. 基于ANSYS的高空作業(yè)平臺的有限元分析[D].南京：南京林業(yè)大學， 2009.

劉志鵬： 200122, 上海市浦東新區(qū)福山路458號同盛大廈21F

Activities-weight Arm Raise Mechanism Design Theory and Determination of Counterweight

Shanghai R&D Center, Huadian Heavy IndustriesLiu Zhipeng

Abstract:The shunting locomotive′s arm raising mechanism uses four-bar mechanism with movable counterweight to replace hydraulic lifting mechanism. Based on this situation, this paper studies the crank rocker driving mechanism and planar four-bar mechanism counterweight system,and determines the movable counterweight under the most economic situation.

Key words:car dumper; shunting locomotive; side arm raising mechanism; movable counterweight

收稿日期：2015-12-30

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.006