一種可實現(xiàn)重型工裝輕便移動的機構(gòu)

孫立華，宋志才，王憲科，牟宗偉，鄭春

(山東凱帝斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司，山東德州 253000)

0 引言

在重型設(shè)備上，往往存在著重型工裝，而且重型工裝一般都需要吊裝工具來進行移動，但在一些場合，比如試驗室、面積較小的空間，吊裝工具無法安裝以及進入室內(nèi)，那么這時候，如果還要用人來搬動工裝，實現(xiàn)有些困難。基于這種情況，利用凸輪的原理，作者設(shè)計了一種可以很輕便地移動工裝的機構(gòu)——偏心圓凸輪機構(gòu)。

這種機構(gòu)的優(yōu)點在于：工裝不需要移動的時候，穩(wěn)如泰山；當(dāng)需要移動的時候，用手輕輕一推就可以移動，非常方便。經(jīng)過不斷地實踐，已經(jīng)多次應(yīng)用到循環(huán)球轉(zhuǎn)向器性能試驗設(shè)備上。

1 偏心圓凸輪機構(gòu)簡介

偏心圓凸輪機構(gòu)是指圓心在一條直線上，互不重疊，相互形成嵌套的一組圓形。偏心圓凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計領(lǐng)域，其優(yōu)勢在于利用其圓心的非重疊性和非對稱性，產(chǎn)生重心的偏轉(zhuǎn)和傾斜，在系統(tǒng)工程設(shè)計中可以有效地轉(zhuǎn)移不必要的壓力，從而令系統(tǒng)的起始端或末端等具有非對稱性特征的部分更加穩(wěn)定。

2 偏心圓凸輪機構(gòu)受力運動原理

機構(gòu)的受力運動特性如圖1所示。

圖1 機構(gòu)的受力運動原理

機構(gòu)的受力特征與機構(gòu)的壓力角有直接的關(guān)系，壓力角越小，受力特性越好；反之，壓力角越大，受力特性越差。因此可以通過分析該機構(gòu)運動過程中壓力角的變化來分析該機構(gòu)運動過程中的受力特性。

圖1為偏心圓凸輪機構(gòu)的運動示意圖，當(dāng)凸輪從圖示位置開始轉(zhuǎn)動β角，相當(dāng)于從動桿反向轉(zhuǎn)動β角運動到圖示虛線位置，過凸輪幾何中心O2作反轉(zhuǎn)后從動桿方向的垂線O2C，經(jīng)推導(dǎo)：

O2C=ecosβ

(1)

如圖1所示，當(dāng)從動桿反向轉(zhuǎn)動β角到達圖示虛線位置時，從動桿所實現(xiàn)的位移為s，其數(shù)值可以用下式求得：

(2)

其中:R1為基圓半徑，R1=R-e。

對式(2)求導(dǎo)，可得出速度v和加速度a的表達式：

(3)

(4)

3 偏心圓凸輪機構(gòu)的應(yīng)用

以如圖2所示的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器工裝為例，具體應(yīng)用情況如圖3—圖6所示。

圖2 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器工裝簡圖

圖3 處于固定狀態(tài)下的偏心圓機構(gòu)示意圖 圖4 處于移動狀態(tài)下的偏心圓機構(gòu)示意圖

圖5 把手所處的位置圖(一) 圖6 把手所處的位置圖(二)

此機構(gòu)很好地運用了偏心圓機構(gòu)的運動原理及自鎖特點。當(dāng)工裝夾具處于固定狀態(tài)時，偏心圓機構(gòu)處于偏心圓柱的最頂端，即如圖3所示，此時深溝球軸承處于升起狀態(tài)，不與設(shè)備平板接觸，此時把手的位置如圖5所示，夾具的4個偏心機構(gòu)處于相同的狀態(tài)，將內(nèi)六角平端螺釘緊固；當(dāng)工裝夾具處于可移動狀態(tài)時，偏心圓機構(gòu)處于偏心圓柱的最底端，即如圖4所示，此時深溝球軸承處于下降狀態(tài)，處于最低端即偏心圓柱處于自鎖的最佳位置，軸承與設(shè)備平板接觸，此時把手的位置如圖6所示。把手由圖5所示的位置扳到圖6所示的位置所用的力遠遠小于夾具的自重。將夾具的4個偏心機構(gòu)處于相同的狀態(tài)，將內(nèi)六角平端螺釘緊固，此時夾具被可移動軸承支起實現(xiàn)輕松的移動。圖7所示為此機構(gòu)的真實應(yīng)用狀態(tài)圖。

圖7 此機構(gòu)的真實應(yīng)用狀態(tài)

3.1 手動力的計算

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器總重力為F=mg；根據(jù)對偏心圓機構(gòu)力的分析可得：

得:

可得手動扳動擺臂所用的力為：

圖8 手柄受力圖

3.2 偏心圓的自鎖性能

圓偏心夾緊頂起工裝時，要可靠地保證自鎖，其頂起點(轉(zhuǎn)角位ω)處的升角(α)必須滿足下式：

上式經(jīng)化簡整理后可得出圓偏心機構(gòu)的自鎖條件：

式中：μ(β)為偏心輪與頂起表面的摩擦因數(shù)(摩擦角)；ε為保證自鎖允許的最大偏心率。表1為偏心輪工作面上幾個特殊位置處的ε值(按tanβ=μ=0.1計算)。

表1 ε與ω的對應(yīng)值

ε值表明在偏心輪工作面上各位置的自鎖性能是不同的，在90°-β的位置，ε值為最小，即是自鎖性能最差的位置，在180°-β的位置自鎖最穩(wěn)定，即處于移動狀態(tài)下的偏心圓機構(gòu)(如圖4所示)。

4 結(jié)束語

設(shè)計該機構(gòu)時充分考慮了人機工程學(xué)的各項要素，產(chǎn)品與人體的尺寸、形狀及用力是否適合，產(chǎn)品是否順手和方便使用，各操作單元是否實用，是否能防止使用者操作時意外的傷害和錯用時產(chǎn)生的危險。經(jīng)過設(shè)備生產(chǎn)中的實踐和用戶現(xiàn)場的使用，該機構(gòu)穩(wěn)定可靠，使用方便且省力，大大減少了人的體力勞動，得到了使用人員的一致好評。