重載型橫向擴展機構的研制

王國忠 石金明 邵益龍 田鋒

杭州恒宏機械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，大型房車[1]、大型方倉橫向擴展空間的需求較大，要求車載用擴展機構具備大行程擴展和高承載性。下面介紹一款新型機電產品重載型橫向擴展機構。

此機構可用于房車、方倉等設備橫向空間的擴展，此外，該重載型橫向擴展機構還具備大承載的特性，能夠滿足部分設備倉的擴展，擴大了裝置的實用性，重載型橫向擴展機構還可適用于特種車輛的改裝。

2 重載型橫向擴展機構設計思路及功能

2.1 設計思路

重載型橫向擴展機構的設計原則是安全可靠、操作簡便、實用先進、維修簡便[2]。其研制的基本思路是：a.為方便裝配，設計為滑軌和推桿一體式裝置；b.采用矩形鋼管套接的形式組合成滑軌，其內部設計為滾動軸承與鋼管滾動，采用承載大的滾針軸承，使其有較好的摩擦系數和較大的承載；c.推桿采用電動推桿的形式，滾針絲桿轉動推動內管伸出，實現推桿的伸縮；d.為保證推桿兩邊的同步性，采用中間布置電機減速箱，盡可能地保證兩推桿傳動的同步性；e.在電機減速箱處設置六角接口，可以用套筒棘輪扳手在緊急狀態下手動收回，因電機減速裝置固定于框架上，此處在設計時箱體需留相應的維修孔；f.定位及限位裝置采用行程開關限位，配置伸縮控制盒。

2.2 研究方向

重載型橫向擴展機構主要應用于重型方倉的擴展，主要研究方向是將重型橫向擴展機構整合，做成一體，使安裝調試簡單化；解決推桿之間的同步問題，使方倉在擴展過程中不出現一前一后的抖動等現象；在方倉運輸過程中會有震動和左右的傾斜，需保持擴展倉的鎖定，保證擴展倉不會因外力自動滑出，影響安全；在機構上保證其有安全可靠的承載，并且具有比較大的承載質量。

2.3 主要技術指標

承載機構使用電壓為DC24V，電機額定功率為120 W，機構最大載重質量為1 500 kg，額定推桿推力為8 900 N，限流保護電流為10 A，允許擴展最大行程為1 000 mm，擴展倉沉降≤5 mm，擴展時間≤85 s，工作環境溫度范圍為-25℃～55℃，作業噪音≤50 dB，可靠性為800次循環無故障，耐鹽霧為滿足96 h試驗要求。

2.4 主要功能

a. 整套機構上可承載約1 500 kg的靜載載重，并將其擴張至1000 mm；

b. 斷電自動鎖定功能，防止運輸過程中因抖動而滑出倉體；

c. 失電狀況下可手動操作，將倉體伸出收回；

d. 具有最小和最大行程限位功能。

3 系統組成

重載型橫向擴展機構主要由固定安裝框架、承載滑軌機構、電動推拉伸縮桿機構、集成控制器及適配電源等部分組成。

下面分別對主要零部件的結構、功能、性能參數計算等作詳細說明。

3.1 固定安裝框架

固定安裝框架根據擴展倉的結構及安裝要求而定制，原則上要求框架結構緊湊，結構強度高，安全可靠，材料在保證強度的基礎上選用市場較為普遍的結構材料，通常采用Q345等優質結構鋼。

如圖1所示為兩種方倉的框架結構。

圖1 方倉的框架兩種結構示意圖

3.2 承載滑軌機構

3.2.1 承載滑軌機構內部結構

承載滑軌機構內部結構如圖2所示。

圖2 承載滑軌內部結構

承載滑軌由圖2所示零部件組成，滑軌外管、滑軌內管與內管軸承為主承受力點。4根滑軌最大承載力是1 500 kg，可參考圖3承載滑軌機構的受力分析。承載滑軌機構的受力分析如圖3所示，應力分析可見，機構能夠滿足最大承載要求。

圖3 應力分析

3.2.2 承載滑軌機構的受力分析

3.2.3 承載滑軌機構的受力計算

滑軌內部設計裝置5對圓柱滾子軸承，型號為NU2204E。單個額定圓柱滾子軸承額定動載30 kN，靜載31 kN,受力時為兩只圓柱滾子軸承同時受力，其一對軸承的承載取值45 kN。 F1端面受力取5 kN，伸出端 L1的長度取值長2 000 mm，支點至尾部軸承的力臂 2L取值900 mm。

支點軸承處的滑軌的受力計算：

可見，在滑軌結構滿足強度要求的情況下，軸承的受力情況滿足滑軌的使用要求。

3.3 傳動裝置的設計

3.3.1 傳動裝置的結構原理

傳動機構為電動推拉桿的形式，在橫推機構上布置三根電動推拉桿，采用中間布置主推力電動推拉桿，兩側為從動推拉桿，電機安裝在中間的電動推拉桿上，通過減速箱的傳動將兩側的從動推拉桿同步動作，最終達到同步推拉的效果。電動推拉桿的尾部用鉸支的連接方式固定在框架上，另一端齒輪箱體與滑軌的內管通過推出角鋼相連接，當電動推拉桿動作時，承載滑軌內管同步伸縮。

圖4 傳動裝置的示意圖

3.3.2 電動推拉桿的結構設計

從創立之初至今的25年間，利豐雅高順應市場潮流，兼具開拓者與追隨者的特性，在發展過程中，做出了兩次大的戰略決策。

電動推拉桿是重載型橫向擴展機構的動力部件，分別由中間電動推拉桿和兩側電動推拉桿組成。此三處電動推拉桿是絲桿套接結構，由電機帶動齒輪轉動，頂出絲桿，以此達到該機構向外橫向擴展的功能。

中間電動推拉桿的結構如圖5所示，兩側從動電動推拉桿的結構如圖6所示。

電動推拉桿的工作原理為：動力源為帶減速箱的直流電機，電機通電轉動，經減速箱的減速帶動等比錐齒的轉動，通過等比直角錐齒的換向使主動轉軸轉動，又經一對等比錐齒的換向使滾珠絲桿的轉動，絲桿與螺母間的傳動實現了電動推拉桿的伸縮。從動桿上的動力是由主動轉軸通過傳動軸傳遞的。

3.3.3 傳動機構的設計計算

傳動機構要求電源電壓為DC24V，選用直流有刷電機，配減速器，電機選型為Z5D120-24，功率為120 W，空載轉速為3 200 r/min，額定負載轉速為2 600 r/min，額定滿載電流為7.0 A，電機轉矩為0.441 Nm，電機選配行星減速器型號為5GU18KB，減速比為1:18，錐齒輪為等比直角齒，故減速比為1，錐齒輪只做換向用。

圖5 中間電動推拉桿結構

圖6 兩側電動推拉桿結構

滾珠絲桿傳遞的額定力矩下，電動推拉桿的推拉力的計

又由:

式中，M絲桿為傳遞至滾珠絲桿上的扭矩，Nm； F推力 為電動推拉桿最終形成的推拉力，N；P為滾珠絲桿的導程，mm；η為滾珠絲桿的機械效率，一般取值0.9； T電機為電機的轉矩，N·m； u為減速箱的減速比。

計算可得， M絲桿=7.938 Nm，電動推拉桿的額定推拉力約為8 900 N。

電動推拉桿的推出速度的計算公式為:

故推拉桿的推拉速度V推出=P×V絲桿=12 mm/s。

3.4 控制器的設計

重載型橫向擴展機構控制器采用8051單片機編程[3]，控制穩定、高效、方便、可靠。

3.4.1 采用行程開關限位

限位擋圈固定在電動推拉桿的外管上，因推拉桿固定于角鋼上，推拉桿在動作時外管隨角鋼的移動而伸縮，實現限位的目的。限位的布置如圖7所示。

圖7 行程開關限位的布置

3.4.2 控制的邏輯

控制的邏輯如圖8所示，伸出開關和縮回開關為同一個船型開關。操作步驟為，打開電源開關，按下開關的伸出鍵，電機轉動推拉桿伸出，推拉桿伸展至伸出限位時停止，如果限位沒有給控制箱信號，機構堵轉保護；按下縮回開關機構縮回，縮回至原位即縮回限位器起作用，邏輯與開關信號相同。

圖8 控制的邏輯圖

4 技術難點及創新

4.1 整合零部件模塊化配置

起初的樣品制作是散件，部件分別安裝在對方單位的車架上，但是經過幾次的安裝調試發現了安裝上的許多問題，最主要的問題是散件安裝在車上后往往會因為精度問題配合不好，裝出來的機構經常有很大的噪音，更甚者推桿與滑軌之間直接卡住，導致電機燒壞、機構損壞等諸多故障。經協調，在車架上加裝一個框架，保證各個機構之間運行順暢，且安裝省時省力，提高了安裝質量，安裝調試也更加方便。

4.2 推桿的同步

在設計之初，采用一推桿一從動推桿的安裝布置，由于兩推桿之間的中心距較短，相對于承載滑軌的位置是不對稱的。導致機構在運行中出現左右兩側推出不同步，經常是一邊合縫，一邊還未關合；此外機構在運行過程中還出現抖動、噪音等問題。因此在后面的重載型橫向擴展機構設計制造中采用的是三推桿形式，中間推桿作為主動推桿，兩側推桿從動，推桿的布置盡量保持結構上的對稱，這樣就實現了擴展倉的同步穩定擴展。

4.3 機構自鎖性

第一次樣品測試時，發現重載型橫向擴展機構在車輛的運輸過程中會出現震動和左右傾斜的現象，時間久了之后，擴展倉會因外力的作用慢慢滑出，不能自鎖，影響了使用的安全。分析原因發現是由于推桿采用滾珠絲桿傳動，滾珠絲桿不能自鎖，受震動等外力因素的作用導致擴展倉易松動拓出，因此在推桿內部加裝扭力彈簧增加回旋的阻力，同時利用電機齒輪的阻力，兩阻力相加實現推桿機構的相對自鎖。

5 結語

為檢驗重載型橫向擴展機構的穩定性及其耐久性，進行了仿真模擬測試，對各零部件的使用壽命進行整體性配合試驗。試驗方法為每10 min進行一次循環，對每項測試結果進行記錄，保證其800次的壽命。試驗結果表明，該重載型橫向擴展機構的穩定性及其耐久性均滿足設計要求，可用于房車、方倉等設備的橫向空間的擴展，具有廣泛的應用前景。