具有旋擺功能變幅小車自動變倍率系統的研究

李 斌，張浩然

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

研究裝配式建筑專用塔機，需要解決具有旋擺功能的變幅小車與吊鉤滑輪組之間的自動變倍率技術問題。具有旋擺功能的變幅小車下部的旋擺橫梁與起升橫梁都是梁體結構，且長度較大，現有的小車與吊鉤滑輪組自動變倍率技術已無法滿足這一系統的需要。本文研究一種與之相適應的自動變倍率系統，使之能夠實現二倍率與四倍率自動變換（圖1）。

圖1 旋擺小車示意圖

1 自動變倍率系統的組成及工作原理

具有旋擺功能的變幅小車變倍率系統主要是由旋擺橫梁、變倍率滑輪裝置和起升橫梁3個部分組成。倍率變換主要取決于變倍率滑輪架是與旋擺橫梁相連還是安置于起升橫梁上。自動變倍率是指當變倍率滑輪架安置于起升橫梁上時，起升橫梁在起升鋼絲繩的驅動下上升到一定高度，變倍率滑輪架就自動與旋擺橫梁相結合，而在起升橫梁下降時變倍率滑輪架則留在旋擺橫梁上，形成四倍率工作狀態。而當需要二倍率工作時，起升橫梁上升到與變倍率滑輪架相結合后，再繼續上升一小段高度，則變倍率滑輪架就自動與旋擺橫梁脫離，并隨著起升橫梁的下降而下降，此時起升系統形成二倍率工作狀態。

變倍率滑輪裝置與旋擺橫梁的自動結合或脫離利用的是具有擺動功能的鎖叉與旋擺橫梁鎖定軸來實現的。圖2是旋擺橫梁構造的示意圖，其中推動板在扭簧的作用下繞銷軸壓在擋銷上，只有在其能夠克服扭簧的作用力時才能夠繞銷軸順時針轉動。變倍率滑輪裝置的構造如圖3所示，鎖叉可以繞鎖叉軸1自由轉動，鎖叉的叉腿一側長，另一側短。圖4是起升橫梁。

圖2 旋擺梁構造

圖3 變倍率滑輪裝置

圖4 起升橫梁

變倍率滑輪裝置在進行變倍率過程中，是由起升橫梁驅動進行的，在二倍率狀態時，變倍率滑輪裝置可以不加裝，也可以處于圖1(b)的狀態，在圖1(b)的狀態下，變倍率滑輪裝置下部的兩組凹槽都卡坐在起升橫梁預留的定位軸上，以保證變倍率過程中變倍率滑輪處于相對固定的位置，以確保其頂部能夠準確進入如圖2所示的擋銷和鎖定軸之間，以實現鎖叉能夠與鎖定軸的鉤掛或脫出。

如圖5(a)所示位置，鎖叉與鎖叉推動板接觸，隨著變倍率滑輪裝置的繼續上升，由于鎖定軸的限定，鎖叉迫使鎖叉推動板順時針轉動，直到變倍率滑輪裝置上升到圖5(b)所示的臨界位置時，鎖叉的短叉腿不受鎖定軸約束時，在鎖叉推動板作用下，鎖叉逆時針擺動，使長叉腿靠到鎖定軸上，如圖5(c)所示，如果在此狀態下，起升橫梁下降，則鎖叉叉口卡到鎖定軸上，使變倍率滑輪裝置固定到旋擺橫梁上，如圖5(d)所示。當起升橫梁繼續下降，則形成圖1(a)所示的四倍率工作狀態。

圖5 變倍率示意圖

當四倍率變換二倍率時，起升橫梁上升到定位軸與變倍率滑輪裝置下部固定槽就位后繼續上升到圖5(3)所示位置，則鎖叉長叉腿開始不受鎖定軸的約束，在鎖叉推動板的作用下使長叉腿超越鎖定軸。此后，當起升橫梁下降時，鎖叉在鎖定軸的作用下發生反轉，并隨著起升橫梁的下降從旋擺梁中抽出，如圖5(f)所示。起升橫梁繼續下降，就形成了圖1(b）所示的二倍率工作狀態。

2 鎖叉工作的力學原理分析

要使變倍率滑輪裝置能夠順利實現上述功能，需要滿足條件:①鎖叉反向驅動推動板時不發生自鎖；②驅動推動板的扭轉彈簧能提供適當的扭矩，在接觸點處接觸力最小的條件下，能夠保證鎖叉轉動到位，與鎖定軸分離。

2.1 鎖叉與推動板不發生自鎖的條件

如圖6所示，當鎖叉上行時，要反向擠壓推動板轉動，需要克服彈簧的扭矩Mt和兩者之間沿接觸點公切線滑移的摩擦阻力，推動板轉動時在轉軸上產生的摩擦力矩，對于推動板自重的影響可以忽略。

圖6 鎖叉與推動板接觸關系簡圖

則依據圖6可得

式中：F為接觸點處鎖叉對推動板作用的合力；Mt為扭簧在推動板所在位置時的扭矩；d為推動板銷軸直徑；m為推動板與銷軸之間的摩擦系數；r為推動板銷軸軸心到合力F作用線的距離。

合力F作用的作用方向是接觸點處的公法線與推動板銷軸軸心到接觸點的連線的夾角g減去摩擦角b所形成的方向。一般狀態下，鋼對鋼的滑動摩擦系數是0.15，摩擦角與摩擦系數之間的關系為

在鎖叉上升過程中，一直與推動板相互作用，兩者之間任一點處都存在式(1)的關系，設接觸點到銷軸的距離為k，

則

將式(2)帶入式(1)，則

在設計時為了有一定的富余度，式(4)已改寫為

式(5)中的d、m、g均為已知數，而k也可以在接觸點位確定后成為已知數，則b極限值是可以確定的。

2.2 驅動推動板的扭簧的扭矩設計

驅動推動板的扭簧要保證鎖叉能夠充分偏移，使其長叉腿能夠偏移到鎖定軸的外側，如圖7所示。圖7也是圖5(e)的局部放大，在起升橫梁下降時，由于鎖定軸的阻擋使鎖叉板逆時針旋轉，使得變倍率滑輪裝置能夠順利地從旋擺橫梁中脫出。

圖7 鎖叉脫離鎖定軸位置

依據圖7可得

式中：a和b分別是鎖叉和推動板重心到自身銷軸的水平距離，屬于設計參數；G1和G2分別是鎖叉和推動板的自重，可以由設計確定；L1為鎖叉軸心到推動板與鎖叉接觸點法線的距離；L3為推動板軸心到推動板與鎖叉接觸點法線的距離。

由式(6)可得

由圖7可以看出，推動板處于安裝位置正好滿足將鎖叉推到可以脫離鎖定軸的位置，則此時正好屬于彈簧的預緊力矩，式(7)給出的就是扭簧的預緊力矩。圖8所示為扭簧的最大轉角狀態，其擺角值為Y。此時是扭簧的最大扭矩，也是扭簧在工作時的極限扭轉狀態。在確定了扭簧的扭轉剛度后就可以得到扭簧的最大扭矩。

圖8 推動板最大擺角圖

3 結論

本文給出了一種適合于塔機旋擺小車用的自動變倍系統，敘述了自動變倍率系統的組成和工作原理。建立了變倍率滑輪裝置在變倍率過程中鎖叉相對推動板不發生自鎖的條件。為扭矩彈簧提供了設計參數計算方法。