帶式輸送機倍增伸縮機構的設計與分析*

王 皓，陳鵬飛

(1.阿拉善職業技術學院 機電工程系，內蒙古 阿拉善 750306；2.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

由于輸送貨物的連續性和高效性，帶式輸送機已經被廣泛應用于工廠等許多貨物堆積場所[1-3]。研究者一直致力于其性能和結構的改造，以提高其貨運效率和不同貨運場所的適應能力。

帶式輸送機工作時，通常是通過電動機或液壓裝置帶動伸縮架進行伸縮，由滾筒帶動輸送帶實現對貨物的運輸。由于伸縮機構的不同，各類帶式輸送機的伸縮效率和外形結構也各有不同，直接決定著帶式輸送機貨運效率和其結構的緊湊性。

國內外現有輸送機的伸縮機構主要采取環繞式、托盤滾筒式和鋼絲纏繞式結構，通過伸縮機構帶動輸送架，逐級伸縮來實現輸送半徑的變化[4]。但環繞式輸送機是通過輸送帶來帶動輸送架的伸縮，使得輸送帶壽命大大降低；且在輸送過程中常出現打滑的現象，造成伸縮效率的降低[5]。而托盤滾筒和鋼絲纏繞式伸縮機構在工作過程中，由于是單純靠鋼絲繩對輸送架進行拖拽，在伸縮過程中只能一級一級地伸出，其伸縮時間較長[6]；且這兩種伸縮機構的體積較大，也會造成帶式輸送機外廓尺寸較大，不能適應棚車等狹長封閉空間的貨物輸送需求。

因此，有研究人員指出，想要進一步提高伸縮機構的伸縮效率和結構緊湊性，需要設計一種能夠使多級伸縮架同時伸縮的伸縮機構；且伸縮機構需盡量置于伸縮架內部，以避免因伸縮機構過大，從而導致帶式輸送機整體尺寸偏大。

因此，筆者在對現有帶式輸送機伸縮結構進行研究的基礎上，提出齒輪齒條機構與滑輪機構相結合的倍增伸縮機構，以達到提高伸縮效率、縮小輸送機外廓尺寸的目的。

1 伸縮機構工作原理

該伸縮機構主要由3個伸縮架、兩組滑輪機構和一組齒輪齒條機構組成。

帶式輸送機伸縮機構如圖1所示。

圖1 帶式輸送機伸縮機構1-一級伸縮架；2-伸縮架前滾筒；3-二級伸縮架；4-伸縮架后滾筒；5-三級伸縮架；6-滑輪；7-鋼絲繩；8-固定齒條；9-小齒輪；10-齒輪箱；11-大齒輪；12-伸縮齒條；13-油缸；14-固定架；15-電動滾筒

第一組滑輪機構負責3個伸縮架的伸出運動，兩個滑輪分別置于二級伸縮架和三級伸縮架頂端，兩條鋼絲繩繞過兩個滑輪且兩端分別與一級伸縮架、三級伸縮架末端和二級伸縮架、固定架末端連接；第二組滑輪機構負責3個伸縮架的收縮運動，其放置方式與第一組滑輪機構正好相反。

第一組、第二組滑輪機構鋼絲繩繞法如圖2所示。

圖2 鋼絲繩繞法示意圖1-一級伸縮架；2-二級伸縮架；3-三級伸縮架；4-固定架

第三級伸縮架與液壓裝置之間通過齒輪齒條機構連接。工作時，液壓裝置提供動力，通過齒輪齒條機構帶動第三級伸縮架伸出；與此同時，一級伸縮架和二級伸縮架在第一組滑輪機構的作用下伸出，繼而實現了3個伸縮架同時伸出的目的。

同理，收縮時3個伸縮架在第二組滑輪機構的作用下進行同步收縮。齒輪齒條機構可將液壓桿輸出的直線運動轉化為輸送架的伸縮運動，兩個滑輪組機構使每一級伸縮架相對下一級伸縮架以2倍速率進行伸縮，大大縮減了伸縮時間，提高了伸縮效率。

現假設在伸縮架伸出過程中，液壓裝置活塞桿行程為X(m)，滿行程時第三級伸縮架可伸出2X(m)，在第一組滑輪機構的牽引下，第二級伸縮架和第一級伸縮架分別相對第三級伸縮架和第二級伸縮架伸出2X(m);

同理，在收縮過程中，第一級伸縮架和第二級伸縮架分別相對第二級伸縮架和第三級伸縮架以2倍速率收縮。

由此可知，該伸縮機構在液壓裝置的推動下，可實現3個伸縮架的同時伸縮，且總伸縮量達到活塞桿行程的6倍，實現了倍增伸縮的目的。

2 伸縮機構設計

2.1 伸縮機構虛擬建模

筆者運用Pro/Engineer軟件對帶式輸送機伸縮機構進行建模[7]。

伸縮機構虛擬樣機模型如圖3所示。

圖3 伸縮機構虛擬樣機模型

2.2 伸縮機構的運動分析

筆者對伸縮機構進行運動分析，目的在于驗證該機構是否能夠實現所需運動形式。

根據設計要求，每級伸縮架的伸縮長度應不小于1.5 m。由于3個伸縮架可實現同步移動，只要分析第3級伸縮架下齒條的運動規律，便可以得到3個伸縮架的運動規律[8]。

根據設計要求，貨物運輸形式為先加速后勻速再減速，單程運行時間為9 s，加速度為90 mm/s2。

筆者將簡化后的模型導入ADAMS軟件，并添加運動副，驅動轉速為40 r/min；在齒輪齒條之間添加接觸力，可得到位移、速度、接觸力變化曲線。

其中，位移變化曲線圖如圖4所示。

圖4 位移變化曲線圖

速度變化曲線圖如圖5所示。

圖5 速度變化曲線圖

接觸力變化曲線圖如圖6所示。

圖6 接觸力變化曲線圖

通過分析以上帶式輸送機倍增伸縮機構運動曲線圖可知：

(1)第三級伸縮架的伸縮長度可達1.75 m，大于1.5 m；(2)速度曲線滿足先加速后勻速再減速的運動形式，且運動過程比較平順；(3)從接觸力變化曲線可以看出，扭矩呈現周期性變化，通過計算可知，其峰值在機構強度范圍內。

由此可見，該伸縮機構的位移、速度和接觸力指標均滿足設計要求。

2.3 伸縮機構的動態特性分析

筆者簡化虛擬模型部件，并運用ANSYS軟件進行動態分析[9，10]。對伸縮機構進行動態特性分析的目的是為了驗證伸縮機構的強度是否滿足使用要求[11，12]。

此處選定機構材料為40Cr，其許用應力為[σ]≥785 MPa。筆者對伸縮機構進行受力分析，第一至三級伸縮架受滾動摩擦力為F1、F2、F3，拉力為N1、N2，齒條受力為F。

通過計算可知，3個伸縮架質量分別為m1=214 kg,m2=485 kg,m3=714 kg，設滑動摩擦系數u=0.1，取重力加速度g=10 N/kg。最終得到施加在齒條上的力F=2 541 N。

接下來分析模型類型，并添加載荷，以得到大齒輪、小齒輪和齒輪軸的應力、應變分布圖。

大齒輪應力分布如圖7所示。

圖7 大齒輪應力分析

大齒輪應變分布如圖8所示。

圖8 大齒輪應變分析

小齒輪應力分布如圖9所示。

圖9 小齒輪應力分析

小齒輪應變分布如圖10所示。

圖10 小齒輪應變分析

根據以上分布圖可知：大齒輪應力峰值為309 MPa，受力變形峰值為0.23 mm，分布在齒輪頂部；小齒輪應力峰值為140 MPa，受力變形值為0.12 mm，分布在齒輪頂部；齒輪軸應力峰值為31.6 MPa，受力變形峰值為0.1 mm，分布在齒輪軸中段。

通過分析上述大齒輪、小齒輪和齒輪軸的應力應變分布可知：各重要部件受力均小于許用應力，考慮到各部件尺寸及運動行程，變形量可忽略不計，因此，可判定其滿足輸送機伸縮機構強度要求。

3 實驗及結果分析

3.1 實驗過程

為了驗證該設計的合理性，筆者在蘭州市貨運火車站進行了貨運試驗。

裝載對象為P70型號棚車，車廂總長L=16 000 mm，車廂高(不含弧頂)H=2 800 mm，車廂寬度B=2 800 mm；一節P70車廂可裝載約900袋50 kg的物品；貨物選擇50 kg水泥，裝載過程中，每袋水泥裝載間隔約為5 s。

通過實地測量，搭載該倍增伸縮機構的帶式輸送機第一級伸縮架長度為1 600 mm，第二級伸縮架長度為1 800 mm，第三級伸縮架長度為1 950 mm，油缸行程為1 000 mm，帶式輸送機實際外廓尺寸為2 510 mm×1 100 mm×610 mm。

當3個伸縮架完全伸出情況下，第一級伸縮架相對第二級伸縮架伸出長度約為1 400 mm，第二級伸縮架相對第三級伸縮架伸出長度約為1 560 mm，第三級伸縮架相對固定架伸出長度約為1 680 mm，帶式輸送機整體展開長度達到7 140 mm。

在帶式輸送機伸長過程中，第一級伸縮架完全伸出約用時8 s，第二級伸縮架完全伸出約用時11 s，第三級伸縮架完全伸出約用時11 s，3個伸縮架幾乎同時完成伸出作業；在收縮過程中，第一級伸縮架完全收回約用時12 s，第二級伸縮架完全收回約用時10 s，第三級伸縮架完全收回約用時10 s，3個伸縮架幾乎同時完成收縮作業。

在貨運實驗過程中，共裝載50 kg水泥200袋，2人裝載總用時16 min，經換算，裝載一節車廂貨物用時約為72 min。而根據一般經驗，人力裝載一節車廂貨物需6人4 h完成，叉車裝載一節車廂貨物需3人3 h完成，現有帶式輸送機需2人2 h完成。

按每列火車搭載60節P70車廂，工作時間8 h/d計算，不同方式裝載一列火車用時情況如表1所示。

表1 不同方式裝載一列火車時間對比(單位：d)

3.2 實驗結果分析

3.2.1 裝載效率

實驗數據是在設備運行穩定的情況下測得的。通過實驗數據可知：搭載倍增伸縮機構的帶式輸送機的伸縮時間略長于設計時間9 s，考慮到機械設備齒輪齒條等傳動部件運行過程中存在反向間隙的因素，因此判定伸縮時間符合設計要求。

通過數據對比可知，搭載倍增伸縮機構的帶式輸送機裝載一列火車的時間比現有帶式輸送機少8 d，裝載效率可提高40%。

3.2.2 結構緊湊性

參照現在市面上某款P系列可伸縮帶式轉向裝卸機，其外廓尺寸為3 300 mm×1 500 mm×1 100 mm，整機展開長度為6.5 m；而搭載了倍增伸縮機構的帶式輸送機比該可伸縮帶式裝卸機體積減小近31%，且整機展開長度可達到7.14 m,增加近10%，可見其結構緊湊性得到了明顯提升。

4 結束語

在對國內外現有帶式輸送機伸縮機構存在問題進行分析的基礎上，筆者提出了滑輪組機構和齒輪齒條機構相結合的倍增伸縮機構；通過對伸縮機構進行運動分析和動態特性分析，得到了作業過程中伸縮機構的運動特性和伸縮機構重要受力部件的應力、應變分布情況；對照設計要求，對伸縮機構伸縮運動和強度進行了分析；

筆者對帶倍增伸縮機構的帶式輸送機進行了實驗。通過實驗，測得了該倍增伸縮機構可使帶式輸送機貨運效率提升了40%，外廓尺寸縮小了近31%。

研究結果表明：該伸縮機構伸縮過程平穩，強度滿足設計要求，和現有帶式輸送機伸縮機構相比，倍增伸縮效果明顯，伸縮效率和結構緊湊程度方面都有明顯提升，可為狹長封閉空間輸送貨物用帶式輸送機的設計提供參考。