螺旋軌道輸送技術的工程應用研究

楊 恊 王 健 許寧萍 王 浩 上官波波

（南通理工學院，南通 226002）

螺旋軌道輸送技術利用螺桿旋轉推動掛在其上的吊架（物料載具）移動實現物料輸送，具有結構簡單、可靠、成本低、運動平穩、噪聲低、占用空間小的特點，可將螺旋傳動用于各類吊架（或類似物料）的輸送，具有廣闊的市場應用前景[1]。

1 螺旋軌道輸送技術原理及傳動計算

1.1 螺旋軌道輸送技術原理

圖1顯示了螺旋軌道輸送技術原理。吊架懸掛在螺旋軌道上，螺旋軌道正反轉推動吊架左右移動，吊架根據輸送物料的不同設計不同的裝載結構。與現有的螺旋輸送機相比，它的螺桿螺紋不僅提供推力，而且是吊架運動的導軌。與螺旋輸送機相比，它無需料槽、料管等其他部件。與螺紋傳動相比，它用吊架取代了螺母，簡化了結構，使得吊架在螺桿上可自由裝卸，便于吊架在不同軌道上的轉移。此外，螺桿螺紋的螺距沒有精度要求，同一螺桿上可有不同的螺距。

1.2 螺旋軌道輸送技術的傳動計算

1.2.1 輸送速度

設螺桿的螺距為L，轉速為n，則吊架的移動速度v為[2]：

從式（1）可知，螺旋軌道輸送速度與螺桿轉速和螺距有關。當一個螺旋軌道采用不同螺距時，即可實現螺桿在固定轉速下實現不同的輸送速度，進而滿足同一生產線上不同的工藝要求。

1.2.2 動力計算

螺旋軌道只限制了吊架的1 個自由度，即垂直方向的移動自由度。吊架在移動過程中與推動其前進的螺紋之間的接觸不穩定，可能是線接觸，也可能是點接觸，呈現的是斷斷續續的接觸。螺紋傳動中螺母和螺桿的螺距相同，有配合要求，螺母的5 個自由度被限制。傳動過程中，螺桿和螺母重合部分的螺紋始終保持穩定的接觸，摩擦面大，所以螺旋軌道傳動比普通的滑動螺旋傳動的摩擦阻力小，效率高。吊架受到的推力大小等于螺桿的軸向力F，計算公式為[3]：

式中：F為螺桿軸受到的軸向壓力，N；T為螺桿所受轉矩，N·mm；Ψ為螺紋升角，°；ρv為摩擦副的當量摩擦角；d2為螺紋中徑。顯然，在轉矩相同的情況下，摩擦副表面越光滑，螺紋升角越小，吊架獲得的推力越大。

2 螺旋軌道輸送技術工程應用的關鍵問題

2.1 生產線的布局形式

懸掛式輸送可廣泛應用于工業生產、倉儲物流以及醫療民用等領域。螺旋軌道輸送技術更適合用于懸掛生產線。螺旋軌道既是導軌又能提供前進推力，且吊架取放方便，使其在生產線布局上更為簡捷、靈活，便于實現吊架在不同軌道之間的轉換，極大地拓展了生產線的工藝能力。平面生產線主要有直線布局、環形布局、平行布局和組合布局4 種典型的布局形式[4]。其中：直線布局生產線由一根軌道組成，可以實現物料的雙向輸送；環形布局生產線由兩根螺旋直軌道和兩根彎軌道組成，可以實現物料在環形軌道內的循環輸送；平行布局生產線由兩個或以上的直軌道組成，且各軌道間可以實現吊架的轉移；組合布局是指環形軌道與環形軌道、環形軌道與直線軌道的組合，且各軌道間可以實現吊架的轉移，具有更大規模的生產線工藝能力。

2.2 生產線的結構設計

2.2.1 動力輸入

螺旋軌道生產線的動力輸入主要有內置電動滾筒、齒輪傳動和帶傳動3 種形式[5]。

（1）內置電動滾筒。直接在電動滾筒表面增加螺紋或電動滾筒固定在螺旋軌道孔內，可應用于直線布局。電動滾筒置于軌道一端或兩端，軌道較短。

（2）齒輪傳動。電機通過齒輪與螺桿上的同軸齒輪嚙合，結構緊湊，對安裝要求較高，可實現多電機動力輸送[2]，能用于輸送距離較大的生產線。

（3）帶傳動。優先采用同步帶傳動，如圖2 所示，布置靈活，安裝方便，傳動效率高，吊架跨越同步帶時阻力小，對吊架的運行姿態影響小，也可實現多電機動力輸送，能用于輸送距離較大的生產線。

2.2.2 螺旋軌道安裝及軌道間的連接

螺旋軌道對螺紋節距精度要求不高，相連接的軌道螺紋有微小錯位不影響使用。軌道軸向串聯安裝比較方便，可做成標準單元，也可根據安裝空間任意截取所需軌道長度。圖3 為兩根串聯軌道與固定支架的連接，通過花鍵實現兩根串聯軌道的同步轉動。

2.2.3 螺紋斷口的設計要求

根據輸送距離的長短，螺旋軌道可單根使用和多根串聯使用。由于安裝和串聯連接，螺旋軌道會有若干螺紋斷口，斷口有一定寬度且沒有螺紋。吊架是依靠螺紋旋轉產生持續不斷的軸向推力前進的，因此在斷口處吊架會瞬時失去前進動力，導致吊架卡在斷口處不能前后移動，這是影響螺旋軌道應用的關鍵問題。通過實驗發現，以下3 個方法可以確保吊架通過缺口[6]。第1 種方法，依靠慣性通過。吊架運行達到一定速度后，在斷口處能依靠慣性滑過，輸送的物料密度大且空氣阻力小容易滑過斷口，甚至在軌道斜置吊架爬坡上行時也能暢通無阻。當輸送的物料密度小、體積大、阻力大或物料間容易出現干涉等情況時，吊架依靠自身慣性滑過斷口的可靠性大大下降。第2 種方法，依靠輔助動力通過。吊架到達斷口時，通過輔助裝置推動其通過斷口，其可靠性與輔助裝置有很大關系。第3 種方法，保持吊架正確的運行姿態。吊架移動時理想的運行姿態是其上的掛鉤與螺旋軌道螺紋平行，掛鉤與斷口的夾角約等于螺旋升角，即可通過斷口。

2.2.4 懸掛式環形生產線的設計

環形生產線可節省空間，增加生產線工藝能力。根據空間布局，環形生產線可分為平面式和懸掛式兩種[7]。懸掛式主要采用吊頂式安裝方式，也可使用支架式安裝方式，可在三維空間實現輸送。它既能充分利用空間，又可以與地面的作業配合，所以一直廣泛應用于大批量生產的現代化工廠[8]。目前，懸掛輸送主要采用鏈式懸掛輸送機和自行小車懸掛輸送系統[9]，但是這兩種輸送技術均存在各自的局限或弱點。鏈式懸掛輸送機運動不平穩，鏈條張緊力大，對機架結構強度要求高，鏈條易磨損斷裂。自行小車輸送系統對軌道的安裝要求高，供電機構復雜，牽引力最大值取決于車輪與導軌面的摩擦力，屬于斷續輸送方式，運輸效率較低[10]。

螺旋軌道輸送生產線環形布局由兩條直軌道和兩端的彎軌道組成，結構簡單，但是彎曲的螺旋軌道無法實現同軸旋轉，因此彎軌道不能使用螺旋軌道。圖4 為交錯式螺旋軌道輸送生產線，彎軌道為光滑不銹鋼管，兩根直軌道交錯布置。彎軌道與直軌道的連接端形成高度差，吊架從直軌道滑落到彎軌道的高端，在重力作用下沿彎軌道滑到低端并滑落到另一根直軌道上，再由直軌道輸送到另一端的彎軌道，如此往復循環完成環形輸送[11]。交錯式螺旋軌道輸送生產線結構簡單、可靠，由于生產線一般比較長，中間的直軌道均水平布置。只需在兩端彎軌道處采用交錯式結構，即可滿足吊架下滑所需的高度差[12]。

3 結語

影響螺旋軌道輸送技術工程應用的關鍵問題如吊架在螺紋斷口位置的通過性、在彎軌道部分的移動、螺旋軌道的連接等已經得到解決。螺旋軌道結構簡單、成本低廉的特點，有助于其獲得進一步的推廣應用。下一步將繼續研究螺旋軌道輸送技術的運行特點，提高其可靠性，做好標準化和模塊化設計，為規模化生產和技術推廣奠定基礎。