殷洪霞

（中冶東方工程技術(shù)有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014010）

2006年底包鋼軌梁廠配套建設(shè)“型鋼加工線”，其所用的惠斯頓移鋼機(jī)是編組區(qū)重要的傳輸設(shè)備，見(jiàn)圖1和圖2?；菟诡D移鋼機(jī)的功能是把運(yùn)輸輥道上過(guò)來(lái)的型鋼托起放在鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)上，其主要機(jī)構(gòu)就是惠斯頓杠桿，目前在許多工程中都在使用這一機(jī)構(gòu)，本文的目的是分析其結(jié)構(gòu)、工作原理、對(duì)這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)、制造、安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)做一論述，為以后的改進(jìn)、優(yōu)化提供理論依據(jù)，為施工現(xiàn)場(chǎng)提供一些借鑒。

1 惠斯頓杠桿結(jié)構(gòu)

惠斯頓杠桿（如圖3），由張緊裝置、配重、活動(dòng)鏈輪、托盤、保護(hù)罩等共同組成轉(zhuǎn)臂裝置（如圖4），然后轉(zhuǎn)臂裝置和轉(zhuǎn)軸用鍵固接在一起，這樣轉(zhuǎn)臂裝置能隨著轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其次固定鏈輪和轉(zhuǎn)軸空套，焊接在軸承座上。目的是使固定鏈輪相對(duì)地面靜止。最后鏈條把活動(dòng)鏈輪和固定鏈輪連接起來(lái)，形成惠斯頓杠桿。在轉(zhuǎn)臂裝置中，活動(dòng)鏈輪和托盤與小軸以鍵剛性聯(lián)結(jié)形成一個(gè)整體，這個(gè)整體再通過(guò)軸承和轉(zhuǎn)臂裝置活動(dòng)聯(lián)結(jié)。

2 惠斯頓杠桿的工作原理

圖1 惠斯頓移鋼機(jī)主視圖

惠斯頓杠桿的左側(cè)是鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)，右側(cè)是型鋼的運(yùn)輸輥道，它的初始位置在輥道的下面，當(dāng)型鋼在輥道上停下時(shí)，惠斯頓杠桿的轉(zhuǎn)軸在電機(jī)、減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)托盤托起型鋼，在固定鏈輪和活動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比等于1的條件下以及鏈條的拉力控制下，托盤會(huì)保存初始的水平狀態(tài)隨著轉(zhuǎn)臂做圓周軌跡的平動(dòng)，實(shí)際上托盤就像行星一樣，既隨著轉(zhuǎn)臂作公轉(zhuǎn)，又有自己的自轉(zhuǎn)。托盤的這兩種運(yùn)動(dòng)相互抵消即得到了平動(dòng)。當(dāng)托盤轉(zhuǎn)到左側(cè)的鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)上時(shí)，型鋼就被放在了上面，此時(shí)惠斯頓杠桿繼續(xù)沿逆時(shí)針空轉(zhuǎn)到輥道的下面，即上個(gè)動(dòng)作的起始點(diǎn)。這時(shí)惠斯頓杠桿就完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。

圖2 惠斯頓移鋼機(jī)左視圖

圖3 惠斯頓杠桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)臂裝置三維圖

3 設(shè)計(jì)惠斯頓杠桿時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 固定鏈輪和活動(dòng)鏈輪齒數(shù)相等

從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)分析，首先轉(zhuǎn)軸在電機(jī)帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)速ωe轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂裝置與轉(zhuǎn)軸由鍵剛性聯(lián)結(jié)，故轉(zhuǎn)臂裝置也以轉(zhuǎn)速ωe轉(zhuǎn)動(dòng)，即托盤的牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，又因?yàn)橥斜P以一個(gè)小軸通過(guò)軸承與轉(zhuǎn)臂裝置活動(dòng)聯(lián)結(jié)，所以，托盤相對(duì)于轉(zhuǎn)臂裝置以角速度ωr相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即托盤的牽連運(yùn)動(dòng)也為轉(zhuǎn)動(dòng)。由理論力學(xué)的知識(shí)：剛體繞兩個(gè)平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)合成的結(jié)論：當(dāng)ωe和ωr等值而反向時(shí)剛體繞瞬時(shí)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ωa＝0，即當(dāng)剛體以同樣大小的角速度同時(shí)繞兩個(gè)平行軸而反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，剛體的合成運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)［1］，所以，只要使托盤相對(duì)角速度和牽連角速度大小相等方向相反即ωr＝-ωe，就能保證托盤作平動(dòng)。因?yàn)榛顒?dòng)鏈輪與托盤在同一小軸上固接，所以，活動(dòng)鏈輪相對(duì)于轉(zhuǎn)臂裝置的角速度也是-ωe，由前面結(jié)構(gòu)可知，固定鏈輪相對(duì)于轉(zhuǎn)臂裝置的角速度是-ωe。根據(jù)齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算公式：

由上面論述可知

設(shè)固定鏈輪的齒數(shù)為Z1，活動(dòng)鏈輪的齒數(shù)為Z2，所以Z1＝Z2，即固定鏈輪和活動(dòng)鏈輪的齒數(shù)相等

3.2 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律

惠斯頓杠桿的力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖5所示，坐標(biāo)系X OY取在轉(zhuǎn)軸的中心O1，轉(zhuǎn)軸的曲柄長(zhǎng)度為R，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)角度為θ，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為ω，與托盤固結(jié)的連桿AO2的長(zhǎng)度為h，設(shè)托盤上與鋼材的接觸點(diǎn)為A點(diǎn)，建立點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)方程為

由（1）（2）兩式得

由（3）式可知質(zhì)點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)軌跡是以（0，h）為圓心，以R為半徑的圓。對(duì)質(zhì)點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)分析如圖5，由于質(zhì)點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)軌跡是以（0，h）為圓心，以R為半徑的圓，設(shè)質(zhì)點(diǎn)A的絕對(duì)轉(zhuǎn)速為ωA，則質(zhì)點(diǎn)A的絕對(duì)速度為νa＝ωA×R，另外，點(diǎn)A的速度從合成運(yùn)動(dòng)來(lái)分析，其牽連運(yùn)動(dòng)是以轉(zhuǎn)軸中心O1為圓心，轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω，半徑為L(zhǎng)的圓周運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)A點(diǎn)的牽連速度為νe＝ωe×L，點(diǎn)A的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是以鉸鏈O2為圓心，轉(zhuǎn)速為ωr，半徑為h的圓周運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)A點(diǎn)的相對(duì)速度為νr＝ωr×h

由點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)可知：

在A點(diǎn)建立另一個(gè)坐標(biāo)系X1AY1，對(duì)（4）式在軸Y1A取投影又由圖中幾何關(guān)系得

由（5）式可知由電機(jī)、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω和質(zhì)點(diǎn)A的絕對(duì)轉(zhuǎn)速ωA相同。即轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律由鋼材實(shí)際運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律決定的。而實(shí)際上希望鋼材在起始點(diǎn)被托盤慢速托起，再加速、勻速、減速、再慢速把鋼材放下，那么要求轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω也應(yīng)該是這樣變化的。實(shí)際工作中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速ω是按接近于正弦規(guī)律變化的如圖6。

圖5 質(zhì)點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)分析圖

圖6 轉(zhuǎn)軸速度圖

3.3 鏈條拉力

鏈條的拉力為托盤始終做平動(dòng)提供了一定的動(dòng)力來(lái)源?；菟诡D杠桿的簡(jiǎn)化模型如圖5所示，坐標(biāo)系XOY取在轉(zhuǎn)軸的中心O1，轉(zhuǎn)軸的曲柄長(zhǎng)度為R，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)角度為θ，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為ω，與托盤固結(jié)的連桿AO2的長(zhǎng)度為h，設(shè)托盤上鋼材的質(zhì)點(diǎn)為A點(diǎn)，由（3）（4）兩式求二階導(dǎo)數(shù)可得質(zhì)點(diǎn)A的加速度如（6）（7）兩式

圖8 部件受力分析圖

再對(duì)質(zhì)點(diǎn)A受力分析如圖7所示，質(zhì)點(diǎn)A受到托盤對(duì)它的支持力N、摩擦力f和本身的重力G＝mg，由牛頓第二定律得

下面以小軸BO2、托盤（包括托盤下面的連桿O2A）、活動(dòng)鏈輪組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)它進(jìn)行受力分析如圖8所示，由前面敘述可知，托盤及其固結(jié)的連桿O2A在惠斯頓杠桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終做平動(dòng)，活動(dòng)鏈輪、連桿O2A、托盤與小軸BO2以鍵固結(jié)，所以活動(dòng)鏈輪和小軸BO2都做平動(dòng)。平動(dòng)就說(shuō)明，圖8組成的系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于慣性系沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，故所有力對(duì)小軸BO2取矩得

從而推出

式中f—托盤對(duì)鋼材摩擦力的反作力；

N—托盤對(duì)鋼材支持力的反作用；

FO2X、FO2Y—鉸鏈對(duì)O2點(diǎn)的作力；

FBX、FBY—軸承對(duì)B點(diǎn)的作用力；

F—鏈條對(duì)鏈輪的拉力；

r—鏈輪的分度圓半徑。

由上式可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角規(guī)律確定后，鏈條的拉力和鋼材的質(zhì)量m、轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度R、托盤下面的連桿長(zhǎng)度h以及活動(dòng)鏈輪的分度圓半徑r有關(guān)。當(dāng)運(yùn)送的鋼材一定時(shí)，可以縮短托盤下面的連桿，縮短轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度、加大鏈輪來(lái)減小鏈條的拉力。

圖7 質(zhì)點(diǎn)A受力分析

3.4 轉(zhuǎn)軸臨界速度

轉(zhuǎn)軸的臨界速度就是使質(zhì)點(diǎn)A不脫離托盤時(shí)轉(zhuǎn)軸的最大速度，所以這也是設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的。從質(zhì)點(diǎn)A的受力圖7可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到90°時(shí)是臨界點(diǎn)，這時(shí)要滿足下式成立

4 安裝時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

4.1 托盤無(wú)法調(diào)平

原因是先把固定鏈輪定位，裝好鏈條，然后調(diào)托盤，這樣特費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難調(diào)平，正確的安裝順序是，在固定鏈輪沒(méi)定位之前調(diào)平托盤，然后再固定好固定鏈輪的位置。

4.2 鏈輪的輪齒被咬壞或張緊輪被扭曲

原因是活動(dòng)鏈輪、固定鏈輪、張緊輪三者沒(méi)在一條線上，致使鏈條受力不在一個(gè)面上，鏈輪或張緊輪的受力也不在徑向上，所以，鏈輪的輪齒被咬壞，或者張緊輪被扭曲。解決的辦法是使固定鏈輪用螺栓與軸承座可調(diào)聯(lián)結(jié)，當(dāng)調(diào)好時(shí)再鎖死。另外，三個(gè)輪子的軸向定位要牢固，保證其在工作中不竄動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的觀點(diǎn)闡述了設(shè)計(jì)惠斯頓杠桿時(shí)注意的幾個(gè)關(guān)鍵處，惠斯頓杠桿在機(jī)械行業(yè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是在其原理的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的延伸或改進(jìn)，設(shè)計(jì)出更適合實(shí)際應(yīng)用的機(jī)構(gòu)，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

［1］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1997.

［2］肖永力著.惠斯頓杠桿的研究.重型機(jī)械，1995（1）：19～21.