羅文翠, 王玉虎, 史志成, 劉滿東, 沈建成

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

我國(guó)高速公路快速發(fā)展，通車?yán)锍?、建設(shè)水平已經(jīng)步入先進(jìn)行列，隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量逐年增多，高速公路的通行負(fù)擔(dān)越來越重，公路養(yǎng)護(hù)任務(wù)將更為艱巨[1]。公路維修養(yǎng)護(hù)時(shí)部分路段要封閉管制交通，即在作業(yè)區(qū)外放置交通標(biāo)志，引導(dǎo)車輛的行駛。在維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)，必須要保證行車和作業(yè)區(qū)的安全，在作業(yè)區(qū)外擺放交通路錐或設(shè)置路障以引導(dǎo)車輛的行駛，特別是在高速公路上作業(yè)時(shí)，由于行車速度快，車流量大，更有必要擺放路錐等引導(dǎo)設(shè)施。

目前，國(guó)內(nèi)在公路維護(hù)作業(yè)時(shí)，路錐的擺放與回收均采用人工操作，尚缺少路錐自動(dòng)收放裝置，這種人工擺放和回收的模式，不僅作業(yè)速度慢，而且操作工人直接暴露于危險(xiǎn)的交通環(huán)境下，安全系數(shù)低。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，研究并使用路錐自動(dòng)收放裝置的技術(shù)方面相對(duì)較為成熟[2]，但引進(jìn)成本昂貴。

筆者設(shè)計(jì)的一種車載路錐自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)，由機(jī)械手、水平導(dǎo)軌、輸送帶、液壓缸、齒輪齒條等機(jī)構(gòu)組成。首先根據(jù)庫(kù)內(nèi)的空間確定路錐存放方式，并對(duì)庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)構(gòu)及庫(kù)內(nèi)路錐輸送的原理進(jìn)行分析，確定總體方案。然后對(duì)庫(kù)內(nèi)輸送機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)對(duì)整個(gè)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置。

1 存儲(chǔ)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力裝置、庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)構(gòu)及庫(kù)內(nèi)路錐輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)路錐入庫(kù)存儲(chǔ)及路錐出庫(kù)調(diào)用。

1.1 選擇路錐及放錐方式

路錐存儲(chǔ)系統(tǒng)作為車載路錐自動(dòng)放置與回收系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，其主要功能是配合主系統(tǒng)工作，完成路錐的入庫(kù)存儲(chǔ)自動(dòng)化和出庫(kù)調(diào)用自動(dòng)化，取代傳統(tǒng)的由人工參與的路錐存儲(chǔ)及調(diào)用方式。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用高度700 mm，底盤為340×340 mm的硬質(zhì)PVC材質(zhì)路錐。為保證主系統(tǒng)平穩(wěn)可靠的工作，以及配合所選車型的要求，結(jié)合所選路錐的物理特性，考慮到路錐自動(dòng)出入庫(kù)及存儲(chǔ)空間限制，選用臥式重疊放錐方式，如圖1所示。

圖1 臥式重疊放錐方式

1.2 庫(kù)內(nèi)路錐輸送方案設(shè)計(jì)

庫(kù)內(nèi)路錐輸送由并列的五排輸送帶組成，其目的是配合庫(kù)內(nèi)5錐同抓抓取機(jī)械手工作，實(shí)現(xiàn)路錐自動(dòng)出、入庫(kù)工作，且存錐量大。路錐入庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)，負(fù)責(zé)庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)械手水平移動(dòng)的電機(jī)開始工作，通過齒輪齒條帶動(dòng)庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)械手水平移動(dòng)到抓取路錐的位置，豎直方向移動(dòng)的液壓缸啟動(dòng)，抓取機(jī)械手豎直方向靠近路錐，收到抓取位置的信號(hào)后，機(jī)械手爪開合液壓缸啟動(dòng)，機(jī)械手爪閉合，實(shí)現(xiàn)路錐的抓取；水平移動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，齒輪齒條帶動(dòng)機(jī)械手爪水平移動(dòng)到庫(kù)內(nèi)，完成路錐入庫(kù)，機(jī)械手爪張開，機(jī)構(gòu)上升至初始高度，拖動(dòng)路錐移動(dòng)的傳送帶在動(dòng)力機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下完成路錐的入庫(kù)存儲(chǔ)。

路錐出庫(kù)調(diào)用與路錐入庫(kù)存儲(chǔ)各相關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作動(dòng)作相反，庫(kù)內(nèi)路錐在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下，通過帶錐擋板輸送帶逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)距離，使得一排路錐出庫(kù)，到達(dá)庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)械手抓取位置；庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)械手水平運(yùn)行至適當(dāng)?shù)奈恢?，下移到達(dá)抓取位置，機(jī)械手閉合完成抓取，最后由齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手將路錐抓取至下一工作階段的工作位置，手抓松開，回到初始位置，完成一次路錐的出庫(kù)調(diào)用。

庫(kù)內(nèi)路錐輸送采用液壓馬達(dá)為系統(tǒng)動(dòng)力源，通過一個(gè)雙輸出蝸桿減速器，將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)鏈輪軸上，通過鏈條傳遞至從動(dòng)鏈輪，經(jīng)由從到鏈輪軸為帶擋錐板輸送帶提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)部路錐的輸送過程。存儲(chǔ)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

車載路錐自動(dòng)放置與回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——存儲(chǔ)系統(tǒng)，其主要功能是為了實(shí)現(xiàn)路錐的自動(dòng)存儲(chǔ)與自動(dòng)出入庫(kù)。路錐存儲(chǔ)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)由庫(kù)內(nèi)路錐抓取機(jī)械手、齒輪齒條、導(dǎo)軌、庫(kù)體、路錐支架、路錐擋板、輸送裝置等部分組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)、減速器、鏈輪、鏈條及聯(lián)軸器等組成。輸送機(jī)構(gòu)由托輪、輸送帶組成。

庫(kù)內(nèi)機(jī)械手通過液壓缸作用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪開合進(jìn)而抓取與釋放路錐。庫(kù)內(nèi)路錐抓取機(jī)構(gòu)通過水平方向齒輪齒條和豎直液方向液壓缸來實(shí)現(xiàn)整個(gè)抓取機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)。庫(kù)內(nèi)路錐自動(dòng)抓取機(jī)械手開合角度通過計(jì)算確定和試驗(yàn)確定，開合角度過小會(huì)導(dǎo)致手爪在運(yùn)行過程中碰到路錐，影響抓取動(dòng)作，過大則會(huì)使液壓缸的總體尺寸偏大，或者出現(xiàn)動(dòng)作干涉。存儲(chǔ)系統(tǒng)的庫(kù)體作為各機(jī)構(gòu)的載體，其參數(shù)是存儲(chǔ)系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本方案以東風(fēng)多利卡底盤參數(shù)為基礎(chǔ)，按照動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理布局各部分機(jī)構(gòu)，有效利用空間，防止出現(xiàn)干涉。

3 庫(kù)內(nèi)路錐輸送機(jī)構(gòu)計(jì)算

3.1 鏈輪軸設(shè)計(jì)

在整個(gè)機(jī)構(gòu)中，鏈輪軸起到將液壓馬達(dá)經(jīng)由減速器傳遞出來的動(dòng)力傳遞到工作部分的作用，故軸的類型為傳動(dòng)軸。整套動(dòng)力系統(tǒng)通過減速器、鏈輪鏈條、傳送帶，帶動(dòng)整庫(kù)路錐移動(dòng)，轉(zhuǎn)速3 r/min。

在結(jié)構(gòu)上，考慮到主動(dòng)鏈輪的安裝與定位，對(duì)于鏈輪軸向定位采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的軸肩定位的方式，周向定位則采用鍵連接進(jìn)行扭矩的傳遞；整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的安裝位置位于橫庫(kù)下方的鋁型材上，結(jié)合軸承支座的安裝，設(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主動(dòng)鏈輪軸結(jié)構(gòu)

(1) 鏈輪軸強(qiáng)度校核

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：

式中:dmin為最小軸端直徑;P為軸所傳遞的功率；n為軸的工作轉(zhuǎn)速；A為系數(shù)。

查表幾種常用軸材料的τp及A值表可得，A=110，代入公式有：

dmin=22 mm

校核危險(xiǎn)截面安全系數(shù)S：

式中：Sσ為只考慮彎矩作用時(shí)的安全系數(shù)；Sτ為只考慮扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)；Sp為按疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用安全系數(shù)。查表可得許用安全系數(shù)Sp為1.3～1.5[6]。

式中：Sτ為只考慮扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)；σ-l為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限；τ-l為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限；Kσ、Kτ為彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；εσ、ετ為彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)；ψσ、ψτ為材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)；σa、σm為彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；τa、τm為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。

查表得，σ-l=270，τ-l=155，Kσ=1.90，Kτ=1.70，β=0.95，εσ=0.83，ετ=0.89，ψσ=0.30，ψτ=0.21，σa≈14，σm=0，τa≈45，τm=0，代入式：

Sσ=4.59，Sτ=1.71

將計(jì)算所得Sσ、Sτ值代入下式：

S=1.6≥SP=1.3～1.5

從動(dòng)鏈輪軸材料查軸的常用材料及主要力學(xué)性能表得：選用45鋼，熱處理方式為調(diào)質(zhì)，主要力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 軸的主要力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 語

路錐自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包含了動(dòng)力裝置、庫(kù)內(nèi)抓取機(jī)構(gòu)及庫(kù)內(nèi)路錐輸送機(jī)構(gòu)；庫(kù)內(nèi)路錐輸送由并列的五排橫庫(kù)構(gòu)成，動(dòng)力裝置為其工作提供了源動(dòng)力，抓取機(jī)構(gòu)通過機(jī)械爪與其它構(gòu)件的共同配合完成路錐抓取工作，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上進(jìn)行理論計(jì)算,大大提高了裝置的可靠性,滿足設(shè)計(jì)要求,即完成對(duì)5個(gè)路錐同時(shí)出庫(kù)、入庫(kù)操作，提高了路錐抓取效效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。