小型開啟橋的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃凱　陳茂雙　謝寶玲　鄭靖　李彬

摘 要：文章論述了開啟橋的開啟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，開啟橋開啟部分包括支座設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減速裝置設(shè)計(jì)、滑塊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等四個(gè)方向內(nèi)容。在設(shè)計(jì)過程中開啟裝置為扇形齒樞軸-齒輪系統(tǒng)，通過齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)完成開啟橋的開啟和關(guān)閉；通過減速器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與開啟裝置齒輪傳動(dòng)輸入轉(zhuǎn)速的變換實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速平穩(wěn)開啟；通過觀察滑塊控制系統(tǒng)來控制橋臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，解決了橋臂轉(zhuǎn)動(dòng)過度或不到位的問題，通過三大系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)橋臂的順利開啟與關(guān)閉。

關(guān)鍵詞：開啟橋；設(shè)計(jì)；扇形齒；樞軸

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）09-0018-01

1 開啟橋及開啟機(jī)構(gòu)概述

開啟橋（movable bridge）是指為了通航需要，上部結(jié)構(gòu)能以豎旋、平旋、提升等方式開合的橋梁。開啟橋的開啟機(jī)構(gòu)是給開啟橋增加自由度，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活，很好地解決通航問題。

改革開放以來，我國的公路建設(shè)方面有著飛速的發(fā)展，作為公路建設(shè)的重要組成部分——開啟橋建設(shè)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，并被人們廣泛關(guān)注。中國作為發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是首要位置。開啟橋能夠解決陸路和水路不兼顧的問題，加速經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并在以后的發(fā)展中有著不可估量的地位。我們設(shè)計(jì)的開啟橋裝置采用電氣控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制功能、保護(hù)功能、監(jiān)視功能、測量功能、具有體積小、通用性和靈活性強(qiáng)，使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。

2 小型開啟橋的開啟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型開啟橋開啟機(jī)構(gòu)是給開啟橋增加自由度，它是由開啟軸、支架、軸承、開啟齒輪等組成的，通過各種元件的配合實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合來完成開啟橋上下轉(zhuǎn)動(dòng)或者橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的一種機(jī)構(gòu)，它本身就是一種對原有實(shí)體開啟橋的一種革新，讓基體能夠平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。開啟機(jī)構(gòu)原理圖，如圖1所示。

開啟機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的靈魂，擔(dān)任了主要的開啟任務(wù)。本開啟機(jī)構(gòu)采用的是齒輪扇形齒嚙合系統(tǒng)。開啟機(jī)構(gòu)由主軸Ⅱ正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為nII，在主軸Ⅱ上的直齒輪2與樞軸上的扇形齒輪1嚙合，扇形齒輪1與橋臂為同一構(gòu)件，從而帶動(dòng)橋臂運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開啟的目的。本設(shè)計(jì)是屬于立轉(zhuǎn)式開啟橋，也就是使橋臂從水平位置旋轉(zhuǎn)90 °至豎直位置，這就需要控制齒輪的嚙合，保證齒輪的旋轉(zhuǎn)角度，扇形齒輪就可以很好地控制旋轉(zhuǎn)角度，適用于立轉(zhuǎn)式開啟橋中。

圖1中的扇形齒輪機(jī)構(gòu)是由齒輪機(jī)構(gòu)演變而得的一種間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它主要是將主動(dòng)輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)輪的間歇運(yùn)動(dòng)達(dá)到橋臂緩慢開啟的要求。扇形齒輪與直齒輪的傳動(dòng)是有一定角度的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了橋臂在一定的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。扇形齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、易于對橋臂的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制等特點(diǎn)。

采用齒輪傳動(dòng)有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：①齒輪傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)相比。帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比不穩(wěn)定，傳動(dòng)的中心距大，占據(jù)的空間大，使開啟機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定。鏈傳動(dòng)的精度較低，傳動(dòng)平穩(wěn)性較差，最重要的鏈傳動(dòng)會(huì)出現(xiàn)掉鏈的現(xiàn)象，這對開啟機(jī)構(gòu)來說有著致命的影響；蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率低，容易發(fā)熱，縮短了開啟橋的使用壽命。②齒輪傳動(dòng)硬度較高，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中能承受較高載荷。③齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，能減少使用面積，保證了整個(gè)開啟機(jī)構(gòu)的緊湊性。開啟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3 小型開啟橋的滑塊控制

滑塊傳動(dòng)原理，如圖3所示。

滑塊控制，是通過滑塊移動(dòng)，觀察在導(dǎo)軌上的相對位置，計(jì)算出橋面與水平面的相對角度，完成對橋面的有效調(diào)控。

其傳動(dòng)原理如下：H臂、橋面L和扇形齒輪共同被固定在樞軸I上，扇形齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中帶動(dòng)樞軸I上的橋面和H臂以相同的角速度ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。H臂與K臂、M滑塊槽以及小滑塊共同組成了四桿機(jī)構(gòu)，由于自由度：

F=3n-2p1-ph=3×3-2×4=1

只要H臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊m就會(huì)在滑塊槽M內(nèi)平移運(yùn)動(dòng)。由于角速度ω相同，所以滑塊運(yùn)動(dòng)的速度V∝ω，便可以得出滑塊m和滑塊槽邊緣的相對距離與橋面L和水平面的轉(zhuǎn)過角度的函數(shù)s=kθr。

將函數(shù)編寫成入C語言并制作出程序，操作員通過計(jì)算機(jī)就能得到橋梁精確地角度。并在需要停止橋面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提前做出操作，完成橋梁的停止?；瑝K控制系統(tǒng)，如圖4所示。

本控制系統(tǒng)是對其他不同控制基礎(chǔ)的創(chuàng)新。相比普通的控制系統(tǒng)，有以下優(yōu)點(diǎn)：

①采用最簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作方便，傳動(dòng)原理簡潔，傳動(dòng)效率高，最重要的是傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)速度極低。②滑塊控制與扇形齒輪形成雙保險(xiǎn)，防止了開啟橋轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大超出控制，減少安全隱患。③便于編程，通過程序控制橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度，完成開啟橋旋轉(zhuǎn)的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化控制。

4 結(jié) 語

本作品設(shè)計(jì)的開啟橋?qū)儆诹⑥D(zhuǎn)式的開啟橋，開啟裝置通過齒輪傳動(dòng)減速裝置和滑塊控制等一系列傳動(dòng)共同組合而成。在傳動(dòng)過程中，齒輪傳動(dòng)成為整個(gè)開啟裝置傳動(dòng)的核心內(nèi)容，通過直齒圓柱齒輪與扇形齒輪的嚙合，使得橋臂旋轉(zhuǎn)，達(dá)到了開啟的目的。減速裝置是通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)達(dá)到減速的目的。蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)于齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)很大的傳動(dòng)比，使橋臂旋轉(zhuǎn)速度較低，更為平穩(wěn)?；瑝K控制采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在樞軸的旋轉(zhuǎn)下帶動(dòng)滑塊進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，觀察滑塊與滑塊槽的相對位置來控制開啟橋的開啟與關(guān)閉。

本開啟橋裝置應(yīng)用廣泛，適合安全性要求較高的地區(qū)，如有較高的抗震設(shè)防要求時(shí)，本設(shè)計(jì)適用，在對通航凈空要求較高的河道，如經(jīng)常出現(xiàn)游艇等高聳型船只時(shí)，本設(shè)計(jì)的適用性也較強(qiáng)，三是本設(shè)計(jì)的低成本和易維修性，增強(qiáng)了推廣競爭力。

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