摩擦輪在加氣混凝土生產(chǎn)線的應(yīng)用研究

岳周豐

（廣州發(fā)展環(huán)保建材有限公司）

0 概述

加氣混凝土砌塊和板材是以硅質(zhì)材料（粉煤灰或砂）和鈣質(zhì)材料（水泥、石灰）為主要原料，摻入適量調(diào)節(jié)劑（石膏）和少量產(chǎn)氣材料（鋁漿），通過原料加工、攪拌、澆注、靜停、切割、蒸壓養(yǎng)護而成的新型“綠色”墻體材料，重量輕，保溫隔熱性能好，可以大幅降低建筑能耗，是實現(xiàn)雙碳目標不可或缺的墻體材料。

加氣混凝土生產(chǎn)線的關(guān)鍵專用設(shè)備——擺渡車的故障不僅影響生產(chǎn)線的正常運行，還可能造成預(yù)養(yǎng)室半成品的報廢，擺渡車的可靠性決定了整線可靠性高低。

擺渡車需要實現(xiàn)重載模具車的上下擺渡車、模具車的駐車以及橫向運輸。其中擺渡車的橫向運動由行走系統(tǒng)實現(xiàn)，機械設(shè)計、制造、控制技術(shù)成熟，可靠性較高。模具車的上下擺渡車、模具車的駐車功能由模具驅(qū)動裝置實現(xiàn)。

擺渡車的模具車驅(qū)動方式先后經(jīng)歷了人力、鏈條、頂推小車、摩擦輪幾個階段。近幾年利用摩擦驅(qū)動模具車逐步趨于主流。摩擦輪在應(yīng)用中還存在減速機斷軸、摩擦輪使用壽命短等缺陷，影響系統(tǒng)可靠性進一步提高。因擺渡車摩擦輪比其他工位的使用要求更高，有必要對其應(yīng)用進行研究分析。

1 摩擦輪工況介紹

隨著高產(chǎn)板材比例上升，新建加氣混凝土生產(chǎn)線靜停養(yǎng)護室多采用“非”字形工藝布置。因其他布局形式對擺渡車功能要求類似，僅以“非”字形布置進行討論?！胺恰弊中尾贾脮r，擺渡車布置在中間，靜停養(yǎng)護工位布置在擺渡車的兩側(cè)。模具車完成澆注后，載有漿液的模具車由澆注擺渡車的摩擦輪輸送到擺渡車上后制動、減速、駐車。隨后擺渡車行走系統(tǒng)工作，將其運輸?shù)街贫üの?，最后摩擦輪將放置在擺渡車軌道上的模具車推入指定的靜停養(yǎng)護工位。

圖1 靜停養(yǎng)護室工藝布置圖

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

擺渡車主要由行走機構(gòu)、軌道、摩擦輪系統(tǒng)等構(gòu)成。行走機構(gòu)實現(xiàn)擺渡車橫向移動功能，使頂部軌道與兩側(cè)的軌道對正，以便停放在軌道上的模具車正常進出靜停養(yǎng)護工位。模具車通過其底部行走輪與軌道接觸，軌道承載模具車重力。

摩擦輪系統(tǒng)是一種利用摩擦力進行模具車驅(qū)動的裝置，由電機、減速機、摩擦輪、升降機機構(gòu)、機架等構(gòu)成。電動機驅(qū)動非金屬材質(zhì)的摩擦輪，從而對模具車產(chǎn)生驅(qū)動力，驅(qū)動模具車運動。摩擦輪由內(nèi)層芯輪及外層膠輪組成，芯輪通過平鍵與電動機減速機直聯(lián)。升降機機構(gòu)在摩擦膠輪磨損而外徑變小、行走輪磨損、安裝誤差等情況下，自動補償高度并保證摩擦輪與模具車間的正壓力。

模具車完成澆注后，由地面驅(qū)動裝置驅(qū)動其進入到設(shè)定位置時，擺渡車上的傳感器檢測到信號，啟動摩擦輪電機，摩擦輪轉(zhuǎn)動。模具車底部的摩擦帶接觸到摩擦輪后，摩擦輪與摩擦帶在氣缸（或氣囊）頂升作用產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動模具車運動。模具車達到設(shè)定位置后，摩擦輪減速、停止轉(zhuǎn)動，模具車停止。因減速機減速比較大（通常＞50:1）具有一定的自鎖能力，可防止模具車在橫向運動中移位，實現(xiàn)模具車的駐車。隨后擺渡車行走機構(gòu)啟動，擺渡車移動到制定位置后，摩擦輪再次啟動，推動模具車進入預(yù)設(shè)工位。這種方式可以通過電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和啟停實現(xiàn)對模具車的調(diào)速、啟停、駐車，通過調(diào)整頂升機構(gòu)（氣缸或氣囊）的壓力調(diào)節(jié)推力大小，具有機械結(jié)構(gòu)簡單、定位準確、駐車控制方便、維護方便、易于實現(xiàn)自動控制等特點。

圖2 氣缸式摩擦輪

3 受力分析

模具車放置于擺渡車軌道上，摩擦輪系統(tǒng)電機啟動后，摩擦輪與模具車底部摩擦帶的相對運動趨勢產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動模具車克服鋼軌對模具車輪的阻力而運動。

模具車啟動時水平方向力需要滿足條件：摩擦帶與摩擦輪間摩擦力>模具車運動軌道阻力。

模具車運動軌道阻力：F=μ1（Mg－N）

μ1——模具車車輪與鋼軌滾動摩擦系數(shù)(約0.05)；

M——模具車質(zhì)量；

g——重力加速度；

N——摩擦輪對摩擦帶的壓力。

摩擦帶與摩擦輪間摩擦力：F2=μ2N

μ2——摩擦輪與摩擦帶的滑動摩擦系數(shù)。

模具車啟動條件需要滿足：F2＞F

即：μ2N＞μ1（Mg－N），可化簡：N＞μ1Mg/（μ2+μ1）。

摩擦輪對摩擦帶的壓力：N=KPSsinθsinα

K——結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)（K=L2/L1）；

P——氣缸或氣囊壓力；

S——氣缸（氣囊）有效面積；

α——機架轉(zhuǎn)軸與氣缸兩端鉸鏈轉(zhuǎn)軸之間夾角。

為充分利用氣缸（或氣囊）推力，摩擦輪驅(qū)動時，支架和氣缸連接點與支架轉(zhuǎn)軸的連線和氣缸軸線垂直，sinθ=1。摩擦輪磨損時夾角會有微小變化，sinθ略小于1，即sinθ≈1。

啟動條件轉(zhuǎn)化為：Kμ2PSsinα＞μ1（Mg－N）。

因NL1=PSL2，P＞μ1Mg/(KS(μ1+μ2))；因μ2>>μ1，可簡化為：P＞μ1Mg/(KSμ2sinα)。

以摩擦支架旋轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)軸，運動時力矩平衡需要滿足：

NL1±FL3=L2PS，模具車需要正反兩個方向的運動；當模具車向右運動時取+，向左時取-，即：P=(NL1±FL3)/L2S。

當氣缸壓力P小于(NL1±FL3)/L2S，摩擦輪將不能驅(qū)動模具車打滑。擺渡車實際工作中需要由摩擦輪驅(qū)動模具正反兩個方向運動，氣缸設(shè)動壓力需要滿足：

P＞μ1MgL3/（L2S（1－sinα））(Mg>>N，Mg－N≈Mg）

通過上面的分析，摩擦輪升降氣缸（或氣囊）工作壓力需要同時滿足上述兩個條件：

P＞μ1Mg/(KSμ2sinα)

P＞μ1MgL3/（L2S（1－sinα））

因?qū)嶋H使用過程中還存在以下因素：

摩擦輪磨損、安裝偏差、模具車批量加工的差異都會造成θ偏離π/2，sinθ＜1，摩擦帶變形時，摩擦輪轉(zhuǎn)動時摩擦力方向改變，偏離水平方向，水平分量減小。表面因長期使用打滑造成摩擦帶表面粗糙度下降，摩擦系數(shù)下降；模具車輪沿磨損、軌距變化等其他阻力增加；摩擦輪塑料磨損不均勻，接觸面變化、油污等。

上述原因均會引起摩擦力不足以驅(qū)動模具車運動而發(fā)生打滑，造成驅(qū)動失敗。

4 設(shè)計

4.1 氣缸（氣囊）工作壓力選擇

因設(shè)備制造、安裝、維護等環(huán)節(jié)均難以達到設(shè)計的理想條件，摩擦輪系統(tǒng)在使用過程中需要的驅(qū)動力常常大于設(shè)計值，安全余量選擇過小時，容易因驅(qū)動失敗造成打滑，損壞設(shè)備。設(shè)計選擇氣缸（氣囊）時需要適當增加氣缸直徑和壓力調(diào)節(jié)裝置。當氣缸（氣囊）工作壓力為氣源最低壓力50%時滿足啟動要求為宜。

4.2 氣缸（氣囊）工作行程及結(jié)構(gòu)系數(shù)選擇

摩擦輪工作時需要壓緊摩擦帶，空載時摩擦帶頂點的高度，需要略大于模具車摩擦帶的高度（Δh）。因模具車加工誤差、軌道變型、摩擦帶變形凹陷、摩擦輪磨損直徑變小等原因，需要將摩擦輪空載時的高度調(diào)整到比摩擦帶更高的位置，即Δh更大一些。Δh越大，克服上述偏差的能力越強，在其他條件相同的條件下，打滑的概率更低，摩擦輪使用壽命更長，系統(tǒng)可靠性更高。

Δh增加，在摩擦輪工作時，由圖4可知摩擦輪與摩擦帶接觸點在垂直方向的變化通過杠桿作用放大，升降機構(gòu)輸出端行程變化量為Δh·K。摩擦帶端部斜面接觸時，因模具車的速度較快，將快速壓縮氣缸（氣囊），其進氣口不能及時排除多余的壓縮空氣，缸（囊）內(nèi)壓力大幅上升，嚴重時減速機輸出軸斷裂。當摩擦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)K選擇較大時，減速機驅(qū)動摩擦輪旋轉(zhuǎn)的輸出軸的受力會大幅上升，斷軸概率上升，嚴重影響系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計時可選擇總行程更大的氣缸，壓縮時氣缸活塞受壓端空間較大，可防止壓縮比過大，降低壓力脈沖峰值。另外，在氣缸頂升的壓縮空氣回路設(shè)置壓力釋放閥，限制缸內(nèi)最高氣壓，也可有效減小減速機輸出軸因過載損壞的概率。

圖4 摩擦輪系統(tǒng)受力示意圖

設(shè)計時選擇較小的K值，更大直徑的摩擦輪，設(shè)備制造時提高摩擦輪機架和模具車的精度，安裝時提高軌道的水平度等都有利于調(diào)整時減小Δh。

4.3 氣缸和氣囊的選擇

當氣缸內(nèi)壓力一定時，氣缸輸出力不隨氣缸行程變化；當活塞被輸出端外力壓縮時，因缸體為剛性材料，不能緩沖，脈沖壓力峰值較大。采用氣缸作為升降動力時，需要控制在極端使用條件下，模具車進入摩擦輪驅(qū)動時的壓縮比小于減速的輸出軸過載系數(shù)。

摩擦輪用氣囊是一種在柔性橡膠膠囊中充入壓縮空氣，通過壓縮空氣的通斷實現(xiàn)氣囊輸出端的位移的裝置。具有安裝空間要求低，安裝、調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。某公司氣囊氣動執(zhí)行應(yīng)用技術(shù)參數(shù)見表1。

從表1可知氣囊輸出推力會隨行程增加而快速下降。因氣囊在壓縮空氣作用下擴張伸長需要克服橡膠材料的張力，當氣壓下降時輸出推力也會急劇壓降，下降幅度遠大于氣源壓力的下降幅度，嚴重時甚至不能達到設(shè)計行程。當受外力輸出端被外力壓縮時，由于橡膠材料的彈性和擴張，可較大幅度減低壓力脈沖峰值，從而保護輸出軸。

表1 某品牌氣囊氣動執(zhí)行應(yīng)用技術(shù)參數(shù)

采用氣囊作為摩擦輪升降動力時，設(shè)計時需要盡量減小K值，以減小氣囊工作行程。例如圖3的K值接近于1。

圖3 氣囊式摩擦輪

4.4 轉(zhuǎn)軸及機架設(shè)計

因摩擦輪系統(tǒng)安裝空間受限，摩擦輪的中心線偏離向機架轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，驅(qū)動模具車時，轉(zhuǎn)軸與機架單側(cè)受力，磨損快。長期使用軸孔失圓，造成摩擦輪的外層膠輪單側(cè)受力，壓強超過設(shè)計值，使用壽命大幅縮短。在筆者對一廠家輸送線的摩擦輪失效原因進行分析時，發(fā)現(xiàn)摩擦輪機架的轉(zhuǎn)軸軸孔在使用3年后失圓達到3.35mm。增加軸孔受力長度，可有效延長機架使用壽命。

因摩擦輪安裝在軌道內(nèi)側(cè)，安裝空間受限，維修困難，特別是擺渡車工作負荷大、使用頻率高，頻繁啟停和制動，故障率更高，如不能及時消缺將嚴重影響生產(chǎn)線正常生產(chǎn)，因此設(shè)計時需要考慮快速維修。如圖三的設(shè)計，故障難以現(xiàn)場處理時，可以快速整體更換摩擦輪系統(tǒng)。在其他輸送線應(yīng)用的摩擦輪，基礎(chǔ)容易被漿料掩埋，維修時難以清理，增加維修作業(yè)時間，在地坑上部布置預(yù)埋件固定設(shè)備，也是一種有效的解決方案。

4.5 其他環(huán)節(jié)注意事項

摩擦輪的工況與模具車的摩擦帶密切相關(guān)。因加氣生產(chǎn)線模具車數(shù)量較大，部分板材生產(chǎn)線配置數(shù)量超過50個。模具車數(shù)量較大，在設(shè)計和制造過程中需要充分考慮加工精度和互換性。若加工定位誤差不能保證，使用過程中實際受力情況將偏離設(shè)計工況，可靠性下降?？稍谀＞哕嚨妮喚嗫刂浦胁捎眯凶咻嗇S連接形式，利用車床加工的精度，保證其定位精度；適當增加摩擦帶的強度和寬度，也可防止因轉(zhuǎn)軸孔磨損造成摩擦輪單側(cè)受力損壞。

在安裝過程中需要嚴格控制軌道的直線度、平行度、軌距、標高。摩擦輪膠輪的中心線需要與軌道中心、線重合。安裝單位需要有科學(xué)、可行的檢測和調(diào)整方案，保證安裝精度。

使用單位需要制定合理、可行的檢測、維修方案，及時發(fā)現(xiàn)以下問題：

模具車：行走輪輪沿磨損、軸承損壞、摩擦帶變形。

軌道：沉降、磨損、變形、軌距等超過設(shè)計標準。

摩擦輪：轉(zhuǎn)軸磨損、膠輪磨損、鍵磨損等；氣源壓力設(shè)置不當；膠輪選材不當、膠輪加工工藝不良等。

日常使用中需要運行、檢修人員及時發(fā)現(xiàn)易損件磨損、打滑等問題并及時處理，防止因處理不及時而造成相關(guān)設(shè)備受損，擴大受損設(shè)備范圍，增加損失。

5 結(jié)論

設(shè)備制造廠家設(shè)計時要充分考慮應(yīng)用場景及用戶維護水平，充分考慮設(shè)備的易于維護要求，合理選擇設(shè)計、制造技術(shù)方案；向用戶提供詳細的運行操作、維護技術(shù)資料。用戶在使用、維修中，嚴格按照廠家技術(shù)要求，及時發(fā)現(xiàn)和消除打滑等缺陷；找到根本原因，從源頭消除，防止“小病拖成大病”，擴大損失。通過上述措施可有效提高加氣混凝土生產(chǎn)線摩擦輪系統(tǒng)的可靠性。