鐵路接觸網(wǎng)腕臂管材輸送裝置設(shè)計(jì)

齊光宇 沙 杰 吳宗慶 胡森龍 李金洋

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001）

智能建造是以人工智能、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等為技術(shù)體系，依托自動(dòng)化設(shè)備而形成的創(chuàng)新發(fā)展模式[1]。接觸網(wǎng)腕臂智能建造將整條施工路線劃分為多個(gè)區(qū)間段，實(shí)現(xiàn)腕臂集中預(yù)配。通過(guò)算法的優(yōu)化整合，將多根不同長(zhǎng)度的腕臂分為一個(gè)加工組，對(duì)各區(qū)間加工數(shù)據(jù)整合后，進(jìn)而指導(dǎo)管材長(zhǎng)度的選取，實(shí)現(xiàn)管材的最大化 利用[2]。

與智能建造技術(shù)相匹配的管材輸送設(shè)備，應(yīng)配合腕臂加工要求及智能建造的加工數(shù)據(jù)，完成單根管材的多次切割及多工位加工的精準(zhǔn)輸送。目前，市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)能完全滿足要求的自動(dòng)化輸送設(shè)備。針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題，為更好地服務(wù)腕臂智能建造，同時(shí)考慮管材輸送的實(shí)現(xiàn)方式，提出了一種接觸網(wǎng)腕臂管材輸送裝置的設(shè)計(jì)方案。

1 輸送裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 腕臂管材基本參數(shù)

輸送裝置對(duì)象為平、斜腕臂管材，如圖1、圖2所示。管材的基本參數(shù)見表1。

表1 管材基本參數(shù)

1.2 方案設(shè)計(jì)

腕臂管材輸送設(shè)備將管材依次輸送到指定工位，通過(guò)預(yù)處理（鉆孔、切割、噴碼、切割端面去毛刺以及切割端面防銹噴漆）、套管裝配等加工后成為成品腕臂。

考察現(xiàn)有腕臂管材輸送設(shè)備，開展對(duì)智能建造背景下的腕臂管材輸送裝置研究工作?？紤]生產(chǎn)要求，確定輸送裝置的各個(gè)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)布局[3]：首先，考慮裝置整體性，將平、斜腕臂管材上料機(jī)構(gòu)布置于兩側(cè)；其次，采用多排鏈條同步輸送上料，保證管材以水平狀態(tài)穩(wěn)定上升；再次，支撐面設(shè)計(jì)為傾斜狀態(tài)，管材依靠自身重力滾落至輸送位；最后，為實(shí)現(xiàn)平、斜腕臂管材共用同一傳送廊道，抓取輸送機(jī)構(gòu)的懸臂支撐架不能過(guò)長(zhǎng)，這就限制了輸送范圍。為解決后續(xù)管材進(jìn)行預(yù)處理加工的輸送難題，設(shè)計(jì)了兩套四爪卡盤輸送機(jī)構(gòu)，配合抓取輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了腕臂管材在加工工位間的精準(zhǔn)輸送。輸送裝置各機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)布局如 圖3 所示。

2 動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

8 m 平腕臂管材以及4 m 斜腕臂管材需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上料。由于8 m 管材上料傳動(dòng)機(jī)構(gòu)跨度較大，相比4 m 斜腕臂管材傳動(dòng)較為復(fù)雜，需要對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

輸送鏈設(shè)計(jì)一次存放5 根管材。為方便管材的搬運(yùn)，輸送鏈與地面成60°夾角。帶動(dòng)長(zhǎng)8 m 的管材上料，傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，使用一根軸易產(chǎn)生撓性變形，需要將傳動(dòng)軸進(jìn)行分段。使用萬(wàn)向聯(lián)軸器連接各段傳動(dòng)軸，同時(shí)加裝支撐件，通過(guò)傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)軸上，帶動(dòng)輸送鏈進(jìn)行上料?？紤]傳動(dòng)軸上輸出點(diǎn)的數(shù)量，合理布置輸入點(diǎn)及輸出點(diǎn)的位置，可減少應(yīng)力集中[4]。動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

2.1 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸是動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不可或缺的零件，直接影響動(dòng)力傳遞性能?？紤]到裝置會(huì)變更使用場(chǎng)所，要便于拆裝和更換。因此，選用六角棒型材更加合適，材質(zhì)為較常使用的316L 不銹鋼[5]。斜腕臂管材傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸定為2.5 m。平腕臂管材傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸由兩段長(zhǎng)2.5 m 的六角棒組成。

由圖4 可知，在動(dòng)力輸入位置處，傳動(dòng)軸受到傳動(dòng)鏈拉力的作用，是整根軸上受力最大處。若傳動(dòng)軸尺寸（對(duì)邊距離b）選擇不合適，將在此處產(chǎn)生超出許用范圍的變形，造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的破壞。因此，有必要對(duì)此位置進(jìn)行撓度計(jì)算[6]，依據(jù)變形允許量選擇合適的六角棒。以動(dòng)力輸入處d 點(diǎn)所在軸為對(duì)象分析，受力情況簡(jiǎn)化處理后如圖5 所示。聯(lián)軸器以軸間角α=0 為理想狀態(tài)，M4為聯(lián)軸器傳遞扭矩（不考慮由扭矩產(chǎn)生作用于軸上的圓周力）。

計(jì)算d 點(diǎn)的撓度，需要加一單位力，方向與變形方向相同。將水平面及垂直面各點(diǎn)變形量累加后矢量法合成d 點(diǎn)撓度，比較許用變形（取0.000 3L ～ 0.000 5L，L 為支撐間跨度），確定軸的直徑。

變形量Δi 累加公式為：

由式（1）、式（2）可得傳動(dòng)軸對(duì)邊距離b 的取值范圍為大于75.4 mm。選取對(duì)邊距離為80 mm 的六角棒，可使得軸的變形量在許用范圍內(nèi)。

2.2 傳動(dòng)軸的支撐

傳動(dòng)軸需要同鏈輪、軸承及其他零件進(jìn)行連接。傳動(dòng)軸為型材，不便對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行加工，考慮與零件進(jìn)行無(wú)鍵連接[7]，完成傳動(dòng)軸的裝配。因此，在對(duì)軸進(jìn)行軸向及周向固定時(shí)，需要對(duì)鏈輪進(jìn)行加工或者配合相關(guān)零件進(jìn)行固定。

鏈輪內(nèi)孔可依照六角棒端面尺寸加工，加工后的鏈輪可與傳動(dòng)軸完成周向固定。在鏈輪兩邊使用隔套，與軸套相接觸，使用緊定螺釘約束軸向運(yùn)動(dòng)。軸套內(nèi)徑依照傳動(dòng)軸外徑尺寸加工，加工成為內(nèi)六方外圓形狀。傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主要受徑向力作用，軸向負(fù)荷較小，采用深溝球軸承實(shí)現(xiàn)兩端固定支撐。傳動(dòng)軸支撐圖如圖6 所示。

3 管材輸送方案設(shè)計(jì)

3.1 管材輸送方案

管材輸送方案需要考慮管材加工工位的分布及加工流程、8 m 及4 m 管材共用同一加工平臺(tái)、管材切割后余料的長(zhǎng)度范圍等條件。管材的加工參數(shù)決定了輸送機(jī)構(gòu)的數(shù)量及加工平臺(tái)的長(zhǎng)度。由于管材切割長(zhǎng)度是變化的，輸送機(jī)構(gòu)會(huì)在某一范圍進(jìn)行移動(dòng)，結(jié)合加工工位位置可確定輸送機(jī)構(gòu)在各工位之間移動(dòng)的距離。抓取輸送機(jī)構(gòu)行程a 定為1 m；四爪卡盤輸送機(jī)構(gòu)1 的行程b 定為2.5 m；四爪卡盤輸送機(jī)構(gòu)2 的行程c 定為5.5 m。管材輸送方案定為三段輸送，輸送機(jī)構(gòu)協(xié)同合作完成腕臂管材輸送工作。

3.2 輸送動(dòng)作順序

第一，上位系統(tǒng)程序發(fā)送加工數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)，判斷上料管材型號(hào)。第二，管材滾落至傳送廊道后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取輸送機(jī)構(gòu)由起始位移動(dòng)至抓取位，抓取管材后再移動(dòng)至起始位。夾爪松開，抓取輸送機(jī)構(gòu)重復(fù)之前動(dòng)作，帶動(dòng)管材前移，再次回到起始位后停止運(yùn)動(dòng)。第三，輸送機(jī)構(gòu)1 卡盤閉合，帶動(dòng)管材繼續(xù)前行，管材觸碰到切割?yuàn)A具處的光電開關(guān)，機(jī)構(gòu)1 停止前進(jìn)。返回原點(diǎn)，夾緊管材，繼續(xù)帶動(dòng)管材前進(jìn)至輸送機(jī)構(gòu)2 支撐滾輪光電開關(guān)處停止。第四，輸送機(jī)構(gòu)2 對(duì)管材定位，依據(jù)加工數(shù)據(jù)將管材依次移動(dòng)至鉆孔、切割、去毛刺、噴碼、噴漆及烘干等工位。預(yù)處理完成后，管材被輸送機(jī)構(gòu)2 移動(dòng)至裝配區(qū)，平腕臂剩余管材繼續(xù)完成預(yù)處理工序。

3.3 管材輸送控制

使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實(shí)現(xiàn)管材輸送控制。通過(guò)光電開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)構(gòu)的啟停動(dòng)作。具體切割次數(shù)需要上位機(jī)的命令控制，PLC 根據(jù)上位機(jī)指令控制各個(gè)機(jī)構(gòu)移動(dòng)，實(shí)時(shí)收集運(yùn)行狀態(tài)并與上位機(jī)交互[8]，直至輸送完畢。

4 結(jié)語(yǔ)

在智能建造的背景下，設(shè)計(jì)了一款接觸網(wǎng)腕臂管材輸送裝置。以8 m 管材為對(duì)象，設(shè)計(jì)了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的研究，得到了六角棒型材作為傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)腕臂預(yù)配智能建造加工信息的要求，制定了管材輸送技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了管材預(yù)加工輸送。該裝置杜絕了上料混亂情況的發(fā)生，提高了腕臂輸送的可靠性、精準(zhǔn)性，能較好地滿足智能化生產(chǎn)需要。