径向挤压制管设备有轨导引小车及其传动系统设计

贾思棋，杜冬梅，何 青

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

近年来，由于我国大力发展基础设施，城镇化建设的不断推进，对小口径排水管需求越来越大。随着我国对产业化调整的步伐加快，促进劳动密集型向技术密集型以及国家由高能耗、高污染能源向清洁、环保能源的转变，亟需一种高产出、低能耗的制管工艺和设备来代替传统工艺。径向挤压制管工艺因具有生产效率高、劳动强度低、自动化程度高、生产成本低、环境污染小、无需蒸汽养护、成型后管子内外表面光滑、工作噪声低等优点，在许多国家得到应用[1]。立式径向挤压制管工艺作为生产制造钢筋混凝土排水管的先进生产工艺之一，受到许多生产厂家的关注。

文献[2]对立体仓库中有轨导引小车的出入库效率进行了仿真，而对小车出入库运行的安全性未做考虑。文献[3]对有轨导引小车(Rail Guided Vehicle, 简称RGV)进行了运动学仿真，改善了RGV运行过程中自动转弯的问题，减少避免了轴变形不协调的问题。文献[4]采用单片机和步进电机对有轨导引小车进行控制，实现了对RGV的精确定位。瑞典VOLVO公司在汽车装配线上大量采用有轨导引小车进行自动化装配作业，截至2015年在瑞典超过10 000台RGV在运行[5]。在我国，北京起重运输机械研究所于1976年研制出第一台RGV[6]。中科院沈阳自动化所在国家“动63”计划支持下，完成了多项移动机器人应用基础研究和应用技术开发项目，并开发出应用于实践较为成熟的RGV及其系统技术[7]。2015年，汉诺威展展出的北自所研发的料箱式搬运机器人预示着RGV迈向了一个新的里程碑[8]。

目前有轨导引小车的技术已经逐渐趋向成熟，国内外针对RGV小车的轨道、控制系统等专一问题研究较为深入，但较少针对RGV小车的结构和传动系统进行综合性设计研究。本文以某公司的立式径向挤压水泥制管设备为基础，着重对有轨导引小车的结构设计以及传动系统进行了具体研究。

1 有轨导引小车传动原理

1.1 有轨导引小车的分类

有轨导引小车的分类如表1所示。在车间生产实际中，多数输送小车采用自行式，即由电机、减速器和电源，但自行式输送车成本高，维护费用高，而且生产运行中需要经常充电，大大降低生产效率。

表1 有轨导引小车的分类

有轨导引小车，不需要外加电机，两种有轨导引小车优缺点如表2所示。

表2 有轨导引小车特点

1.2 摩擦轮传动原理

摩擦轮传动是一种新型传动,可实现大中心距高速强力回转，可以利用直接接触并相互压紧的两个摩擦轮之间摩擦力，将主动轮的运动与转矩传给从动轮。

根据有轨导引小车行驶动力传动路线计算摩擦轮法向压力。首先考虑在满载条件下，使小车行驶，再根据空载条件下能够行驶进行校核。有轨导引小车在满载条件下受力分析图如图1所示。

图1 平板车受力分析

由图1，在满载条件下对有轨导引小车受力分析可知，在竖直方向上有：

G=F+FN

(1)

式中G——有轨导引小车在满载条件下的重力，N；F——自动加压装置对有轨导引小车底部的压力，N；FN——钢轨对有轨导引小车车轮的支撑力，N。

在水平方向上有

Ft=Ff=μ1FN

(2)

式中Ft——有轨导引小车的牵引力，即摩擦轮对平板车的摩擦力，N；Ff——钢轨对轨道钢轮的滚动摩擦力，N；μ1——钢轨与轨道钢轮之间的滚动摩擦系数，表面淬火的车轮与钢轨之间圆锥形车轮之间的滚动摩擦系数为0.08～0.10，圆柱形车轮之间的滚动摩擦系数为0.05～0.07[8]。

摩擦轮与有轨导引小车之间关系为

Ft=μ2F

(3)

式中μ2——聚氨酯胶体/钢摩擦副之间的摩擦系数。

2 有轨导引小车结构及其传动系统设计

2.1 有轨导引小车的结构设计

2.1.1有轨导引小车车轮

六轮支撑满足车架的强度要求，运转行驶过程中更加稳定安全，保证从径向挤压模具脱出的湿水泥管能够保持外形，为水泥管的成品率提供保障。

在额定载荷下，对小车轨道车轮受力分析得单个车轮载荷为

m1=me/6

(4)

式中m1——有轨导引小车单个车轮载荷，t；me——有轨导引小车额定载荷，t。

2.1.2有轨导引小车钢轨

不同尺寸的轨道车轮必须选择与之匹配的钢轨[9]，选择合适的轨道是保证有轨导引小车行驶过程中保持平稳，降低因高载荷轻型时的故障率。

钢轨轨道如图2所示。

图2 钢轨轨道尺寸图

2.2 有轨导引小车传动系统的设计

2.2.1电动机的选取

有轨导引小车的运输速度采用低速行驶，由摩擦轮直接传动。

考虑有轨导引小车在最大载荷下所需要的功率：

PW=FtV

(5)

式中PW——最大载荷下所需要的功率，W。V——输送小车行驶速度，m/s。

轨道钢轮上滚动轴承效率η1=0.97；摩擦副传递效率η2=0.85～0.92；电机输出轴与主动摩擦轮之间效率(采用平键直接连接)η3=1。

传动装置的总效率为

ηa=η1η2η3

(6)

在满足条件下工作所需要的电动机输出功率Ped为

(7)

转矩由摩擦轮直接传递给有轨导引小车，摩擦轮通过键与电机输出轴直接连接，由此关系得电机转速为

(8)

式中v2——主动摩擦轮线速度，m/s；D1——摩擦轮外径，mm。

2.2.2加压装置的确定

为了能够使摩擦轮驱动有轨导引小车行驶，则两者之间必须外加压力，使摩擦轮与有轨导引小车产生滚动摩擦力驱动小车行驶。加压装置有恒压及自动加压两大类。

图3为双弹簧自动加压装置[10]受力分析(单侧)。

图3 双弹簧自动加压装置受力分析(单侧)

根据图中的电动机和铰接底座在竖直方向受力分析得：

Fn1+G1=2(Fk1+Fn2)

(9)

式中Fn1——有轨导引小车对电机的支撑反力，N；G1——电机的自重，N；Fn2——铰接座的支撑力，N；Fk1——加压弹簧对底座的弹力，N。

因底座采用对称结构设计，则铰接座和弹簧受力有关系：

Fn2=Fk1

(10)

自动加压装置选用普通圆柱螺旋压缩弹簧为加压弹簧。对弹簧受力分析有关系：

Fk2=cΔl

(11)

式中Fk2——弹簧弹力，N；c——弹簧的刚度，N/mm；Δl——弹簧的压缩量，mm。

要满足弹簧提供足够的弹力必须有：

Fk2≤Fk1

(12)

自动加压装置选用普通圆柱螺旋压缩弹簧为加压弹簧。

自动加压装置工作时施加最大压力为

Fmax=4cΔl

(13)

式中Fmax——自动加压装置工作时施加的最大压力，N。

3 有轨导引小车的设计模型

有轨导引小车尺寸参数如表3所示，结构组成如表4所示。

表3 有轨导引小车尺寸参数 mm

表4 有轨导引小车结构组成

选择有轨导引小车的额定载荷me为30 t，则将me=30 t代入式(4)可得m1=5 t。本设计轨道钢轮选用单轮缘车轮DL-170×90，优点是耐磨，抗压，载重性强。

DL-17×90轨道轮具体参数如表5所示。

表5 DL-170×90轨道轮参数表

本设计选取轨道型号为9 kg/m，尺寸规格如表6所示。

表6 9 kg/m轻轨尺寸参数 mm

有轨导引小车具体模型如图4所示。

图4 有轨导引小车的主、俯视图

在满载条件下对有轨导引小车受力分析可知，有轨导引小车的技术参数如表7所示。

表7 有轨导引小车摩擦轮的技术参数

将G、μ1、μ2代入式(1)～式(3)，可得

F=26 727 N，Ft=13 364 N，Ff=13 364 N

摩擦轮的额定载重必须大于最大载重量，即Fe≥F=26 727 N，可得me≥可得727 N。

本设计取主动摩擦轮额定载重为5 t。选取40 cm(12寸)45号钢包聚氨酯橡胶摩擦轮[11]，相关参数如表8所示。

表8 40 cm(12寸)45号钢包聚氨酯橡胶摩擦轮

将Ft=13 364 N，v=0.3 m/s代入式(5)中得Pw=4 kW。将η1=0.97，η2=0.85，η3=1代入式(6)得η=0.824 5。将Ped=5.5 kW，D2=302 mm代入式(7)和(8)中得n=20.4 r/min。

由ne≥n=20.4 r/min因此选取YCJ250/Y132S-4斜齿轮减速电机[12]，额定功率为5.5 kW，额定转速为23 r/min。

初步取Δl=12 mm，将Fn2=Fk1=7 237.9 N代入式(9)、(10)和(11)中得c=603 N/mm。故选取压缩弹簧型号YB 14×60×82-GB/T 2089。

将c=603 N，Δl=12 mm代入式(13)得Fmax=33 744 N<39 200 N，因此满足设计要求。

4 结语

通过对有轨导引小车的动力学和机构设计的具体研究，设计了既满足生产要求成本又较低的有轨导引小车。

(1)确定了有轨导引小车的技术参数及结构，确定了小车的最大载荷为30 t，选取单轮缘车轮DL-170×90作为小车车轮，保证从径向挤压模具脱出的湿水泥管能够保持外形，为水泥管的成品率提供保障。根据车轮的踏面形状和尺寸，选取了轨道型号为9 kg/m的方钢作为钢轨，保证输送平板小车在行驶过程中保持平稳，降低因高载荷轻型时的故障率。

(2)有轨导引小车采用聚氨酯橡胶作为摩擦副材料，这种材料较天然橡胶具有更高的硬度、强度、弹性和耐磨性，不仅成本低并且日常维护方便、快捷。根据小车行驶动力传动路线计算摩擦轮法向压力选取40 cm(12寸)45号钢包聚氨酯橡胶摩擦轮。由于小车采用低速行驶，故采用了低成本短周期的某公司的YCJ系列斜齿轮减速电机。本文采用了对称铰接利用杠杆原理的自动加压装置，保证摩擦轮与有轨导引小车产生滚动摩擦力驱动小车行驶。本文利用三维软件对有轨导引小车进行了模拟设计，确保了该小车的可行性。

(3)有轨导引小车通过轨道导向，在自动加压装置作用下使主动摩擦轮与有轨导引小车之间产生预紧力，由电机带动驱动轮从而驱动转运车，通过控制多台电机之间的距离实现长距离行驶。有轨导引小车的设计降低了人力劳动强度，提高了转运效率。