小型悬轨式输送车的设计

宋毅　王健　卢艳　梁昊　周曦昕　郭文达

摘要：小型悬轨输送车广泛用于移动监控、物流、生产管理等领域，输送车采用摩擦轮驱动，摩擦轮与轨道的压力由拉簧张力产生，其大小不变，因此输送车的驱动力不受悬轨倾斜角度的影响，始终保持大小不变，能确保输送车运行平稳。轨道悬空布置，输送车在空中行驶，不占用地面空间，输送车既可以通过电池供电，也可以由外部电源供电，大大增加了悬轨输送车的工作范围。

关键词：悬轨;摩擦轮;输送车;移动监控

中图分类号：TH222

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.048

悬轨输送技术经过多年的发展已经应用到越来越多的领域，中国现在已经能够生产大型的悬轨车，用于载人载货;小型悬轨式输送车也得到广泛应用，比如移动监控、车间管理、物流、农牧业、军事、体育比赛等[1]，但是现有的悬轨输送车都是通过车轮与轨道的摩擦驱动的，即驱动力的大小取决于输送车的重力垂直于轨道的分力和它们之间的摩擦系数，因此当输送轨道倾斜时，输送车的重力垂直于轨道的分力就会发生改变，导致驱动力发生改变，特别是上坡时，需要的驱动力更大，但是输送车的驱动力反而减小了，导致小车运行不平稳甚至打滑[2]，影响正常工作，所以需要一种恒定驱动力的悬轨输送车。

1 小型悬轨式小车设计要求

多功能悬挂式移动输送车在附加了不同装置后就可以实现多种功能，作为载体，移动输送车应该具有以下功能：①移动平稳，噪声小，具有良好的转弯、爬坡能力，运行速度为6 m/nun;②可在独立的封闭空中轨道上运行，不能与其他物件发生干涉、碰撞;③应具有足够的续航（工作）时间;④应便于分、合轨运行;⑤能安装多种仪器设施或其他轻型工具。

2 总体设计

现有的悬轨输送车驱动方式与汽车相同，驱动轮同时也是负重轮，驱动力为车轮与轨道的垂直压力与轨道摩擦系数的乘积，如公式1所示，输送车在水平轨道上运行可保证恒定的驱动力，但是一旦轨道有坡度，则驱动力将随着坡度的变化而变化，在输送车上坡时需要的驱动力比水平运行时大，而此时的驱动力由于车轮与轨道的垂直压力减小而减小，导致运动不再平稳甚至出现打滑现象，所以设计的关键是要保证恒定的驱动力。公式如下：

F=fxN.

（l）式（l）中：F为驱动力;f为摩擦系数;N为压力。

根据式（l）可知，两物体间的摩擦系数不变，要保证F恒定，只需Ⅳ恒定，因此，新方案单独单独设计了驱动轮，通过弹簧产生恒定的压力，实现了恒定第驱动力，设计方案如图1所示。

输送车的驱动轮2的安装轴为直轴，从动轮8的安装轴、安装板、安装端和从动轮安装端轴线存在偏心距H，轴上有一垂直横臂，横臂与弹簧调整螺栓间拉有一根拉簧，拉簧拉动横臂使从动轮轴10顺时针转动，由于从动轮轴10偏心距的作用使从动轮8的轴线靠近工字钢1的腹板，使驱动轮2与从动轮8夹紧工字钢1的腹板，调节弹簧调整螺栓9可实现拉簧的拉紧力，从而改变驱动轮2与从动轮8与工字钢1间的夹紧力，调整输送车的驱动力，调整后输送车即可获得恒定的驱动力，摩擦轮输送车样机如图2所示。

为了减少输送车的能耗，提高小车的行驶距离，对摩擦轮输送车进行了轻量化设计，选用铝材为主要零件材料，安装板、负重轮的支架、联轴器、电池盒、轴承座等。为了便于输送车的维修，设计了电动与手动运动模式的互换，当小车出现故障或电池缺电时，只要松开弹簧即可消除驱动轮、从动轮与轨道腹板间的夹紧力，可手工推动输送车在轨道上自由行走（如果夹紧力不消除，则输送车将由于电机减速器的自锁导致驱动轮不能转动而卡在轨道上，无法移动）。为了防止轨道腹板尺寸的误差或轨道腹板异物的存在，导致驱动力不稳定或损坏输送车，设计了偏心机构，依靠弹簧的伸缩自动适应腹板厚度的变化，确保驱动力的恒定。弹簧拉伸长度可通过弹簧调整螺栓调节，从而获得不同的夹紧力，进而获得不同的输送车驱动力。输送车标准化率高，兼顾了经济性和产品的基本功能。总之，摩擦轮输送车的总体设计除了驱动原理的创新，还对输送车使用过程中可能存在的问题进行了综合考虑，并采取了有效的措施，确保输送车能满足用户需求。

3 部件选型与设计

3.1 摩擦轮的选择计算

摩擦轮（见图1驱动轮2、从动轮8）的作用是确保轮子和工字钢腹板产生足够的摩擦，避免摩擦轮与工字钢腹板间出现打滑的现象。根据工作要求确定输送车需要达到运行速度为6 m/mm，即运行的速度为O.1 m/s。

摩擦轮滚轮面使用尼龙材质，与工字钢腹板之间的滚动摩擦系数以及滑动摩擦系数是根据轨道的表面粗糙度以及轨道材质和尼龙类型来决定的，查阅《机械工程师手册》[3]可以得到静摩擦系数为0.90，滑动摩擦系数为0.65 - 0.80，滚动摩擦系数为0.40 - 0.60。

根据以上的参考数值，结合本次设计的综合条件考虑，静摩擦系数选择0.9，滑动摩擦系数选择0.8，滚动摩擦系数选择0.6。

输送车的其中一个摩擦轮（即驱动轮）的位置是固定的，是由传动装置提供动力作为驱动轮的，而另外一个摩擦轮是在拉簧的控制下提供所需的压力。在摩擦轮进行滚动运动时，滚动摩擦力的方向与摩擦轮的转动方向是相反的，水平方向有没有受到摩擦力，是根据摩擦轮是否和轨道稳定夹持不滑动。如果摩擦轮在运动过程中与铁轨之间不产生相对滑动，则摩擦轮就是在做纯滚动运动，此时，摩擦轮水平方向受到的摩擦力等于摩擦轮的静摩擦力大小，即：

F=Fmax

（2）式（2）中：F为摩擦轮与铁轨之间的滑动摩擦力;Fmax为摩擦轮和轨道之间的最大静摩擦力。

所以接下來的计算只要满足上式就可达到设计要求。

拉簧机构使摩擦轮产生对轨道腹板的正压力，大小为Ⅳ。滑动摩擦力的计算公式为：

f=μN

（3）

由上述可以知道滑动摩擦系数选择0.8，即f=0.8N。

摩擦轮是在有阻力偶的条件下进行的，维持摩擦轮滚动所需要的力的大小分析如图3所示。

4 摩擦轮输送车的优点及使用

4.1 摩擦轮输送车的优点

采用单独摩擦轮驱动的输送车优势明显，驱动轮与承重轮分开设计，各司其职，驱动轮与轨道压力不随着轨道坡度变化而变化，始终保持恒定，确保运动的稳定性，同时驱动轮又是导向轮，能随着轨道的弯曲而使输送车顺利转向，具体讲，摩擦轮输送车具有以下优势：①通过一对（或多对）与导轨互相挤压的摩擦轮驱动，驱动力稳定且大小可调，不易打滑，可在较大坡度轨道上运行;②驱动轮具有导向功能，提高移动小车循迹性能，运行稳定;③驱动轮和负重轮各司其职，有利于提高性能和延长寿命，提高运行稳定性;④输送车动力由电机提供，电源可以是移动电源，也可以通過安装在导轨上的导电排供电，提高输送车的使用范围。采用智能控制后，输送车可检测所带电池容量，自动进行充电。

4.2 摩擦轮输送车的正确使用

基于摩擦轮输送车的运行位置和工作原理，在使用时应正确操作，避免发生安全事故或设备不能正常运行。摩擦轮输送车禁止携带超重的物体工作。摩擦轮输送机运行轨道下方应设置安全通道，输送车工作时，不允许人和设备在轨道下方。摩擦轮输送车在携带重物运动之前要注意检查携带的物料的重心不能偏离在轨道腹板垂面，如偏离较多，应重新进行物料的装载，如果摩擦轮输送车在工作中出现了电机工作异常或者车身振动过大的情况时，应该立刻使摩擦轮输送车停止工作，在检查和分析了原因并且使故障排除了之后再重新使小车投入使用;轨道坡度不易过大，一般坡度≤300。

5 总结

摩擦轮输送车使驱动轮与承重轮功能分开、各司其职，可保证驱动轮与轨道（腹板）间的压力大小不变，驱动力不受运行轨道坡度的影响，大小恒定，同时驱动轮还起到导向作用，因此输送车运行更加平稳，便于输送系统完成分轨、合轨，提高输送系统的可靠性，具有广阔的应用前景。但是样机使用现有型材工字钢作为轨道，承重轮几乎不受轴向力，不能发挥承重轮的导向作用，容易导致运动跑偏的问题，所以应设计专用轨道，使承重轮发挥导向作用，进一步提高摩擦轮输送车的运行稳定性。

参考文献：

[1]王健，高洁.悬挂式巡逻小车：中国，ZL201520221060.6[P] .2015-04-13.

[2]倪雪梅.一种轨道小车的设计[J].机械，2012，39（ Suppl l）： 105-106.

[3]赵明生.机械工程师[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]张伟，孙银生，游广飞.摩擦轮传动中滑动问题及其对传动比的影响[J]。机械研究与应用，2011，24（2）： 61-63.