童 望,万 珊
(1.湖北中科智能装备制造有限公司,湖北 黄冈 438000;2.湖北黄冈应急管理职业技术学院,湖北 黄冈 438000)
调平支腿广泛应用于各种需要调整高度和保持稳定性的场合。在检修调试时,手动操作带来便利。手动操作与自动操作必须互锁,保证人身安全。
现有的手动机构有3 种:1)没有手动机构[1-4],不能进行手动操作;2)有手动机构,无互锁机构[2];3)有手动机构,有互锁机构。其在减速箱内部设有离合器,还设有传感器检测离合齿轮的位置。该方案结构复杂,成本较高,容易产生故障,检修难度大。为此提出一种适用于液压马达驱动的调平支腿互锁设计方案。该方案采用了简化的结构设计,具有成本低、耐用性强、检修方便等优点,大大提高了其使用便利性和效率。
设计带有上述互锁装置的调平支腿整机,通过理论分析和实验验证,证明该设计方案的有效性和优越性。希望通过该方案的研究,为调平支腿的设计在提升安全性,降低成本方面为相关领域提供有价值的参考。
在确定平台支撑方案[5]后,开始设计调平支腿部件。如图1 所示。
图1 调平支腿结构简图
根据平台总体设计,调平支腿的驱动部分采用液压马达。减速部分为齿轮减速箱。伸展撤收部分采用滑动螺旋传动,并通过选择合适的螺旋升角实现自锁。
驱动部分有两路动力源,一路是液压马达,另一路是手动,两个动力源都连接到驱动轴上。为保证手动操作的安全,在手动操作时,液压马达必须停机,这个要求由互锁机构实现。
互锁机构采用了新的思路。其两路动力源始终与驱动轴保持连接。在自动状态下,阻塞手动操作摇把与支腿之间的机械连接。在手动操作时,电控系统切断液压马达供油。
梯形螺杆选用40Cr 调质处理,物理性能优良,螺母选用ZCuZn25Al6Fe3Mn3 铝黄铜。以耐磨性和强度计算基本尺寸,对可能存在风险的项目进行校核计算[6],见表1。
表1 校核计算分析情况
液压马达的主要性能参数有转速n、转矩T和效率η,根据这些参数之间的关系进行马达选型。
由梯形丝杆轴的扭矩和齿轮箱的传动比可得:T=223N·m,n=85 r/min,取η=0.8。
优选选择工作压力高、排量低的马达,在输出功率相同时,减小液压系统的体积和重量。
根据供应商产品目录中马达的工作压力范围,选取p=14 MPa。
计算得到流量Q=10.6 L/min,排量q0=125 mL/rev。
根据排量q0,额定压力p,额定扭矩T,转速n的范围,从目录中选择合适的型号。
减速器主要由两对直齿轮和一对锥齿轮组成,有三根立轴、一根水平轴(手动轴)及相应的轴承,以及箱体、箱盖、轴承座。在减速器上设计有手柄接口,在维修时,通过手柄操作实现支腿的伸缩。基本结构见图2 所示。
图2 齿轮箱剖视图
驱动轴上的圆柱齿轮与中轴上的大圆柱齿轮啮合实现第一级减速,中轴上的小齿轮与螺杆轴上的齿轮啮合实现第二级减速。与液压设计协同计算,确定马达与螺杆轴的传动比为4.1。
锥齿轮啮合提供手柄操作接口。手柄的回转半径≤350 mm,操作力≤160 N。据此计算出锥齿轮的传动比为4.08。
在液压马达运行时,不得进行手动操作。互锁机构通过机电结合的方式得以实现该功能。
自动操作时,手柄接口被遮挡(图3 左),驱动轴由液压马达驱动。此时,手动轴上的锥齿轮会跟转;由于此时在手动轴上几乎没有负载,而且手动轴的使用频率很低,故对整机寿命没有的影响。
图3 互锁机构
手动操作时,手柄接口没有被遮挡(图3 右),可以连接手柄。此时,电控检测到手柄接口处于开放状态,在此状态下液压马达的供油被切断。需要了解的是,手动操作时,液压马达会跟转。由于液压马达在卸载后仅有很小的阻力,对操作力的影响很小。
在设计完成后,需要采用样机验证关键性能。按如下步骤进行:
(1)将样机固定到推力实验台上(见图4)。
图4 调平支腿推力实验图
(2)用手柄操作使支腿伸展至最大行程的90%左右。
(3)给样机逐步施加载荷,至200 kN 停止,保持5 分钟后卸除载荷。注意观察实验过程中是否有异常噪音,在保持载荷的过程中是否有回退现象;卸除载荷后检查是否有弯曲变形、结构损坏,操作是否灵活。
(4)给样机施加150 kN 的初始载荷,保持试验台加载板的位置。用手柄操作使支腿伸展,载荷逐渐增加。在载荷达到160 kN 时,用推力计推动手柄继续加载,读取推力计显示的值。
实验结果见表2。
表2 实验结果
由实验结果可知,机械设计方案是适当的,能满足技术要求。
经用户装车联调测试(见图5),互锁装置实现了期望的功能,安全有效。
图5 调平支腿装车状态
调平支腿在工程车辆和特种车辆上应用广泛,其设计成熟可靠。而且动力来源和执行方式多种多样,减速器的设计各有特色。为了安全起见,带有手动功能的调平腿需要有手动自动互锁装置。文中的互锁机构的设计结构简单,零件数量少,减轻了整机重量,提升了整机的可靠性,降低了生产成本和使用维护成本,可根据使用场景评估后酌情采纳。