自位式装卸过桥的设计计算

改造者：金 伟 毛 杰 尉迟铁业 梁存真

自位式装卸过桥的设计计算

改造者：金 伟 毛 杰 尉迟铁业 梁存真

通过对自位式装卸过桥受力分析和设计计算，应用凸轮摆杆组合机构实现过桥升降与运输车辆尾部的搭接，使用弹簧机构通过摆杆与桥板凸轮板连接，实现重力与弹簧力的平衡；无需外界动力，仅靠人力驱动，可完成全部动作要求。操作灵活，维护简便，适合中小型仓储、港口、矿山、铁路、邮政及装卸货场使用。

邮政、矿山、铁路、物流等装卸场所的站台形式多样，运输车辆规格不一，使得固定式装卸站台很难满足快捷的装卸要求。因此研究可调节装卸高度的设备，实现固定站台与不同高度车厢尾部的快速搭接，使各种装载车辆直接驶入车厢内，实现货物机械化装卸，已成为邮政、仓储、物流行业急待解决的课题。

研究内容

目前国内邮件处理中心内使用的托盘小车、小型叉车集装箱的参数，要求“装卸过桥”的承载能力至少为30KN，考虑到邮政的发展前景，在设计中其承载能力定为50KN，桥板宽度1.7m、桥板长度1.6m，以利于将来装卸工具、装卸机械的通过。参照土建设计，邮件处理中心的站台高度1.2m（普通货物站台高度1.1m）、现服役的邮车的车型最高车辆的车厢高度1.4m、最低为0.8m，结合人机工程的设计要求和装卸机械的爬坡的要求，装卸过桥的工作范围设定为+7°～-7°，基本满足大多数车辆的搭接。

在此前提下，我们研究开发了自位机械式装卸过桥，以方便不同形式站台的配套选型。自位机械式装卸过桥，无需外界动力、低碳无污染，仅靠人力操作来完成全部动作要求。在人力驱动下装卸过桥被推至某个角度，桥板即平稳停在某处，且能横向平移实现不同车位的搭接（如图1所示）。操作时，人力松开锁紧装置，弹簧力作用在桥板上，操作者拉起或推下桥板，其拉力或推力克服惯性力和摩擦阻力，使桥板转动上升、下降，平稳的搭接在运输车辆的车厢尾部。

设计计算

在自位式装卸过桥的研究中，采用平面凸轮摆杆机构，摆杆端部的滚轮半径远远小于凸轮起升段的曲率半径。机构中弹簧起着非常重要的作用，一方面保持滚轮始终与凸轮接触，另一方面担负着平衡装卸过桥本体（各部件）的重量作用，以确保装卸过桥在运转过程中轻便、灵活，处于恒自位状态。机构中O1、O3分别为桥板的转轴和弹簧的转轴（如图1所示），桥板通过O1安装在站台上，而弹簧通过O3安装在桥板上且与O1不重合，这是由于若上述两点重合，则凸轮运动会出现较大失真，出现凸轮工作压力角较大的情况，对机构运动产生不利影响。

机构的构成

该机构组成共有活动构件2个，高副1处，低副2处，因此：

n=2，pi=2，ph=1，故其自由度：F=3× 2-2× 2- 1=1

装卸过桥的受力分析

为了简化计算，将过桥分为四部分进行受力分析，如图2所示。

其中：

P — 桥板对滚轮的压力；

L1— 摆杆长度；

L2— O1转轴距作用力P′垂直距离；

L3— O1转轴距桥板重力W2垂直距离；

L4— O3转轴距弹簧重力W3垂直距离；

图1　自位式装卸过桥结构示意图

图2　过桥四部分受力分析图

H0— 弹簧自由状态长度、ΔH— 弹簧伸长量。

为保证系统恒自位，需初步设计求出各构件质量，以重力为已知条件，确定弹簧、凸轮、推杆、及固定铰链的相对位置参数，因此这是一个多元优化问题，无法直接找出解析表达式的函数，要多次人为定多项初值，使计算逐渐收敛，才能得到近似解，而初值中因有多项为非线性变化，另外还要考虑制件的工艺性，所以给计算结果收敛带来了一定难度。

由于采用凸轮摆杆机构，并使用拉簧拉力平衡机构各器件重力，以保证系统运动时的恒自位要求，拉簧拉力随系统运动位置的变化规律既与机构旋转角度有关，又与滚轮在凸轮廓线上的位置有关，所以拉簧拉力的变化非线性且无法用函数描述，只能采用先设计后校核的方法进行机构设计。上述计算的目的是最终用于对凸轮进行修正、利于控制误差范围，实现力和力矩平衡。

表1　过桥设计计算结果

计算结果与分析

根据装卸过桥在整个翻转过程始终处于自位的条件，结合装卸过桥处于每个位置时的具体参数，计算出装卸过桥每翻转10°，弹簧力与装卸过桥自重力平衡结果见下表。

图3　T 与T′随反转角度变化曲线

图4　误差分析图

表1中所得到数据分析可知，在起点0o弹簧产生的拉力大于平衡转矩所需要的力，在终点97 o弹簧产生的拉力小于平衡转矩所需要的力，这是为了保证装卸过桥在起点、终点状态稳固停放和可靠工作，避免外界小扰动致使装卸过桥失灵产生误转动，同时也能满足人机工程中人力驱动的要求。

图3、图4所示为凸轮廓线经过工艺修正后的桥板平衡所需的理论拉力T ，弹簧的实际弹力T′的图线，以及误差分析图。（其中θ为翻转度数）

最终对力平衡校核表明，翻转段最大误差均在百分之五以内，满足人机工程设计要求。该机构的运用新颖简便，结构简单，但尺寸计算上则要求拟合精确，才能实现功能的准确性及可靠性以及生产工艺的可行性。

结束语

通过对自位机械式装卸过桥进行机构分析及受力分析，以机构中各构件重力为已知条件，进行弹簧、凸轮、推杆、及固定铰链的相对位置参数的确定。由于该问题为多元优化问题，并且采用凸轮摆杆机构，拉簧拉力变化规律非线性且无法用函数描述，故只能采用设计校核的方法进行系统设计。通过人为拟定初值，逐步计算优化，最终得到了符合机构工作要求的设计参数，并对计算结果的可用性及误差范围进行了分析。

自位式装卸过桥的设计计算不仅从理论上获取多元优化的数据，而且通过试制取得了可靠结论，为高位仓储运输业的安全高效生产提供了一种便利、灵活、耐用可靠的装卸设备。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.027