小型开启桥的机械传动系统创新设计

黄凯　陈茂双　谢宝玲　郑靖　李彬

摘 要：文章论述了开启桥的开启机构设计，开启桥开启部分包括支座设计、传动系统设计、减速装置设计、滑块控制系统设计等四个方向内容。在设计过程中开启装置为扇形齿枢轴-齿轮系统，通过齿轮啮合转动完成开启桥的开启和关闭；通过减速器来实现电动机输出转速与开启装置齿轮传动输入转速的变换实现低转速平稳开启；通过观察滑块控制系统来控制桥臂转动的角度，解决了桥臂转动过度或不到位的问题，通过三大系统共同实现桥臂的顺利开启与关闭。

关键词：开启桥；设计；扇形齿；枢轴

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）09-0018-01

1 开启桥及开启机构概述

开启桥（movable bridge）是指为了通航需要，上部结构能以竖旋、平旋、提升等方式开合的桥梁。开启桥的开启机构是给开启桥增加自由度，使其转动更加灵活，很好地解决通航问题。

改革开放以来，我国的公路建设方面有着飞速的发展，作为公路建设的重要组成部分——开启桥建设也得到了相应的发展，并被人们广泛关注。中国作为发展中国家，经济发展是首要位置。开启桥能够解决陆路和水路不兼顾的问题，加速经济的发展，并在以后的发展中有着不可估量的地位。我们设计的开启桥装置采用电气控制系统，该控制系统具有自动控制功能、保护功能、监视功能、测量功能、具有体积小、通用性和灵活性强，使用维护方便等特点。

2 小型开启桥的开启机构设计

小型开启桥开启机构是给开启桥增加自由度，它是由开启轴、支架、轴承、开启齿轮等组成的，通过各种元件的配合实现齿轮啮合来完成开启桥上下转动或者横向转动的一种机构，它本身就是一种对原有实体开启桥的一种革新，让基体能够平稳运动。开启机构原理图，如图1所示。

开启机构是整个装置的灵魂，担任了主要的开启任务。本开启机构采用的是齿轮扇形齿啮合系统。开启机构由主轴Ⅱ正转，转速为nII，在主轴Ⅱ上的直齿轮2与枢轴上的扇形齿轮1啮合，扇形齿轮1与桥臂为同一构件，从而带动桥臂运动，达到开启的目的。本设计是属于立转式开启桥，也就是使桥臂从水平位置旋转90 °至竖直位置，这就需要控制齿轮的啮合，保证齿轮的旋转角度，扇形齿轮就可以很好地控制旋转角度，适用于立转式开启桥中。

图1中的扇形齿轮机构是由齿轮机构演变而得的一种间歇传动机构。它主要是将主动轮的连续转动转换为从动轮的间歇运动达到桥臂缓慢开启的要求。扇形齿轮与直齿轮的传动是有一定角度的，进而实现了桥臂在一定的范围内旋转。扇形齿轮机构具有结构简单、制造方便、易于对桥臂的转动进行控制等特点。

采用齿轮传动有以下三点优势：①齿轮传动与链传动、带传动、蜗轮蜗杆传动相比。带传动的传动比不稳定，传动的中心距大，占据的空间大，使开启机构不稳定。链传动的精度较低，传动平稳性较差，最重要的链传动会出现掉链的现象，这对开启机构来说有着致命的影响；蜗轮蜗杆的传动效率低，容易发热，缩短了开启桥的使用寿命。②齿轮传动硬度较高，在转动过程中能承受较高载荷。③齿轮结构紧凑，能减少使用面积，保证了整个开启机构的紧凑性。开启机构结构图，如图2所示。

3 小型开启桥的滑块控制

滑块传动原理，如图3所示。

滑块控制，是通过滑块移动，观察在导轨上的相对位置，计算出桥面与水平面的相对角度，完成对桥面的有效调控。

其传动原理如下：H臂、桥面L和扇形齿轮共同被固定在枢轴I上，扇形齿轮在转动的过程中带动枢轴I上的桥面和H臂以相同的角速度ω进行转动。H臂与K臂、M滑块槽以及小滑块共同组成了四杆机构，由于自由度：

F=3n-2p1-ph=3×3-2×4=1

只要H臂发生转动，滑块m就会在滑块槽M内平移运动。由于角速度ω相同，所以滑块运动的速度V∝ω，便可以得出滑块m和滑块槽边缘的相对距离与桥面L和水平面的转过角度的函数s=kθr。

将函数编写成入C语言并制作出程序，操作员通过计算机就能得到桥梁精确地角度。并在需要停止桥面转动时提前做出操作，完成桥梁的停止。滑块控制系统，如图4所示。

本控制系统是对其他不同控制基础的创新。相比普通的控制系统，有以下优点：

①采用最简单的曲柄滑块机构，设计制作方便，传动原理简洁，传动效率高，最重要的是传动平稳，振动速度极低。②滑块控制与扇形齿轮形成双保险，防止了开启桥转动角度过大超出控制，减少安全隐患。③便于编程，通过程序控制桥梁转动角度，完成开启桥旋转的开启和关闭，实现了自动化、智能化控制。

4 结 语

本作品设计的开启桥属于立转式的开启桥，开启装置通过齿轮传动减速装置和滑块控制等一系列传动共同组合而成。在传动过程中，齿轮传动成为整个开启装置传动的核心内容，通过直齿圆柱齿轮与扇形齿轮的啮合，使得桥臂旋转，达到了开启的目的。减速装置是通过蜗轮蜗杆传动达到减速的目的。蜗轮蜗杆传动优于齿轮传动，可以实现很大的传动比，使桥臂旋转速度较低，更为平稳。滑块控制采用曲柄滑块机构，在枢轴的旋转下带动滑块进行直线运动，观察滑块与滑块槽的相对位置来控制开启桥的开启与关闭。

本开启桥装置应用广泛，适合安全性要求较高的地区，如有较高的抗震设防要求时，本设计适用，在对通航净空要求较高的河道，如经常出现游艇等高耸型船只时，本设计的适用性也较强，三是本设计的低成本和易维修性，增强了推广竞争力。

参考文献：

[1] 张钰雕.响螺湾海河开启桥结构性能及疲劳荷载谱研究[D].天津：天津 大学，2008.

[2] 梅新咏.温州瓯南大桥开启桥方案构思[J].桥梁建设，2006，（S2）.

[3] 冯涛，刘敬贤.天津港海河开启桥通航环境与安全研究[J].中国水运，2007，（10）.