铁路接触网腕臂管材输送装置设计

齐光宇 沙 杰 吴宗庆 胡森龙 李金洋

（河南工业大学 机电工程学院，郑州 450001）

智能建造是以人工智能、大数据、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等为技术体系，依托自动化设备而形成的创新发展模式[1]。接触网腕臂智能建造将整条施工路线划分为多个区间段，实现腕臂集中预配。通过算法的优化整合，将多根不同长度的腕臂分为一个加工组，对各区间加工数据整合后，进而指导管材长度的选取，实现管材的最大化 利用[2]。

与智能建造技术相匹配的管材输送设备，应配合腕臂加工要求及智能建造的加工数据，完成单根管材的多次切割及多工位加工的精准输送。目前，市场上尚未出现能完全满足要求的自动化输送设备。针对现存问题，为更好地服务腕臂智能建造，同时考虑管材输送的实现方式，提出了一种接触网腕臂管材输送装置的设计方案。

1 输送装置方案设计

1.1 腕臂管材基本参数

输送装置对象为平、斜腕臂管材，如图1、图2所示。管材的基本参数见表1。

表1 管材基本参数

1.2 方案设计

腕臂管材输送设备将管材依次输送到指定工位，通过预处理（钻孔、切割、喷码、切割端面去毛刺以及切割端面防锈喷漆）、套管装配等加工后成为成品腕臂。

考察现有腕臂管材输送设备，开展对智能建造背景下的腕臂管材输送装置研究工作。考虑生产要求，确定输送装置的各个机构及结构布局[3]：首先，考虑装置整体性，将平、斜腕臂管材上料机构布置于两侧；其次，采用多排链条同步输送上料，保证管材以水平状态稳定上升；再次，支撑面设计为倾斜状态，管材依靠自身重力滚落至输送位；最后，为实现平、斜腕臂管材共用同一传送廊道，抓取输送机构的悬臂支撑架不能过长，这就限制了输送范围。为解决后续管材进行预处理加工的输送难题，设计了两套四爪卡盘输送机构，配合抓取输送机构，实现了腕臂管材在加工工位间的精准输送。输送装置各机构及结构布局如 图3 所示。

2 动力传动机构设计

8 m 平腕臂管材以及4 m 斜腕臂管材需要实现自动化上料。由于8 m 管材上料传动机构跨度较大，相比4 m 斜腕臂管材传动较为复杂，需要对其动力传动机构进行研究。

输送链设计一次存放5 根管材。为方便管材的搬运，输送链与地面成60°夹角。带动长8 m 的管材上料，传动路线较长，使用一根轴易产生挠性变形，需要将传动轴进行分段。使用万向联轴器连接各段传动轴，同时加装支撑件，通过传动链将动力传递到传动轴上，带动输送链进行上料。考虑传动轴上输出点的数量，合理布置输入点及输出点的位置，可减少应力集中[4]。动力传动机构如图4 所示。

2.1 传动轴的设计

传动轴是动力传动机构不可或缺的零件，直接影响动力传递性能。考虑到装置会变更使用场所，要便于拆装和更换。因此，选用六角棒型材更加合适，材质为较常使用的316L 不锈钢[5]。斜腕臂管材传动机构传动轴定为2.5 m。平腕臂管材传动机构传动轴由两段长2.5 m 的六角棒组成。

由图4 可知，在动力输入位置处，传动轴受到传动链拉力的作用，是整根轴上受力最大处。若传动轴尺寸（对边距离b）选择不合适，将在此处产生超出许用范围的变形，造成传动机构的破坏。因此，有必要对此位置进行挠度计算[6]，依据变形允许量选择合适的六角棒。以动力输入处d 点所在轴为对象分析，受力情况简化处理后如图5 所示。联轴器以轴间角α=0 为理想状态，M4为联轴器传递扭矩（不考虑由扭矩产生作用于轴上的圆周力）。

计算d 点的挠度，需要加一单位力，方向与变形方向相同。将水平面及垂直面各点变形量累加后矢量法合成d 点挠度，比较许用变形（取0.000 3L ～ 0.000 5L，L 为支撑间跨度），确定轴的直径。

变形量Δi 累加公式为：

由式（1）、式（2）可得传动轴对边距离b 的取值范围为大于75.4 mm。选取对边距离为80 mm 的六角棒，可使得轴的变形量在许用范围内。

2.2 传动轴的支撑

传动轴需要同链轮、轴承及其他零件进行连接。传动轴为型材，不便对传动轴进行加工，考虑与零件进行无键连接[7]，完成传动轴的装配。因此，在对轴进行轴向及周向固定时，需要对链轮进行加工或者配合相关零件进行固定。

链轮内孔可依照六角棒端面尺寸加工，加工后的链轮可与传动轴完成周向固定。在链轮两边使用隔套，与轴套相接触，使用紧定螺钉约束轴向运动。轴套内径依照传动轴外径尺寸加工，加工成为内六方外圆形状。传动轴在转动时，主要受径向力作用，轴向负荷较小，采用深沟球轴承实现两端固定支撑。传动轴支撑图如图6 所示。

3 管材输送方案设计

3.1 管材输送方案

管材输送方案需要考虑管材加工工位的分布及加工流程、8 m 及4 m 管材共用同一加工平台、管材切割后余料的长度范围等条件。管材的加工参数决定了输送机构的数量及加工平台的长度。由于管材切割长度是变化的，输送机构会在某一范围进行移动，结合加工工位位置可确定输送机构在各工位之间移动的距离。抓取输送机构行程a 定为1 m；四爪卡盘输送机构1 的行程b 定为2.5 m；四爪卡盘输送机构2 的行程c 定为5.5 m。管材输送方案定为三段输送，输送机构协同合作完成腕臂管材输送工作。

3.2 输送动作顺序

第一，上位系统程序发送加工数据至控制系统，判断上料管材型号。第二，管材滚落至传送廊道后，电机驱动抓取输送机构由起始位移动至抓取位，抓取管材后再移动至起始位。夹爪松开，抓取输送机构重复之前动作，带动管材前移，再次回到起始位后停止运动。第三，输送机构1 卡盘闭合，带动管材继续前行，管材触碰到切割夹具处的光电开关，机构1 停止前进。返回原点，夹紧管材，继续带动管材前进至输送机构2 支撑滚轮光电开关处停止。第四，输送机构2 对管材定位，依据加工数据将管材依次移动至钻孔、切割、去毛刺、喷码、喷漆及烘干等工位。预处理完成后，管材被输送机构2 移动至装配区，平腕臂剩余管材继续完成预处理工序。

3.3 管材输送控制

使用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）实现管材输送控制。通过光电开关的通断实现输送机构的启停动作。具体切割次数需要上位机的命令控制，PLC 根据上位机指令控制各个机构移动，实时收集运行状态并与上位机交互[8]，直至输送完毕。

4 结语

在智能建造的背景下，设计了一款接触网腕臂管材输送装置。以8 m 管材为对象，设计了动力传动机构，通过对机构关键零部件的研究，得到了六角棒型材作为传动轴的设计参数。根据腕臂预配智能建造加工信息的要求，制定了管材输送技术方案，实现了管材预加工输送。该装置杜绝了上料混乱情况的发生，提高了腕臂输送的可靠性、精准性，能较好地满足智能化生产需要。