螺栓扭矩校验用机器人生产线动力设备选型*

□ 李 涛

广州铁路职业技术学院 机车车辆学院 广州 510430

1 研究背景

动车组最高速度超过350 km/h,高级修的检修质量是保证动车组运行质量的必要条件。为保证动车组能够正常制动,轮对制动盘螺栓不能有丝毫松动,否则会危及动车组的运行安全。动车组需要按修程定期进行检修,以保证各部件状态良好。动车组检修共分为五级,三级及以上检修时,需要对转向架进行分解,校验轮对制动盘螺栓扭矩。如螺栓扭矩在要求范围内,则可以继续使用,如超出范围,则需要更换螺栓及相关紧固件。目前,动车组的检修手段是采用人工校验轮对制动盘螺栓扭矩,需要人员多,作业强度高,检修效率低,有时还可能会出现误判,信息化程度低。为提高轮对制动盘螺栓扭矩校验的自动化和信息化水平,降低劳动强度和人力成本,保证作业质量及精准度,设计了螺栓扭矩校验用机器人生产线。笔者这一生产线的动力设备进行选型。

2 设计参数

螺栓扭矩校验用机器人生产线主要设计参数见表1。

表1 螺栓扭矩校验用机器人生产线设计参数

3 结构

螺栓扭矩校验用机器人生产线如图1所示,由轮对输送机构、顶升分度机构、工业机器人、扭矩校验装置、视觉识别装置、总控装置、安全防护装置等构成。轮对输送机构将轮对自动从预定工位输送至检测工位。顶升分度机构将轮对举升。视觉识别装置识别螺栓中心位置后,顶升分度机构中的分度装置将轮对旋转分度并进行扭矩校验。校验完第一颗螺栓扭矩后,分度装置将轮对旋转至下一颗螺栓检测位置继续校验,直至轮对制动盘螺栓扭矩全部校验完成。

轮对输送机构如图2所示,由输送机滑台、输送机立柱、止轮装置、拨轮机构等组成。输送机滑台包括滑台底座、伺服电机、直线滑轨、齿条。拨轮机构安装在输送机滑台上,包括驱动机构和限位机构。限位机构用于轮对输送时的限位,可以上下运动,适应不同轮对轴心的高度。

▲图1 螺栓扭矩校验用机器人生产线

▲图2 轮对输送机构

顶升分度机构如图3所示,由升降滑台、升降基座、传动组件、分度装置等组成。其中,传动组件包括直线导轨、丝杠、感应器、减速电机,分度装置包括伺服电机、减速机、同步带轮、同步带、分度轮。

▲图3 顶升分度机构

4 轮对输送机构动力设备选型

从电机、齿轮齿条、减速机等方面对轮对输送机构动力设备进行选型计算。

4.1 电机

轮对输送机构的操作工况为平直轨道,摩擦因数up为0。轮对输送机构滑动部分质量mh为100 kg,轮对质量ml为2 000 kg。启动阻力摩擦因数uq为0.006,直线滑轨摩擦因数u0为0.02,最大走行速度v0为0.2 m/s,车轮直径D0为920 mm。重力加速度g取9.8 m/s2。

牵引力F0为:

F0=(mh+ml)(up+uq)

(1)

计算得F0为126 N。

输入功率Pin为:

Pin=F0v0/w

(2)

式中:w为总传动效率,取0.8。

计算得Pin为31.5 W。

根据电机选型手册,确定电机额定功率为1 kW,额定转速n0为2 000 r/min,额定转矩M0为4.78 N·m,额定工作电流为3 A。

轮对转速n1为:

n1=60v0/(πD0)

(3)

计算得n1为4.15 r/min。

4.2 齿轮齿条

输送机滑台采用齿轮齿条结构,考虑系统结构及空间等因素,齿轮分度圆直径D1为60 mm,齿数为30,模数为2 mm。

4.3 减速机

轮对输送机构滑动部分负载F9为:

F9=u0mhg

(4)

计算得F9为19.6 N。

轮对输送机构总负载F为:

F=F0+F9

(5)

计算得F为145.6 N。

轮对输送机构负载转矩T为:

T=FD1/1 000/(2w)

(6)

计算得T为5.46 N·m。

轮对输送机构减速机减速比Al为:

Al=n0/n1/(D0/D1)

(7)

计算得Al为31.4。

根据减速机选型手册,确定减速机减速比A0为30,额定输入功率为1 kW,输出转速为66.7 r/min。

4.4 电机校核

电机输出转矩Mout为:

Mout=M0A0

(8)

计算得Mout为143.4 N·m。

Mout大于T,满足使用要求。

5 顶升分度机构动力设备选型

工作台质量mg为50 kg,行程ls为250 mm,顶升速度vd为0.03 m/s,加速时间t1为0.5 s,减速时间t2为0.5 s,每分钟往返次数为0.1。预选顶升电机额定转速nd为1 500 r/min,顶升分度机构减速器减速比Ad为5。

5.1 丝杠轴

根据选型手册,滚珠丝杠的导程Ph为:

Ph=1 000vd/(60nd/Ad)

(9)

计算得Ph为6 mm。

根据选型手册,选择丝杠直径为40 mm,导程Ph为10 mm。丝杠轴的支撑方法选择固定支撑。

5.2 轴向载荷

上升加速度as为:

as=vd/t1

(10)

计算得as为0.06 m/s2。

上升加速时,丝杠轴受到的轴向载荷F1为:

F1=(mg+ml)g+(mg+ml)as+f

(11)

式中:f为导向面阻力,为200 N。

计算得F1为20 413 N。

上升等速时,丝杠轴受到的轴向载荷F2为:

F2=(mg+ml)g+f

(12)

计算得F2为20 290 N。

上升减速时,丝杠轴受到的轴向载荷F3为:

F3=(mg+ml)g-(mg+ml)as+f

(13)

计算得F3为20 167 N。

下降加速时,丝杠轴受到的轴向载荷F4为:

F4=(mg+ml)g-(mg+ml)as-f

(14)

计算得F4为19 767 N。

下降等速时,丝杠轴受到的轴向载荷F5为:

F5=(mg+ml)g-f

(15)

计算得F5为19 890 N。

下降减速时,丝杠轴受到的轴向载荷F6为:

F6=(mg+ml)g+(mg+ml)as-f

(16)

计算得F6为20 013 N。

5.3 丝杆轴螺母

根据已选定的丝杠轴直径40 mm和导程10 mm,参考选型手册选择BTK 4010-5.3型丝杠轴螺母,基本动额定载荷Ca为40.3 kN,基本静额定载荷C0a为134.9 kN。

5.4 容许轴向载荷

因加速、减速时有冲击负荷作用,取静态安全因数fs为2。

容许轴向载荷Famax为:

Famax=C0a/fs

(17)

计算得Famax为67.45 kN。

Famax大于最大轴向载荷,可见容许轴向载荷满足要求。

5.5 工作寿命

加速时的运行距离L1、L4为:

L1=L4=1 000vdt1/2

(18)

计算得L1、L4为7.5 mm。

等速时的运行距离L2、L5为:

L2=L5=Ls-1 000vd(t1+t2)/2

(19)

计算得L2、L5为235 mm。

减速时的运行距离L3、L6为:

L3=L6=1 000vdt2/2

(20)

计算得L3、L6为7.5 mm。

根据以上计算结果,轴向载荷与运行距离的关系见表2。

表2 轴向载荷与运行距离关系

计算轴向平均载荷Fm为20 092 N。

额定寿命L为:

L=106[Ca/(fwFm)]3

(21)

式中:fw为负荷因数,取为1.2。

计算得L为4.67×106r。

工作寿命时间Lh为:

Lh=L/(60Nm)

(22)

式中:Nm为每分钟平均转速,为5 r/min。

计算得Lh为15 566 h。

5.6 旋转扭矩

在由外部负荷引起的摩擦扭矩中,上升等速时的摩擦扭矩T1为:

T1=F2Ph/(2πη)

(23)

式中:η为传动效率,取0.9。

计算得T1为35 882 N·m。

下降等速时的摩擦扭矩T2为:

T2=F5Ph/(2πη)

(24)

计算得T2为35 174 N·m。

对滚珠丝杠没有施加预压,因此由滚珠丝杠预压引起的扭矩为0。

单位长度的丝杠轴转动惯量Jd为1.97×10-2kg·cm2/mm,丝杠轴全长ls为450 mm,丝杠轴转动惯量Js为:

Js=Jdls

(25)

计算得Js为8.865×10-4kg·m2。

不考虑减速机的影响,转动惯量J1为:

J1=10-6(m1+m2)[Ph/(2π)]2Add2+JsAdd2

(26)

式中:Add为减速机减速比,为1。

计算得J1为6.084×10-3kg·m2。

考虑减速机的影响,转动惯量J为:

(27)

计算得J为2.433 8×10-4kg·m2。

根据电机选型手册,确定电机额定转动惯量Jm为15.3×10-4kg·m2。

丝杠轴角加速度ω′为:

ω′=2πNm/(60t1)

(28)

计算得ω′为1 rad/s2。

加速所需要的扭矩T3为:

T3=103(J+Jm)ω′

(29)

计算得T3为1.77 N·m。

由于T3数值较小,因此在后续计算中忽略不计。

顶升分度机构运行时所需的扭矩中,上升加速时的扭矩Tk1为:

Tk1≈T1=35 882 N·mm

上升等速时的扭矩Tt1为:

Tt1=T1=35 882 N·mm

上升减速时的扭矩Tg1为:

Tg1≈T1=35 882 N·mm

下降加速时的扭矩Tk2为:

Tk2≈T2=35 174 N·mm

下降等速时的扭矩Tt2为:

Tt2=T2=35 174 N·mm

下降减速时的扭矩Tg2为:

Tg2≈T2=35 174 N·mm

5.7 顶升电机

滚珠丝杠的导程根据顶升电机的额定转速进行选择,所以没有必要验证顶升电机的旋转速度。

加速时所产生的扭矩是所需要的最大扭矩Tmax,为:

Tmax=Tk1=35 882 N·mm

顶升电机的瞬间最大扭矩Tdmax为:

Tdmax≥TmaxAd

(30)

计算得Tdmax不小于7 177 N·mm。

根据以上计算,扭矩与运行时间的关系见表3。

表3 扭矩与运行时间关系

扭矩的有效值Trms为35 530 N·mm。

电机运行功率P为:

P=F2vd

(31)

计算得P为608.7 W。

根据电机选型手册,确定电机额定功率为1.5 kW,额定扭矩为7.16 N·mm,最大扭矩为21.5 N·mm,额定转速为2 000 r/min。

6 分度装置选型

旋转速度n为1 r/min,轮对两端轴径D2为130 mm,主动轮与轮对的静摩擦因数f′为0.1。

轮对转动惯量J′为:

(32)

计算得J′为105.8 kg·m2。

轮对角速度ω为:

ω=2πn/60

(33)

计算得ω为0.1 rad/s。

轮对角加速度α为:

α=ω/t1

(34)

计算得α为0.2 rad/s2。

加速时的扭矩Ta为:

Ta=Jα

(35)

计算得Ta为21.16 N·m。

平稳转动时,机构只需要克服内在阻力,因此不进行讨论。

分度装置传动关系如图4所示,轮对由主动轮带动旋转。

▲图4 分度装置传动关系

主动轮传动需要的力Fc为:

Fc=Ta/(D0/2)

(36)

计算得Fc为325.5 N。

轮对重力指向主动轮轴心的分力Ff1为:

Ff1=mlg/[2cos(65.16°/2)]

(37)

计算得Ff1为11 630 N。

主动轮与轮对轴之间的静摩擦力Ff为:

Ff=Ff1f

(38)

计算得Ff为1 163 N。

Ff大于Fc,所以主动轮通过摩擦力能够带动轮对转动。

电机的运行功率Pd为:

Pd>Taω

(39)

计算得Pd大于2.1 W。

轮对需要定角度旋转,因此选用伺服电机。伺服电机外接减速比为5的减速器,减速器的输出端与主动轮用减速比为1的同步带轮连接。

伺服电机的最大扭矩Tm为:

Tm>Ta/5/1

(40)

计算得Tm大于4.23 N·m。

综合以上计算结果,伺服电机的最大扭矩需要大于4.23 N·m,额定功率需要大于2.1 W。

根据电机选型手册,确定伺服电机额定功率为0.75 kW,额定扭矩为2.39 N·m,最大扭矩为7.2 N·m,额定转速为3 000 r/min。

7 结论

确定轮对输送机构选用额定功率为1 kW,额定转速为2 000 r/min,额定转矩为4.78 N·m,额定工作电流为3 A的电机,并选用减速比为30的减速机。

确定顶升分度机构选用直径为40 mm,导程为10 mm的丝杠,选用基本动额定载荷为40.3 kN,基本静额定载荷为134.9 kN的丝杠轴螺母,选用额定功率为1.5 kW,额定扭矩为7.16 N·m,最大扭矩为21.5 N·m,额定转速为2 000 r/min的电机,选用减速比为5的减速机。

确定分度装置选用额定功率为0.75 kW,额定扭矩为2.39 N·m,最大扭矩为7.2 N·m,额定转速为3 000 r/min的伺服电机,选用减速比为5的减速机。

对轮对输送机构、顶升分度机构的动力设备进行选型计算,计算结果表明,动力设备满足螺栓扭矩校验用机器人生产线的设计要求。