山地果園牽引式雙軌輪式牽引鋼絲繩自動排繩裝置設(shè)計(jì)

山地果園牽引式雙軌輪式牽引鋼絲繩自動排繩裝置設(shè)計(jì)

近年來，國家柑橘產(chǎn)業(yè)機(jī)械研究所開發(fā)出了一系列山地果園機(jī)械機(jī)械模型，以解決農(nóng)業(yè)運(yùn)輸?shù)睦щy，提高了人工運(yùn)輸?shù)某杀?。該系列機(jī)型用鋼絲繩的應(yīng)用工況與傳統(tǒng)起重機(jī)不同,傳統(tǒng)起重機(jī)用鋼絲繩的張緊力保持相對穩(wěn)定,而該運(yùn)輸機(jī)的載物滑車在沿彎曲起伏軌道運(yùn)載時,通常有間隙性啟停,使鋼絲繩在滾筒上纏繞時緊松不一,極易出現(xiàn)亂序現(xiàn)象,嚴(yán)重時鋼絲繩堆積纏繞于滾筒一處而跳出滾筒,導(dǎo)致驅(qū)動裝置無法正常工作。若在驅(qū)動裝置滾筒旁邊安排人工排繩,則存在極大的安全隱患,甚至?xí)l(fā)事故,因此,盡快研制適用于山地果園彎曲起伏變化軌道的運(yùn)輸機(jī)排繩裝置具有重要意義?，F(xiàn)有用于卷揚(yáng)機(jī)排繩的裝置大都為特定提升機(jī)或紡織機(jī)械設(shè)計(jì)制造,需專門配備驅(qū)動及減速裝置,其造價高,體積較大,對山地果園牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)并不適用。筆者根據(jù)山地果園牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種與之適應(yīng)的排繩裝置,即依靠運(yùn)輸機(jī)滾筒自身的轉(zhuǎn)動提供驅(qū)動力,并配備鋼絲繩松脫自動張緊裝置,實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在滾筒上有序且往復(fù)緊湊排列,以防止鋼絲繩亂繩、擠繩等不正常現(xiàn)象發(fā)生。1軌道、拉伸、載物滑車如圖1所示,設(shè)計(jì)的山地果園牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)主要由驅(qū)動裝置、軌道、鋼絲繩和載物滑車組成。驅(qū)動裝置位于山頂(也可置于山底),軌道沿起伏彎曲的山坡鋪設(shè),貨運(yùn)滑車騎跨于軌道之上,鋼絲繩的一端與載物滑車相連,另一端卷入驅(qū)動裝置的內(nèi)置滾筒上。1.1排繩裝置要求根據(jù)山地果園牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn),其排繩裝置應(yīng)滿足以下要求:1)排繩裝置應(yīng)加裝在原卷揚(yáng)機(jī)上且體積較小;2)排繩過程應(yīng)為機(jī)械式傳動,無需配備額外的驅(qū)動力及減速箱;3)應(yīng)具備迫使鋼絲繩往復(fù)運(yùn)行的能力;4)應(yīng)配備鋼絲繩松脫張緊裝置,保證鋼絲繩進(jìn)入滾筒前為張緊狀態(tài)。1.2排繩裝置的組成根據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn),山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)排繩裝置設(shè)計(jì)由鏈傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、移動滑座、排繩輪、雙向矩形螺紋副、換向套、導(dǎo)向撥叉、鋼絲繩松脫自動張緊裝置等組成,如圖2所示。其中鏈傳動機(jī)構(gòu)、雙向矩形螺紋副、導(dǎo)向撥叉和排繩輪是排繩裝置的核心部件。小鏈輪2置于滾筒1側(cè)端旋轉(zhuǎn)軸上,大鏈輪6置于雙向矩形螺紋桿12側(cè)端旋轉(zhuǎn)軸上,大、小鏈輪通過鏈條3相連。雙向矩形螺紋桿12置于移動滑座11中心通孔內(nèi),導(dǎo)向撥叉15端面月牙型滑塊置于雙向矩形螺紋桿12螺紋槽內(nèi),移動滑座11上端面安裝一對相互配合的排繩輪14,鋼絲繩10位于兩排繩輪14中間,雙向矩形螺紋桿12正前方設(shè)置鋼絲繩松脫自動張緊裝置,鋼絲繩10位于重力托輥8下方。1.3雙向矩形螺紋滑動副的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)排繩裝置的工作原理:運(yùn)輸機(jī)啟動,滾筒與雙向螺紋桿通過鏈傳動同步轉(zhuǎn)動,移動滑座內(nèi)置導(dǎo)向撥叉在螺紋桿轉(zhuǎn)動的帶動下沿螺紋槽運(yùn)動,導(dǎo)向撥叉沿螺紋槽運(yùn)動同時帶動移動滑座作直線移動;雙向矩形螺紋桿兩端設(shè)置換向槽,移動滑座移動至螺紋桿兩端時,滑塊的前端觸碰換向槽的頂點(diǎn)后轉(zhuǎn)變方向,沿另一方向的螺紋槽運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)移動滑座的往復(fù)直線運(yùn)行。鋼絲繩依次經(jīng)過重力托輥下端及排繩輪之間的間隙后進(jìn)入滾筒,使?jié)L筒入繩口的傾角始終為0°(無論進(jìn)入排繩輪前的鋼絲繩傾角有多大)。這樣旋轉(zhuǎn)的滾筒,通過小鏈輪-鏈條-大鏈輪-雙向矩形螺紋副兩級旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)變成移動滑座的往復(fù)直線運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)移動滑座上的排繩輪迫使鋼絲繩水平走動,保證鋼絲繩按照固定的節(jié)奏往復(fù)纏繞;若鋼絲繩突然松脫,重力托輥在自身重力作用下落瞬間壓緊鋼絲繩,保證進(jìn)入排繩輪前的鋼絲繩保持張緊狀態(tài)。2.重要設(shè)備的設(shè)計(jì)和參數(shù)的確定2.1置石與螺釘?shù)慕佑|為保證排繩裝置能有效迫使鋼絲繩在滾筒上有序繞卷,排繩裝置首先必須滿足雙向矩形螺紋桿與滾筒內(nèi)軸同步轉(zhuǎn)動,其次是雙向螺紋行程與滾筒筒體有效寬度應(yīng)相等。如圖3所示,鋼絲繩進(jìn)出滾筒過程中,令鋼絲繩與滾筒的接觸點(diǎn)為A,滾筒O點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn),B為滾筒最右端,滾筒軸向?yàn)閅軸建立直角坐標(biāo)系。令O′點(diǎn)為雙向矩形螺紋桿最左端,A′點(diǎn)為排繩輪在雙向矩形螺紋桿的水平位置,B′點(diǎn)為螺紋桿最右端。滾筒繩槽螺距及其轉(zhuǎn)速、雙向矩形螺紋桿螺距及其轉(zhuǎn)速的關(guān)系可由以下方程推導(dǎo)得出。鋼絲繩在滾筒上的接觸點(diǎn)A從O點(diǎn)移動至點(diǎn)B時水平直線運(yùn)動方程為鋼絲繩在螺紋桿上的接觸點(diǎn)A′從O′點(diǎn)移動至點(diǎn)B′時水平直線運(yùn)動方程為式中b為滾筒筒體的有效寬度,mm;t為鋼絲繩在滾筒上運(yùn)行時間,s;n1為滾筒轉(zhuǎn)速,r/min;n2為雙向矩形螺紋桿轉(zhuǎn)速,r/min;d1為滾筒繩槽螺距,m;d2為雙向矩形螺紋桿螺距,m。要保證點(diǎn)A與點(diǎn)A′同步水平移動,必須滿足將式(1)及式(2)帶入式(3)可得2.2滑塊在換向曲線時滑塊表面位移為使滑塊在換向槽處能平穩(wěn)過渡,將雙向矩形螺紋桿兩端換向槽設(shè)計(jì)成一拋物線型,以拋物線的對稱中心線作為滑塊兩端換向曲線的理論中心線,如圖4所示。圖4中,令拋物線頂點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O(0,0),以拋物線對稱中心線為Y軸,建立如圖所示坐標(biāo)系,則該拋物線的函數(shù)方程可表示為設(shè)雙向矩形螺紋桿以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,螺紋桿直徑為D,螺紋桿螺旋角為α,則滑塊在時間t內(nèi)沿X方向上的位移x可表示為,令,則x=kt,即可得滑塊沿Y軸方向線速度為滑塊沿Y軸方向的加速度為由式(6)可以看出滑塊在換向曲線段速度是均勻線性變化的,而加速度為常量,滿足滑塊換向時平穩(wěn)過渡的要求,因此選擇拋物線型換向曲線比較合理。式(5)中的b值可通過以下推導(dǎo)求得點(diǎn)A坐標(biāo)將點(diǎn)A的坐標(biāo)帶入式(5),可求得將式(8)帶入式(5)可得換向曲線的方程為將式(8)分別帶入式(6)和式(7)可知,滑塊在換向曲線段運(yùn)行時,沿Y軸方向的線速度,沿Y軸方向的加速度。2.3滑塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)向撥叉包括圓柱連接頭和月牙型滑塊組成,如圖5所示,滑塊位于雙向矩形螺紋槽內(nèi)?；瑝K月牙型端面與螺紋槽構(gòu)成摩擦副,當(dāng)滑塊在螺紋槽內(nèi)運(yùn)行時,滑塊應(yīng)滿足強(qiáng)度高、耐磨、平穩(wěn)和轉(zhuǎn)向靈活等要求,材質(zhì)選用青銅,保證滑塊的強(qiáng)度和耐磨性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求:一是與換向槽尺寸匹配;二是與矩形螺紋槽底的接觸為弧面接觸;三是滑塊在進(jìn)出換向曲線時,換向曲線導(dǎo)向段應(yīng)大于滑塊長度K,在此,將滑塊長度K設(shè)計(jì)成雙向螺紋桿螺距的1.5倍。圖5中所示,為避免導(dǎo)向撥叉與雙向螺紋槽表面產(chǎn)生摩擦,導(dǎo)向撥叉的導(dǎo)向部高度h應(yīng)大于螺紋槽深度T,寬度H應(yīng)小于螺紋槽寬度d1?；瑝K月牙形端面與矩形螺紋槽的接觸弧面為橢圓的一部分,其橢圓的具體參數(shù)可由公式推導(dǎo)得出式中R1為橢圓長半軸,mm;R2為橢圓短半軸,mm;D為螺紋桿直徑,mm;T為螺紋螺深度,mm;α為螺旋角,(°)。3排繩輪推力與損害作用機(jī)理滾筒轉(zhuǎn)動過程中,鋼絲繩在排繩輪的強(qiáng)制作用下往復(fù)繞卷,如圖6所示,當(dāng)鋼絲繩由點(diǎn)B往A運(yùn)動,即鋼絲繩由滾筒中心往滾筒側(cè)壁繞卷,鋼絲繩拉力F沿垂直于滾筒軸向的分力F3用于牽引載物滑車運(yùn)行,分力F2被滾筒處前一圈鋼絲繩對后一圈鋼絲繩所產(chǎn)生的側(cè)推力F3平衡,此時排繩輪不受外力作用,排繩輪勻速移動。當(dāng)鋼絲繩由點(diǎn)C往B運(yùn)動,即鋼絲繩從滾筒側(cè)壁往中心繞卷,鋼絲繩前一圈鋼絲繩對后一圈鋼絲繩所產(chǎn)生的推力為零,此時鋼絲繩拉力F沿滾筒軸向的分力F2′只能依靠排繩輪對鋼絲繩的反作用力F4來平衡,排繩輪的推力F4可由以下公式推導(dǎo)得出將式(12)帶入式(11)得式中θ為鋼絲繩與滾筒中心線偏角(°)。由式(14)可得出,排繩輪的作用力與鋼絲繩的軸向拉力及鋼絲繩與滾筒中心偏角成正比例關(guān)系。4性能試驗(yàn)和結(jié)果分析4.1運(yùn)輸試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)場地位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院國家柑橘體系機(jī)械研究室試驗(yàn)園。驅(qū)動裝置位于下方,運(yùn)輸機(jī)軌道行程為16.5m,軌道坡度為11.5°,載物滑車質(zhì)量為84.2kg;試驗(yàn)鋼絲繩:舊繩,型號6×19S+FC,直徑7.7mm;電機(jī)在頻率設(shè)為50Hz時,載物滑車的平均運(yùn)行速度為0.58m/s;牽引阻力以運(yùn)載桶裝水運(yùn)行。4.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)主要是通過比較原驅(qū)動裝置在排繩裝置安裝前后的排繩性能、功耗增減和振動噪音變化情況,從而綜合評判該排繩裝置的性能。1)排繩性能對比試驗(yàn)。排繩裝置的鋼絲繩充滿系數(shù)K,是衡量排繩裝置排繩性能的主要指標(biāo),其計(jì)算公式為式中d為滾筒內(nèi)徑,mm;D為滾筒外徑,mm;dk為鋼絲繩直徑,mm;l為鋼絲繩已卷入滾筒的長度,mm;b為滾筒內(nèi)側(cè)寬度,mm;H為鋼絲繩最高點(diǎn)至滾筒外徑邊緣的距離,mm。圖7為鋼絲繩與滾筒繞卷的示意圖,從式(15)及圖7可以看出,鋼絲繩充滿系數(shù)隨H值的變化而變化,故通過測試相應(yīng)H值,帶入式(15)即可算出K值。已知滾筒內(nèi)徑175mm,滾筒外徑260mm,鋼絲繩直徑7.7mm,卷入卷筒內(nèi)的鋼絲繩長175m,滾筒內(nèi)側(cè)寬度350mm。試驗(yàn)方法:針對原驅(qū)動裝置有排繩裝置和無排繩裝置,電機(jī)頻率設(shè)為50Hz時分別進(jìn)行10次鋼絲繩繞卷試驗(yàn)。因軌道長度有限,每次試驗(yàn)卷入滾筒的鋼絲繩為16m,載物滑車無載重,每次試驗(yàn)完測試鋼絲繩最高點(diǎn)至滾筒外徑邊緣的距離H值,取5次試驗(yàn)的平均值帶入式(15)中,求得K的平均值。2)能耗對比試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器:變頻器(臺達(dá),VFD-M系列,2.2kW),三相四線有功電能表。試驗(yàn)方法:試驗(yàn)分別在驅(qū)動裝置有排繩裝置和無排繩裝置2種條件下進(jìn)行,載物滑車裝載質(zhì)量50kg,單程運(yùn)輸距離16m,變頻器頻率依次設(shè)為10、20、30、40、50Hz,載物滑車在每種頻率來回運(yùn)輸30次,記錄有功電能表的示數(shù)。3)振動噪音對比試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器:VICTOR824A數(shù)字噪音計(jì),測試范圍30~130dB,精確度±1.5dB,頻率響應(yīng)31.5Hz~8.5kHz。試驗(yàn)方法:試驗(yàn)分別在驅(qū)動裝置有排繩裝置和無排繩裝置2種條件下進(jìn)行(圖8)。數(shù)字噪音計(jì)置于距地面高0.5m平面內(nèi),以驅(qū)動裝置中心為原點(diǎn),朝東、南、西和北每隔0.2m各設(shè)置1個測試點(diǎn)。運(yùn)輸機(jī)分別在10~50Hz5種不同頻率及裝載質(zhì)量50kg下運(yùn)行,每次噪音數(shù)據(jù)均在載物滑車處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時記錄,同一條件試驗(yàn)測試5組,每組測試時間為5s,取5次試驗(yàn)的平均值作為該點(diǎn)的振動噪音值。4.3裝排繩裝置1)排繩性能對比。滾筒內(nèi)鋼絲繩總長175m,分4層繞卷。因所建軌道長度有限,故只能觀察第4層鋼絲繩(16m)的排繩效果,試驗(yàn)過程選取一組典型排繩進(jìn)行性能對比(圖9)。從圖9可以看出,A圖中原有驅(qū)動裝置無加裝排繩裝置,表層鋼絲繩在滾筒的左端有幾處亂序和堆積;B圖中原有驅(qū)動裝置加裝排繩裝置,表層鋼絲繩繞卷緊湊,排布均勻。試驗(yàn)結(jié)果表明:繞卷16m鋼絲繩,有排繩裝置鋼絲繩最高點(diǎn)至滾筒外徑邊緣的平均距離為23.86mm,鋼絲繩充滿系數(shù)K為1.41;無排繩裝置平均距離為9.83mm,鋼絲繩充滿系數(shù)K為1.15。有排繩裝置比較無排繩裝置,其鋼絲繩充滿系數(shù)平均增加了22.6%。2)功耗對比。功耗對比試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,運(yùn)輸機(jī)隨電動機(jī)頻率的增加,功耗逐漸減少。對比原驅(qū)動裝置在加裝排繩裝置前后發(fā)現(xiàn),驅(qū)動裝置的整體功耗基本一致,加裝排繩裝置后,功耗平均增加0.026kW·h。3)振動噪音對比。驅(qū)動裝置在不同試驗(yàn)因素下,其振動噪音的變化情況如圖11所示。由圖11可知,同樣載重條件下,驅(qū)動裝置隨電動機(jī)頻率的增加,振動噪音也逐漸增加;驅(qū)動裝置的整體振動噪音在加裝排繩裝置后平均降低了0.75%,說明加裝排繩裝置對原驅(qū)動裝置有降低振動噪音的效用。通過觀察發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生此效用的原因是由于鋼絲繩有序排列,鋼絲繩之間的接觸摩擦噪音減少。5驅(qū)動裝置與排繩裝置的穩(wěn)定性比較本試驗(yàn)根據(jù)山地果園鋼絲繩牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套適用于該機(jī)型的鋼絲繩排繩裝置。該裝置