自适应异形罐变位装置研究

自适应异形罐变位装置研究

张军凤

身份证号码：2102821984****7813

摘要：本文以八面弧异形截面罐体翻转变位为背景技术切入点，详细分析了制约异形截面罐体变位操作的特殊问题点，并以此分析结论形成设计理念，进而得到整个装置的总体方案设计，并同时对融入方案设计的关键创新技术原理进行了有效的研究与分析。

关键词：异形罐、翻转、变位、差速

第一作者简介：张军凤（1984），男，高级工程师。

“八面弧”大容积异形截面罐箱一直以来都是我公司自主研发的代表产品，市场前景广阔。未来几年，随着国内，外市场的压力，同行业的竞争，市场培育的不断深入，迫切需要提升“八面弧”大容积罐箱环缝焊接的关键工序制造能力，使得其制造水平满足新一轮特种集装箱市场需求空间的深层次拓展。

1技术背景

“八面弧”异形截面罐箱是我公司特种集装箱业务发展过程中的代表产品，由于其截面的特殊性，关键工序环缝焊接与之配套的翻转变位操作一直以来始终是困扰公司的技术难题。下面就我公司使用过的几种变位方式进行一下探讨，详见表1。

表1.变位方式对比

图1.原始变位方式             图2.头尾架变位方式              图3.摆臂变位方式

从表1对比中直观了解到，原始变位方式属于最低级的翻转变位，无任何优势可言。头尾架变位方式最大的缺陷需两端装夹，自动化程度低，局限性较大。摆臂变位方式导致单个摆臂上的两驱动轮线速度与罐体外轮廓无法匹配，出现严重打滑现象，造成划伤与振动。几种变位方式互有优缺点，表中的上下顺序也体现了我公司翻转变位装置的演变历程，为了迎接新一轮市场冲击，迫切需要将演变历程进一步深化升级，通过对“八面弧”异形截面罐体特殊问题点的分析与实际应用过的几种翻转变位方式经验的总结，以自调式滚轮变位装置为依据，不断研发和修正，最终锁定方向，全力打造出一套可拓展，柔性化，适宜于异形截面罐体翻转的变位装置。

2异形截面罐体“结构”与“线速度”特殊问题点分析

2.1异形截面罐体翻转产生“碰撞”问题

翻转变位过程中，由于异形截面的非规则性（相对于圆形），异形截面罐体最“突”出部分旋转到弯臂范围时，结构不合理时两者在某处会发生碰撞，只有加大弯臂的曲率，令最“突”出部分“越”过去，才能避免碰撞，从图4中我们可以发现，截面的宽高比越大，所需要的弯臂曲率也就越大。

图4.翻转变位起始位置→突起位置（顺时针）

2.2异形截面罐体翻转导致单臂驱动轮线速度不等问题

为了直观形象，特选取八面弧异形截面的四分之一部分为研究对象，假想在翻转变位起始位置标示出AA’、BB’与驱动轮相配套的2段弧线距离，如图5（左）所示。随后假想罐体在单位时间t内翻转变位到停止位置，如图5（右）所示。从图5（左）变化到图5（右）的变化过程中（顺时针），我们能够看到A’点取代了A点的位置，B’点取代了B点的位置，即是说，单位时间t内，两个驱动轮分别走行了弧AA’，BB’的距离，则有V1=AA’/t；V2=BB’/t，从图中直观可以得到弧AA’≠BB’，即V1≠V2，也就是说明驱动轮的线速度出现了不等的问题。所以解决各驱动轮之间线速度不等的技术难题则成为新装置研发的核心问题。

图5.翻转变位起始位置→停止位置（顺时针）

3变位装置总体方案设计

3.1方案构建

通过分析异形截面翻转变位“结构”与“线速度”特殊问题点的结论，结合上文提到的变位方式现场使用经验的总结，并在此基础上进行深度的优化与升级，从而构建出装置的总体方案。总体方案设计共分三个方面内容。

·结构方案设计：

采用传统的自调式变位装置为依据，形成四个大曲率柔性弧形弯臂驱动轮机构，依托机架布置成面对面的形式，促成异形罐体放置进去时形成环抱罐体的结构模式。

·驱动方案设计：

模仿汽车的全时四驱传动方案，设置独立的电机减速器为单一动力源，中间通过轴间差速器，终端差速器，齿轮转向箱等传动部件将动力合理分配给四个弧形弯臂驱动轮机构上，最后通过链传动将动力分配到驱动轮上，最终形成八轮全驱的驱动方案。

·控制系统设计：

控制系统可对变频器的状态进行显示，机器的运行速度由变频器的频率进行控制，通过频率的平滑调整实现电机的无级调速。

图6.异形罐变位装置总图

3.2 方案具体实施

通过以上三个方面的设计形成的变位装置，如图6所示。异形罐变位装置主要由机架，四驱动力系统，链传动，柔性弧形弯臂驱动轮机构四大部分组成。机架结构布置了其他三部分的安装接口，作为整个装置的安装载体，承担了整个装置工作时的全部载荷。四驱动力系统主要由电机减速器，传动轴，可调联轴节，轴间差速器，齿轮转向箱，终端差速器等构成，主要实现将单一动力源的动力合理分配到驱动轮上，为整个装置的心脏部件，具体结构如图9所示。工作时，电机减速器的动力通过传动轴，联轴节传递到轴间差速器，轴间差速器将动力分配给两端齿轮转向箱，齿轮转向箱将水平动力转变成竖直动力，最后分配给终端差速器，终端差速器的两输出轴与两驱动轮的外伸轴通过链传动建立联系，实现动力合理分配到弯臂的两个驱动轮上，以此类推，这样八个驱动轮都可以分配到电机的动力，实现八轮全驱的动力传输方案。

4 关键创新技术原理分析与研究

4.1差速器如何实现驱动轮线速度的自动分配

4.1.1差速器定义

差速器是能使左右（或前后）驱动轮实现不同转速的一种机构。主要由行星齿轮，行星轮架，半轴齿轮，环形齿轮，主动齿轮等零件组成，如图7所示。

图7 差速器图                          图8 弯臂图

4.1.2差速器速度特性

当异形截面罐体翻转时，由链传动将上文提到的V1，V2速度传递到左右链轮上，进而传递到左右半轴齿轮上，此时表现出的现象为两半轴齿轮速度不一致，而主动齿轮只能有唯一一种固定速度，最终就会迫使两行星齿轮自转，与两半轴齿轮形成速度补偿。

若行星轮架主动转速为n0，半轴齿轮1与齿轮2被动转速分别为n1与n2，行星齿轮公转的同时，绕自身轴线也自转，则行星齿轮自转所引起一侧半轴齿轮1比行星轮架多转的圈数（△）必然等于另一侧半轴齿轮2比行星轮架少转的圈数。

  n1＝n0＋△；      n2 ＝n0－△；       n1＋n2＝2n0；

上式表明，左右两侧半轴齿轮的转速之和等于行星轮架转速的两倍，此为差速器的速度特性。

4.1.3差速器实现原理

罐体翻转时，由于异形截面的不规律性，两个驱动轮此时就会产生大小不一的摩擦力，由“最小能耗原理”，必然导致两个驱动轮的转速不同，而主动齿轮速度又是不变的，这时必将迫使行星齿轮自转形成速度补偿，从而破坏了三者的平衡关系，差速器在内部达到重新的平衡，外部表现就是两驱动轮线速度一个快，一个慢，此种现象就是差速器差速的实现原理。

4.2柔性弯臂如何实现调整

柔性弧形弯臂滚轮机构主要由上弯臂，下弯臂，驱动轮，套，螺栓等组成，具体见图8所示。上下弯臂的轴孔通过套连接在一起，使用螺栓紧固件紧固成一个整体。调整时打开螺栓，围绕轴孔调整上下弯臂角度，就可以得到多种弧形 弯臂尺寸，这样就能适应多种规格异形罐体的翻转变位，实现柔性调整的目标。

4.3全时四驱系统可行性分析

采用逆向分析法，右端两驱动轮的转速分别为n1与n2，输入轴转速为N1=(n1+n2)/2,左端两驱动轮的转速分别为n3与n4，输入轴转速为N2=(n3+n4)/2,若N1≠N2， 则轴间差速器输入轴的转速为（N1 +N2）/2，由于结构对称，也就说明从电机减速器两侧的输出轴转速相同，这就为实现全时四驱系统提供了可行性依据。

四驱系统单个弯臂的动力传递流程：

电机减速器→联轴节1→轴1→联轴节2→轴间差速器→联轴节3→轴2→联轴节4→齿轮转向箱→联轴节5→终端差速器→链传动→驱动轮1，驱动轮2。

图9. 四驱系统图

5 技术展望

异形罐体制造工艺中，核心是封头与筒体的环缝焊接，将直接影响罐体成型质量和生产效率。由于异形罐是由八段圆弧组成，区别于传统的圆形罐体，翻转时，环缝翻转的线速度是不均匀的，而焊接专机焊枪焊接时速度需要保持匀速，这个矛盾如果无法调和，环缝焊接自动化就无法实现。为了解决矛盾，在本装置上增加一套电子控制系统，控制系统基本原理由轮速传感器采集速度信号，反馈到控制中心，运算后，发出指令控制电机频率，降低和提高滚轮速度，从而将罐体环缝的翻转速度趋于匀速，达到自动化焊接专机焊接焊接要求。控制系统的引入，为异形罐体环缝自动化焊接提供可能性。

6 结语

自适应异形罐变位装置的研究成果如果投入应用后，将有效解决旋转臂干涉和翻转打滑划伤罐体的难题，有力提高异形罐体的翻转效果，满足产品制造要求。本装置的研究成果，不仅仅停留在其翻转变位功能上，现有结构加上控制系统可以实现环缝的速度均匀，满足自动化焊接专机的焊接匹配要求，提升了罐体制造自动化程度，使得罐箱制造装备水平得到提升，具备极大的推广及应用价值。
参考文献：
[1] 赵丽珍.我国集装箱运输发展趋势及铁路的作用[J].铁道货运.2005,(7).1-5.