螺旋轨道输送技术的工程应用研究

2022-07-22许宁萍上官波波

现代制造技术与装备 2022年5期

关键词：吊架螺杆断口

杨恊王健许宁萍王浩上官波波

（南通理工学院，南通 226002）

螺旋轨道输送技术利用螺杆旋转推动挂在其上的吊架（物料载具）移动实现物料输送，具有结构简单、可靠、成本低、运动平稳、噪声低、占用空间小的特点，可将螺旋传动用于各类吊架（或类似物料）的输送，具有广阔的市场应用前景[1]。

1 螺旋轨道输送技术原理及传动计算

1.1 螺旋轨道输送技术原理

图1显示了螺旋轨道输送技术原理。吊架悬挂在螺旋轨道上，螺旋轨道正反转推动吊架左右移动，吊架根据输送物料的不同设计不同的装载结构。与现有的螺旋输送机相比，它的螺杆螺纹不仅提供推力，而且是吊架运动的导轨。与螺旋输送机相比，它无需料槽、料管等其他部件。与螺纹传动相比，它用吊架取代了螺母，简化了结构，使得吊架在螺杆上可自由装卸，便于吊架在不同轨道上的转移。此外，螺杆螺纹的螺距没有精度要求，同一螺杆上可有不同的螺距。

1.2 螺旋轨道输送技术的传动计算

1.2.1 输送速度

设螺杆的螺距为L，转速为n，则吊架的移动速度v为[2]：

从式（1）可知，螺旋轨道输送速度与螺杆转速和螺距有关。当一个螺旋轨道采用不同螺距时，即可实现螺杆在固定转速下实现不同的输送速度，进而满足同一生产线上不同的工艺要求。

1.2.2 动力计算

螺旋轨道只限制了吊架的1 个自由度，即垂直方向的移动自由度。吊架在移动过程中与推动其前进的螺纹之间的接触不稳定，可能是线接触，也可能是点接触，呈现的是断断续续的接触。螺纹传动中螺母和螺杆的螺距相同，有配合要求，螺母的5 个自由度被限制。传动过程中，螺杆和螺母重合部分的螺纹始终保持稳定的接触，摩擦面大，所以螺旋轨道传动比普通的滑动螺旋传动的摩擦阻力小，效率高。吊架受到的推力大小等于螺杆的轴向力F，计算公式为[3]：

式中：F为螺杆轴受到的轴向压力，N；T为螺杆所受转矩，N·mm；Ψ为螺纹升角，°；ρv为摩擦副的当量摩擦角；d2为螺纹中径。显然，在转矩相同的情况下，摩擦副表面越光滑，螺纹升角越小，吊架获得的推力越大。

2 螺旋轨道输送技术工程应用的关键问题

2.1 生产线的布局形式

悬挂式输送可广泛应用于工业生产、仓储物流以及医疗民用等领域。螺旋轨道输送技术更适合用于悬挂生产线。螺旋轨道既是导轨又能提供前进推力，且吊架取放方便，使其在生产线布局上更为简捷、灵活，便于实现吊架在不同轨道之间的转换，极大地拓展了生产线的工艺能力。平面生产线主要有直线布局、环形布局、平行布局和组合布局4 种典型的布局形式[4]。其中：直线布局生产线由一根轨道组成，可以实现物料的双向输送；环形布局生产线由两根螺旋直轨道和两根弯轨道组成，可以实现物料在环形轨道内的循环输送；平行布局生产线由两个或以上的直轨道组成，且各轨道间可以实现吊架的转移；组合布局是指环形轨道与环形轨道、环形轨道与直线轨道的组合，且各轨道间可以实现吊架的转移，具有更大规模的生产线工艺能力。

2.2 生产线的结构设计

2.2.1 动力输入

螺旋轨道生产线的动力输入主要有内置电动滚筒、齿轮传动和带传动3 种形式[5]。

（1）内置电动滚筒。直接在电动滚筒表面增加螺纹或电动滚筒固定在螺旋轨道孔内，可应用于直线布局。电动滚筒置于轨道一端或两端，轨道较短。

（2）齿轮传动。电机通过齿轮与螺杆上的同轴齿轮啮合，结构紧凑，对安装要求较高，可实现多电机动力输送[2]，能用于输送距离较大的生产线。

（3）带传动。优先采用同步带传动，如图2 所示，布置灵活，安装方便，传动效率高，吊架跨越同步带时阻力小，对吊架的运行姿态影响小，也可实现多电机动力输送，能用于输送距离较大的生产线。

2.2.2 螺旋轨道安装及轨道间的连接

螺旋轨道对螺纹节距精度要求不高，相连接的轨道螺纹有微小错位不影响使用。轨道轴向串联安装比较方便，可做成标准单元，也可根据安装空间任意截取所需轨道长度。图3 为两根串联轨道与固定支架的连接，通过花键实现两根串联轨道的同步转动。

2.2.3 螺纹断口的设计要求

根据输送距离的长短，螺旋轨道可单根使用和多根串联使用。由于安装和串联连接，螺旋轨道会有若干螺纹断口，断口有一定宽度且没有螺纹。吊架是依靠螺纹旋转产生持续不断的轴向推力前进的，因此在断口处吊架会瞬时失去前进动力，导致吊架卡在断口处不能前后移动，这是影响螺旋轨道应用的关键问题。通过实验发现，以下3 个方法可以确保吊架通过缺口[6]。第1 种方法，依靠惯性通过。吊架运行达到一定速度后，在断口处能依靠惯性滑过，输送的物料密度大且空气阻力小容易滑过断口，甚至在轨道斜置吊架爬坡上行时也能畅通无阻。当输送的物料密度小、体积大、阻力大或物料间容易出现干涉等情况时，吊架依靠自身惯性滑过断口的可靠性大大下降。第2 种方法，依靠辅助动力通过。吊架到达断口时，通过辅助装置推动其通过断口，其可靠性与辅助装置有很大关系。第3 种方法，保持吊架正确的运行姿态。吊架移动时理想的运行姿态是其上的挂钩与螺旋轨道螺纹平行，挂钩与断口的夹角约等于螺旋升角，即可通过断口。

2.2.4 悬挂式环形生产线的设计

环形生产线可节省空间，增加生产线工艺能力。根据空间布局，环形生产线可分为平面式和悬挂式两种[7]。悬挂式主要采用吊顶式安装方式，也可使用支架式安装方式，可在三维空间实现输送。它既能充分利用空间，又可以与地面的作业配合，所以一直广泛应用于大批量生产的现代化工厂[8]。目前，悬挂输送主要采用链式悬挂输送机和自行小车悬挂输送系统[9]，但是这两种输送技术均存在各自的局限或弱点。链式悬挂输送机运动不平稳，链条张紧力大，对机架结构强度要求高，链条易磨损断裂。自行小车输送系统对轨道的安装要求高，供电机构复杂，牵引力最大值取决于车轮与导轨面的摩擦力，属于断续输送方式，运输效率较低[10]。

螺旋轨道输送生产线环形布局由两条直轨道和两端的弯轨道组成，结构简单，但是弯曲的螺旋轨道无法实现同轴旋转，因此弯轨道不能使用螺旋轨道。图4 为交错式螺旋轨道输送生产线，弯轨道为光滑不锈钢管，两根直轨道交错布置。弯轨道与直轨道的连接端形成高度差，吊架从直轨道滑落到弯轨道的高端，在重力作用下沿弯轨道滑到低端并滑落到另一根直轨道上，再由直轨道输送到另一端的弯轨道，如此往复循环完成环形输送[11]。交错式螺旋轨道输送生产线结构简单、可靠，由于生产线一般比较长，中间的直轨道均水平布置。只需在两端弯轨道处采用交错式结构，即可满足吊架下滑所需的高度差[12]。