朱嚴(yán)寬+劉樹(shù)青+陳偉+薛海峰

摘 要：介紹一種新型螺旋升降機(jī)-薄壁升降機(jī)構(gòu)的工作原理、性能特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法。該設(shè)備利用兩組帶狀不銹鋼板的螺旋升降，達(dá)到升降有效載荷的目的，設(shè)備體積小，效率高，安全性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單。并從力學(xué)模型上分析其可行化。

關(guān)鍵詞：薄壁升降機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TH211+.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0124-02

1 研究背景

傳統(tǒng)伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要有桿套桿式（如起重機(jī)臂），可折疊式（如剪叉式升降臺(tái)），桿套桿式伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，但伸展過(guò)程中其截面尺寸逐級(jí)遞減，使得桿伸出級(jí)數(shù)受到限制，因此伸縮比不高，可以應(yīng)用于狹小空間以及作為其他機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分。剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)伸縮比大，但是機(jī)構(gòu)自身往往較大。在露天或者空間較大的場(chǎng)所應(yīng)用較多。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有絲杠-螺母、齒輪-齒條、鋼絲繩-滾筒、液壓、氣壓以及幾種方式混合使用。其中以液壓驅(qū)動(dòng)為主。液壓缸供油系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)困難，長(zhǎng)期承受較大的靜載荷容易出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。

薄壁升降機(jī)構(gòu)是一種長(zhǎng)度可變的機(jī)構(gòu)。薄壁升降機(jī)構(gòu)在收縮狀態(tài)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，展開(kāi)時(shí)可以達(dá)到很大的長(zhǎng)度。另外一些動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的伸縮機(jī)構(gòu)可以提供一定的推力與拉力，可以作為一種線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此伸縮機(jī)構(gòu)在機(jī)械、建筑、航空、汽車(chē)、消防、演藝等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如起重機(jī)伸縮比、剪叉式升降機(jī)、液壓千斤頂、可伸縮機(jī)翼以及生活中常見(jiàn)的伸縮魚(yú)竿，電視機(jī)伸縮天線(xiàn)等。

2 方案設(shè)計(jì)

薄壁升降機(jī)構(gòu)是一種伸縮可控的柱狀伸縮機(jī)構(gòu)，原理主要是利用兩個(gè)柔性鋼帶螺旋纏繞相互鎖緊形成剛性螺旋管柱，控制參與纏繞的鋼帶的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，從而實(shí)現(xiàn)其伸縮的特性。收縮時(shí)兩根鋼帶分別盤(pán)繞在機(jī)構(gòu)周?chē)拖路秸加每臻g小，使得機(jī)構(gòu)非常緊湊。管柱直徑在伸縮過(guò)程中保持不變，因此可以實(shí)現(xiàn)很大的伸縮比，承受較大的載荷。薄壁升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)精確控制。

薄壁升降機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)主要靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿，來(lái)帶動(dòng)兩條鋼帶相互纏繞，利用鋼帶中間的鎖孔相互鎖緊，螺旋上升。伺服電機(jī)正傳帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，蝸桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩條鋼帶在渦輪的帶動(dòng)下也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)上升，到達(dá)所調(diào)節(jié)的高度，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，蝸桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鋼帶在渦輪的帶動(dòng)下順時(shí)針下降，直至鋼帶全部收縮在固定盤(pán)里，整個(gè)上升下降動(dòng)作完成。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 薄壁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄壁升降機(jī)構(gòu)是一種伸縮可控的柱狀伸縮機(jī)構(gòu)，原理主要是利用兩個(gè)柔性鋼帶螺旋纏繞相互鎖緊形成剛性螺旋管柱，一盤(pán)水平螺旋板片拉開(kāi)，然后連續(xù)插入螺旋薄壁時(shí)，就組合成一個(gè)由兩種螺旋片連續(xù)自鎖的垂直螺旋管柱，可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下平穩(wěn)的在垂直方向伸展和收縮?？刂茀⑴c纏繞的鋼帶的多少可以任意控制螺旋管柱的高度，從而實(shí)現(xiàn)其伸縮的特性。收縮時(shí)兩根鋼帶分別盤(pán)繞在機(jī)構(gòu)周?chē)拖路秸加每臻g小，使得機(jī)構(gòu)非常緊湊。管柱直徑在伸縮過(guò)程中保持不變，因此可以實(shí)現(xiàn)很大的伸縮比，承受較大的載荷。薄壁升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)精確控制。

3.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

薄壁升降機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)主要靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿，來(lái)帶動(dòng)兩條鋼帶相互纏繞，利用鋼帶中間的鎖孔相互鎖緊，螺旋上升。伺服電機(jī)正傳帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，蝸桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩條鋼帶在渦輪的帶動(dòng)下也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)上升，到達(dá)所調(diào)節(jié)的高度，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，蝸桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鋼帶在渦輪的帶動(dòng)下順時(shí)針下降，直至鋼帶全部收縮在固定盤(pán)里，整個(gè)上升下降動(dòng)作完成。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)，兩軸是相互交叉垂直的。蝸桿可以看成為在圓柱體上沿著螺旋線(xiàn)繞有一個(gè)齒或多個(gè)齒的螺旋，蝸輪就像個(gè)斜齒輪，但它的齒包著蝸桿。在嚙合時(shí)，蝸桿轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，就帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒（單頭蝸桿）或多個(gè)齒（多頭蝸桿），因此蝸輪蝸桿傳動(dòng)的速比i=蝸桿的頭數(shù)Z1/蝸輪的齒數(shù)Z2。

3.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

初期以推動(dòng)20kg的重物計(jì)算，0.1-0.2m/s的速度向上爬升。

則負(fù)載所需功率為PW：

Pw=FWVW=200N*0.2m/s=40W

查詢(xún)資料得：

聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率取0.97；

軸承的傳動(dòng)效率取0.94；

蝸輪蝸桿（具有自鎖）的傳動(dòng)效率取0.4；

卡帶與傳動(dòng)輪支柱之間的傳動(dòng)方式，類(lèi)似于螺旋傳動(dòng)，效率為0.4；

則電機(jī)所需功率為P：

P=Pw/η=40/（0.97*0.94*0.4*0.4）W=274W

選取電機(jī)額定功率Pm：

Pm=（1～1.3）P=274～356W

因此電機(jī)暫以選用功率為400W的低壓交流伺服電動(dòng)機(jī)，調(diào)速范圍為：1～3000RPM

由于電動(dòng)機(jī)后接蝸輪蝸桿傳動(dòng)，因其減速比較大，所以在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的眾多可控參數(shù)中可以把加速度參數(shù)設(shè)置的大些，如20000，而位置環(huán)KP參數(shù)也可以設(shè)置的大些，如 3000。伺服電機(jī)最適合此種負(fù)載。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)薄壁升降機(jī)構(gòu)的研究背景，工作原理，方案設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇。薄壁升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，設(shè)備閉合高度小，大載荷能力、大行程時(shí)穩(wěn)定性好。相對(duì)實(shí)心螺旋絲杠來(lái)講，空心板帶螺旋升降器的承載能力大，運(yùn)行平穩(wěn)、噪音較低，壽命長(zhǎng)、維修方便，效率高、驅(qū)動(dòng)功率小，設(shè)備的總傳動(dòng)效率較高，機(jī)械簡(jiǎn)單，安裝容易，設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧而簡(jiǎn)單，同步性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)在建筑，大劇院，舞臺(tái)升降，太空探測(cè)等領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的應(yīng)用，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊，可發(fā)展性好。

參考文獻(xiàn)：

[1]沃德·海倫，斯蒂芬·拉門(mén)茲，波爾·薩斯.模態(tài)分析理論與試驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[2]傅志方.振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)辨識(shí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3]管迪華.模態(tài)分析技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[4]俞云書(shū).結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析[M].北京：宇航出版社，2000.

[5]張玉新，張文平，李全，等.圓柱形薄殼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（1）：20-25.

[6]李偉.自組式螺旋升降機(jī)[J].有色設(shè)備，2005（04）.

[7]王全風(fēng)，李華煜.任意橫截面形狀薄壁壓桿的穩(wěn)定[J].土木工程學(xué)報(bào)，1996，29（6）：14-24.

[8]祝恩淳.均勻軸壓圓柱薄殼的穩(wěn)定性分析[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33（4）：12-15.

[9]AVITABILE P. What's the difference between a complex mode and a normal mode.2002.

[10]Karman V， Tsien H S. The buckling of thin cylinders under axial compression. J Aeron Soc， 1941，8：303.

[11]Hibbit，Karlesson，Sorensen inc.，ABAQUS Use`s Manual [R].UK，Version.5.7.1997.