一種港口設(shè)備操作手柄檔位凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)

趙鑫 廣州港集團(tuán)有限公司南沙集裝箱碼頭分公司

近期，廣州某港口大型設(shè)備操作手柄開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的損壞，具體故障表現(xiàn)為手柄無(wú)正常檔位，檔位切換不順暢，操作時(shí)有明顯卡滯感，有時(shí)手柄還會(huì)卡在一個(gè)檔位無(wú)法切換檔位或回零，有極大的操作安全隱患，同時(shí)作業(yè)效率明顯降低。

1.故障分析

手柄換擋過(guò)程為手柄臂圍繞下支點(diǎn)向前或向后移動(dòng)，帶動(dòng)大齒輪同方向旋轉(zhuǎn)，大齒輪與小齒輪相互嚙合，檔位凸輪隨小齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，檔位凸輪左右對(duì)稱，有1個(gè)零位，兩邊各5個(gè)檔位，擺臂在彈簧作用下使手柄在零位和檔位之間切換。

經(jīng)檢查，手柄故障原因?yàn)闄n位凸輪出現(xiàn)磨損，因而導(dǎo)致手柄換檔時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。分析故障可能的原因主要有三個(gè)：

1）檔位凸輪的材質(zhì)可能存在一定問(wèn)題，手柄出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備基本為同期到港，使用時(shí)間約3年，手柄使用時(shí)間9473.4小時(shí)（月平均使用時(shí)間263.15小時(shí)）；

2）檔位凸輪的設(shè)計(jì)可能存在一定問(wèn)題，檔位之間過(guò)渡圓弧還可繼續(xù)優(yōu)化，使操作更順暢，減少換檔造成的磨損；

3）設(shè)備操作人員的操作習(xí)慣可能存在一定問(wèn)題，在正常作業(yè)過(guò)程中，手柄5檔時(shí)長(zhǎng)最多，使得手柄在使用過(guò)程中5個(gè)檔位之間造成的磨損程度不同，因而出現(xiàn)卡滯或無(wú)法回零。

在規(guī)范設(shè)備操作人員的操作習(xí)慣后，決定設(shè)計(jì)一款新的手柄檔位凸輪，提升手柄使用壽命。

2.尺寸設(shè)計(jì)

2.1 檔位凸輪工作特點(diǎn)

1）檔位凸輪只有兩種作業(yè)狀態(tài)，零位狀態(tài)和檔位狀態(tài)，凸輪左檔位弧線與右檔位弧線對(duì)稱。

2）檔位凸輪的零位要求不能使手柄輕易向前、向后，因此凸輪零位的弧線滿足對(duì)稱性、連續(xù)可導(dǎo)，又滾子在零位無(wú)左右晃動(dòng)間隙，綜上所述，零位弧線為與滾子直徑相等的圓形凹槽。

3）在日常作業(yè)過(guò)程中，手柄在最大檔位時(shí)可快速回零，因此，針對(duì)單個(gè)檔位弧線，靠近零位側(cè)的部分弧線斜率變化比另一部分弧線斜率變化慢。

2.2 參數(shù)

2.2.1 手柄零位數(shù)據(jù)測(cè)量

擺桿長(zhǎng)度l=24mm

中心距長(zhǎng)度L=32mm

滾子半徑Rr=4mm

凸輪圓半徑為R=20mm

2.2.2 推程運(yùn)動(dòng)角

齒輪模數(shù)

取m=1，根據(jù)實(shí)物，即齒輪參數(shù)為

齒數(shù)Z1=63

分度圓直徑d1=m＊Z1=63mm

齒數(shù)Z2=20

分度圓直徑d2=m＊Z2=20mm

為使各個(gè)檔位之間清晰明確，確定手柄擺動(dòng)角度為。在大齒輪向前或向后擺動(dòng)45°時(shí)，小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為

即檔位凸輪在手柄位于5檔時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為141.75°，如圖所示。

為保證手柄有清晰的檔位，即零位弧線和檔位弧線均應(yīng)存在和滾子相匹配的圓弧，且零位和檔位之間存在一定距離也可防止誤觸碰。手柄在轉(zhuǎn)至5檔時(shí)，滾子共計(jì)運(yùn)行0.5個(gè)零位弧線、4.5個(gè)檔位弧線、零位與檔位之間的弧線。而一般為方便操作順暢，檔位弧線與零位弧線對(duì)應(yīng)角度相同，設(shè)檔位弧線角度為θ3，檔位與零位之間的角度為θ4，即有

2.3 零位弧線

如圖3。

2.3.1 弧線做法

在手柄入檔時(shí)，為保證操作安全，需要存在一定卡滯，但應(yīng)滿足操作順滑流暢。沿圓心O作兩條直線和圓交于A、B兩點(diǎn)，滿足∠AOB=23°，作∠AOB角平分線，在角平分線上找一點(diǎn)C，使得C A⊥OA，以C為圓心，以為Rr半徑作圓，即弧AB為零位弧線。

2.3.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式

以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)畫(huà)直角坐標(biāo)系，即C點(diǎn)坐標(biāo)為(0，-20.41)，因此弧線方程為

2.4 檔位弧線

2.4.1 弧線做法

檔位弧線與零位弧線相似，但相對(duì)于零位弧線行程較低，即h零＞h檔，暫時(shí)確定h檔=2.5mm。

以O(shè)為圓心作半徑為17.5mm的圓，由于零位弧線與檔位弧線之間夾角為26°，檔位弧線23°，因此作直線OA、OB、OC，如圖所示。手柄由低檔位換至高檔位時(shí)，需要有一定的阻滯，而由低檔位換至高檔位即手柄回零時(shí)，則需要快速能回零。因此以4mm半徑作圓P，使得此圓與半徑17.5mm的圓相切，同時(shí)也與直線OC相切。從B點(diǎn)向圓心O作直線，與圓P相切與點(diǎn)D，因此直線BD和弧DC連成的線即為1檔檔位弧線。

2.4.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式

假設(shè)圓P圓心坐標(biāo)為（x，y），則有

解方程式選擇P坐標(biāo)為（16.42，-13.88），即P圓坐標(biāo)方程為

圓方程和直線OB方程

解方程選擇B點(diǎn)坐標(biāo)為（12.18，-15.87），直線BD為圓P的切線，因此直線BD方程式為

即直線BD方程式為

因此1檔檔位弧線方程式為

將此弧線沿圓心O旋轉(zhuǎn)23°，旋轉(zhuǎn)4次，然后將5段弧線沿零位弧線中線對(duì)稱，如圖所示，即為手柄檔位弧線。

2.4.3 驗(yàn)證

零位弧線和檔位弧線曲率半徑

ρ=4mm

由于h零＞h檔，因此只需校驗(yàn)零位弧線壓力角。

以O(shè)為原點(diǎn)作直角坐標(biāo)系，以O(shè)為圓心作半徑為32mm的圓，以半徑為24mm作零位弧線同心圓，則兩圓交點(diǎn)為擺桿鉸點(diǎn)，解方程

圖2 手柄參數(shù)

圖3 零位弧線

圖4 檔位弧線

圖5 手柄凸輪

表1

得鉸點(diǎn)坐標(biāo)為（23.99，-21.18），圓角半徑為0.5mm，因此有

得圓角圓心為（4.28，-19.02）。

手柄在零位時(shí)，根據(jù)壓力角定義，此時(shí)壓力角為擺桿垂線和圓角圓心與滾子圓心連線之間所夾的銳角，設(shè)當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ時(shí)設(shè)圓角圓心為(x1，y1)，即有

此時(shí)滾子圓心坐標(biāo)為(x2，y2)，即有

因此圓角圓心與滾子圓心組成的直線為

采用賦值法，見(jiàn)表1。

圖6 凸輪轉(zhuǎn)角θ與凸輪壓力角α關(guān)系

根據(jù)表1，凸輪轉(zhuǎn)角與凸輪壓力角為負(fù)相關(guān)，隨凸輪轉(zhuǎn)角增大凸輪壓力角減小。一次凸輪最大壓力角手柄在零位時(shí)，即

滿足要求。

3.結(jié)論

（1）根據(jù)凸輪使用特點(diǎn)，確定檔位弧線與零位弧線基本輪廓。

（2）以滾子直徑為基礎(chǔ)確定凸輪行程，減少凸輪不必要磨損，增加凸輪使用壽命。