板型物料专用提升装置的设计与分析

田军亮 李小姣 李玉龙

摘 要：提升装置是生产中较为常见的机械装备，本文研制一种专用提升装置应用于板型物料装车使用。该专用提升装置的独特之处在于添加了自动翻转装置，结构巧妙无需额外提供动力，通过传送带与水平地面间夹角的重力分量提供翻转动力，翻转机构处设计凸轮减速系统，避免被提升物体与机架间发生碰撞。

本装置以电动机作为主要动力源，电动机经过二级减速系统降速以后通过链轮驱动提升鏈来提升板型物料。板型物料专用提升装置的具体工作过程为：当操作人员将板型物料放置于专用提升装置的规定区域范围后即可自动启动专用提升装置，当板型物料被提升至预定的高度时，板型物料随翻转机构翻转至车箱内，此刻链条上的另一组提升板触发行程开关后继电器断开，电动机停止转动，此刻当操作人员取下板型物料后，提升装置进入下一轮的循环，从而实现专用提升装置的连续工作。通过虚拟样机试制，证明该专用提升装置符合预期的设计目标，经过生产样机试制表明该装置不仅能够满足实际生产应用需求，而且结构原理简单、轻便便于移动，具备良好的市场推广价值。

关键词：提升装置 翻转机构 凸轮减速

Abstract：Elevator is a common mechanical equipment in production. In this paper， a special lifting device is developed and applied to the loading of plate materials. The special lifting device is unique in that it adds an automatic turnover device， which is ingenious in structure and does not need to provide additional power. The turnover power is provided through the gravity component of the angle between the conveyor belt and the horizontal ground. A cam deceleration system is designed at the turnover mechanism to avoid collision between the lifted object and the frame.

The device takes the motor as the main power source. After the speed reduction of the motor through the secondary reduction system， the lifting chain is driven by the sprocket to lift the plate material. When the material turnover mechanism is turned to the specified height of the plate after the material turnover mechanism is switched off， the personnel can turn the material turnover mechanism to the specified height of the plate after the material turnover mechanism is switched off， and the material turnover mechanism can be switched off with the specific operation of the plate， At this moment， when the operator removes the plate material， the lifting device enters the next round of circulation， so as to realize the continuous operation of the special lifting device. Through the trial production of virtual prototype， it is proved that the special lifting device meets the expected design goal. The trial production of production prototype shows that the device can not only meet the actual production and application needs， but also has simple structure principle， light weight and easy movement， and has good market promotion value.

Key words：Elevator; Turnover mechanism; Cam deceleration

1 前言

板型物料专用提升装置广发应用地砖生产销售产业。主要用来解决搬运过程中，需要人力进行搬运装车的情景。以生产环节普遍需要搬运的800×800（mm）地板砖为例，两片作为最小装箱单元，重量约为45KG。在具体搬运实施过程中因地砖质硬、面积大、易破损等特点相比于等质量其他物体而言搬运难度显著增加，尤其是从地面搬运至车厢的过程人员体力消耗巨大，同时保证地板砖不磕碰也相对困难[1]。

专用提升装置，由支架和翻转机构组成，如图1所示为专用提升装置结构示意图。包括倾斜支架和底部支架两部分，倾斜支架斜向下设置，一端与底部支架固定连接；倾斜支架的顶底部分别设置上、下两转轴，转轴两侧安装链轮，布局于倾斜支架内侧，链轮间通过链条实现传动[2]。翻转装置包括凸轮、固定臂、旋转臂和弯板，专用提升装置减轻了工人劳动强度，大幅度提高搬运效率，有效减少板型物料损坏。该专用提升装置结构简单、控制简捷可有效的满足装运要求。

2 专用提升装置简介

本专用提升装置装置的核心部件为翻转机构。物料在提升过程中倾斜支架与地面间形成约70°的夹角，物料自身重力可分解为垂直提升面的分力和竖直方向下的重力分力，当板装物料的重心超过倾斜支架高点并大于板型物料与提升板间的摩擦力时自动完成翻转动作[3]。为确保翻转过程稳定，在支架上设置减速系统，避免因翻转速度过大而引起物料与专用提升装置的损坏。

生产应用过程：当操作人员将板型物料放置于专用提升装置的规定区域范围后即可自动启动专用提升装置，当板型物料被提升至预定的高度时，板型物料随翻转机构翻转至车箱内，此刻链条上的另一组提升板触发行程开关后继电器断开，电动机停止转动，此时若操作人员取下板型物料，则提升装置进入新工作循环，从而实现板型物料的连续提升工作。

3 专用提升装置的结构设计

3.1 板型物料专用提升装置的机架设计原则

板型物料专用提升装置的机架设计原则如下：

（1）保证机架上安装的减速系统和提升系统能够顺利运转；机架的固定部分与运动部分间不得存在运动干涉；机架在强度达到要求的前提下也要满足相应的刚度要求；

（2）对稳定性的要求：机架采用空心管件有可能存在失稳问题，尤其是采用细长薄壁的构件，运转过程中出现失稳对机架结构产生很大的损伤，设计过程中须对机架所选材料进行校核；

（3）对固有频率的要求：机架设计完成后需要通过虚拟样机对机架进行模态分析，避免形成共振。从而预防机架的变形、振动及爬行；

（4）对外观的要求：在保证专用提升装置正常运转的前提下尽可能使结构紧凑外形美观。

3.2 板型物料专用提升装置的结构设计原理

以面积800×800mm，重量约50KG左右的板料进行整体结构设计。考虑翻转过程中冲击载荷引起的超重问题，设计时设备安全储备系数选为2。专用提升装置设计过程中考虑板料与提升板间的摩檫力，提升板的摩檫力内侧摩擦系数大于外侧，保证翻转动作干脆利落，避免未过顶端造成板料滑落。为保证物料不脱落，提高设备安全使用性能，在设计时增加物料重心过顶端的距离并增加旋转臂的长度。

专用提升装置有安装轮子的底部以及板型物料上升过程中所需的倾斜支架组成[4]。倾斜支架的顶、底分别设置转动轴，转轴两端布置链轮，通过链条将上下转轴的运动联系起来。上转轴端部安装旋转臂，旋转臂的回转面位于倾斜支架的外侧，固定臂的端部设置有轴孔，轴孔内布设滑动轴，在板型物料上升时实现旋转臂与倾斜支架平行。

翻转机构包括旋转臂、弯板以及凸轮减速系统，旋转臂沿长度方向设计两个滑槽，滑槽上端的长度小于下端，两滑槽中心线平行，弯板为“η”形，弯板与旋转臂相配合，当板型物料上升到一定高度后，实现地砖的自锁固定，避免翻转时发生物料坠落[5]。提升链条上设置两组间隔距离相等的提升板，提升板与提升链条相垂直，在机架上提升板运动途中安装行程开关，倾斜支架下部外面对称设置有两个定位板，其中一定位板上设有压力开关。

旋转臂包括底板和两块竖直对称设置在底板左、右两侧的竖板，两侧竖板高出底板，竖板上沿板长方向设置滑槽，滑动轴与两个竖板上的滑槽滑动连接，两侧的竖板高出底板，沿板长方向设计滑槽二，滑动轴的两端与竖板上的槽二滑动连接。

翻转机构还包括固定在固定臂内侧，同轴设置的凸轮减速系统，减速系统包括减速支杆和套设在减速支杆上的压力弹簧，支架上安装支杆座，其上设计通孔，减速支杆从中穿过[6]。减速支杆上固定有支杆挡板，压力弹簧位于支杆挡板和支杆座间，减速支杆的顶端与凸轮的外圆周面顶靠连接。凸轮减速机构的应用使板型物料在翻转过程中更加平稳避免物料的损坏。

4 專用提升装置的工作过程

（1）当板型物料接触旋转臂时，旋转臂会绕滑动轴旋转，调整至最佳姿态，避免撞造成物料损伤。如图2所示。

（2）当板型物料提升到上转轴时，旋转臂会自动贴合板型物料，使板型物料进入弯板中。

（3）板型物料到达弯板顶端，弯板的轴孔与旋转臂的滑槽通过滑动轴配合，板型物料上升弯板沿滑槽移动，当板型物料带动弯板到达另一滑槽顶端时弯板与旋转臂间完成自锁。

（4）当板型物料沿倾斜支架提升一定距离后，将克服板型物料与提升板间的摩擦力完成翻转动。

（5）当板型物料与旋转臂旋转到水平位置时，旋转臂带动凸轮旋转，凸轮触碰支杆挡板，压力弹簧对旋转的凸轮提供缓冲力；

（6）板型物料平稳搬运至运输车，工人取出板型物料弯板自动解锁。

5 翻转动作的理论分析

旋转臂随板型物料上升到达预定高度时对它们进行受力分析：

设板型物料长度为L，质量为m1，旋转臂质量为m2，板型物料与提升板间摩擦因数为μ，当板型物料沿倾斜支架提升距离x时，将克服板型物料与提升板间的摩擦力完成翻转。以旋转点做受力分析如图6所示。

cosβ×（m1+m2）=（m1+m2）×cosβ+μ（m1+m2）sinβ×（L.x）cosβ

化简得：=1+2μsinβ （1-2）

代入已知数据L=800mm，μ=0.6，β=70°

求得X=545mm

当板型物料沿倾斜支架提升距离x为545mm时，满足x＜L，将克服板型物料与提升板间的摩擦力完成翻转[7]。

当板型物料与旋转臂旋转到水平位置时，旋转臂带动凸轮旋转，凸轮碰触支杆挡板，减速机构的压力弹簧对旋转的凸轮提供缓冲力，同时压力弹簧增大凸轮与减速支杆上支杆挡板之间的摩擦力，起到减速目的，避免因旋转速度过大板型物料碰撞支架。压力弹簧的选择是根据板型物料与旋转臂重心下落距离的重力做功确定的。

设板型物料与旋转臂重心做功为：W1=mgh

h：为板型物料与旋转臂重心下落距离

凸轮与减速支杆间的摩擦力做功为：W2=2Fμs，F=kL

μ：凸轮与减速支杆上方挡板间经过接触面的摩擦因数取μ=0.8;

F：压力弹簧的压力;

s：凸轮与支杆挡板的圆周摩擦距离;

K：压力弹簧的弹簧系数，

L：平均压缩距离

当W1=W2时，可以避免因旋转速度过大板型物料碰撞支架，代入仿真测得的数据为：

H=568mm，L=50mm， s=300mm，

求得压力弹簧系数为：k=1230N/m。因此选用压力弹簧劲度系数为1230N/m的弹簧可起到减速作用[8]。

6 结论

通过理论分析表明该板型物料专用提升装置的设计方案能够满足预期需求，经过虚拟样机分析及生产样机试制表明该专用提升装置符合预期的设计目标，不仅能够满足实际生产应用需求，而且结构原理简单易于生产制造，具备良好的市场推广价值。

项目：河南省高等学校重点科研项目23B460019《智能型果蔬分选专家系统训练平台》。

参考文献：

[1]温毅，李龙，康文凯，李哲宇，郝晓华.提升装置卷筒的小型化改造设计[J].时代汽车，2022（06）：125-126.

[2]张虎，高云，王志虎.激光测距仪在提升装置上的应用[J].汽车电器，2022（02）：52-54.

[3]靳志强.矿用提升装置钢丝绳损伤檢测装置的设计[J].机械管理开发，2021，36（08）：253-255.

[4]李奉顺，陆荣鑑，张建红.一种翻转机构的仿真及优化设计[J].艺术科技，2019，32（11）：240-241.

[5]陈志华. 基于翻转式的超薄玻璃在线码垛机器人设计研究[D].北京信息科技大学，2018.

[6]陈东海.矿用水力作业机排管装置的设计与应用[J].煤炭工程，2017（10）：113-118

[7]李建峰.关于矿用提升装置盘式制动器的结构改进设计[J].自动化应用，2020（03）：50-52.

[8]刘晓丽.基于矿井提升装置的传动轴优化设计[J].内燃机与配件，2019（21）：80-81.