“未來駕駛”展品倉門升降系統(tǒng)故障分析與改造

1、“未來駕駛”展品倉門升降系統(tǒng)故障分析與改造0前言東莞市科學(xué)技術(shù)博物館是一個以制造業(yè)科技、信息與高新科技為博覽重點(diǎn)，具有東莞特色和現(xiàn)代意義的專題科技館，展示的展品具有互動參與性強(qiáng)、趣味性高等特點(diǎn)，每年吸引大量游客來游玩?！拔磥眈{駛”是該館的亮點(diǎn)展品之一，每次游客要參與時，由展品操作員將倉門升高后才能讓游客進(jìn)入倉內(nèi)體驗(yàn)，如圖1。圖1“未來駕駛”展品“未來駕駛”展品的倉門開關(guān)本來是通過電動機(jī)升降系統(tǒng)來完成，升降系統(tǒng)安裝在倉門的左側(cè)，升降螺桿與倉門的左側(cè)支架連接，當(dāng)電動機(jī)起動時，系統(tǒng)驅(qū)動螺桿牽引倉門上升與下降。升降系統(tǒng)安裝位置如圖2。圖2倉門電動機(jī)升降系統(tǒng)由于“未來駕駛”展品深受游客的歡迎，參與體驗(yàn)人

2、數(shù)多，每天倉門升降的頻率高，展品運(yùn)行時在倉門升降支架的焊縫和倉門鉸鏈等處經(jīng)常發(fā)生斷裂故障，每次需要焊工對斷裂口焊接加固維修，或更換斷裂零件。該展品因零件發(fā)生斷裂故障較頻繁，一般1-2個月發(fā)生1次，不但影響了游客的參與，降低了科技館展品運(yùn)行的完好率，更嚴(yán)重的是可能因倉門零件的斷裂而造成安全事故。為了保證展品的運(yùn)行安全，徹底解決倉門零件的斷裂問題，我們于08年對倉門的升降系統(tǒng)進(jìn)行了安全改造。1 倉門升降系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)根據(jù)倉門零件發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，分析認(rèn)為僅通過焊接維修難以將展品的安全隱患徹底消除，必需對原升降系統(tǒng)進(jìn)行改造。經(jīng)過受力分析計(jì)算，設(shè)計(jì)的改造方案是由氣壓元件代替電動機(jī)等，將展品倉門口左側(cè)的電動

3、機(jī)升降系統(tǒng)拆除，在原機(jī)座上安裝1個氣缸，讓氣缸的推桿經(jīng)浮動接頭與倉門支架A連接，并在倉門的另一側(cè)增加安裝1個氣缸及支架B，使倉門升降時受到對稱的支撐力作用，因此減少倉門在升降過程中因受力不均而造成框架變形和零件斷裂等故障，如圖3。圖3改造后倉門的氣動升降系統(tǒng)2 倉門升降系統(tǒng)改造前后的受力分析2.1 改造前倉門單側(cè)支架受力分析計(jì)算圖4改造前倉門受力示意圖改造前“未來駕駛”展品的倉門由安裝在其左側(cè)的電動機(jī)升降系統(tǒng)驅(qū)動升降，倉門上升時的受力：倉門重量P=700N，重心在倉門內(nèi)部D點(diǎn)，升降螺桿對倉門支架的提升力F,作用點(diǎn)在支架A點(diǎn)上，倉門2個鉸鏈分別受到的作用力，倉門的受力示意圖見圖4。為了利于分析計(jì)

4、算，在圖中將力分解為，將力分解為。倉門升起的位置不同，升降系統(tǒng)對支架的推力F就不同。計(jì)算推力F與倉門重心高度關(guān)系時不考慮倉門鉸鏈摩擦力的影響，將倉門兩鉸鏈的中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在OXZ坐標(biāo)平面上，倉門在初始狀態(tài)時各力的投影見圖5。設(shè)倉門重心D點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O的連線OD與Z軸的夾角為，推力F的作用線CA與CO線的夾角為，m=CA，n=OA=0.46m，p=CO=1.05m，q=OD=0.99m。圖5倉門推力F計(jì)算分析圖根據(jù)空間一般力系的平衡條件，列出倉門重量P與推力F對Y軸的力矩平衡方程：h是推力F與Y軸的垂直距離，l是重量P與Y軸的垂直距離，在4OAC中，/AOC=,則根據(jù)（3）式，當(dāng)=90時，c

5、os=0,升降系統(tǒng)對倉門支架A點(diǎn)的支撐力F為最大。即當(dāng)倉門重心高度與鉸鏈高度一致時，升降系統(tǒng)對倉門支架的支撐力F最大，此時鉸鏈的受力亦最大，由（2）式計(jì)算得，力F的作用線與Z軸夾角為。寫出倉門受力的平衡方程，計(jì)算鉸鏈的受力大?。呵蠼獾勉q鏈1受到的力最大為，鉸鏈2受到的力最大為方向見表1。2.2 改造后倉門升降系統(tǒng)的受力分析倉門升降系統(tǒng)改造使用氣壓元件后，支架A受到推力的作用，支架B受到推力的作用，鉸鏈分別受到的作用力，當(dāng)倉門的重心高度與錢鏈高度一致時，倉門重量對錢鏈Y軸的力矩最大，因此鉸鏈的受力亦最大，倉門的受力示意圖見圖6。為了便于分析計(jì)算，在圖中將力分解為，將力分解為。根據(jù)空間一般力系的平

6、衡條件，列出倉門重量P與推力對Y軸的力矩平衡方程：由于倉門受力對稱，則，求解得：圖6改造后倉門受力圖同樣地可以列出倉門最大受力時的平衡方程：表1改造前后倉門支架及鉸鏈的受力對比3 展品倉門升降系統(tǒng)改造前后的特點(diǎn)對比3.1 改造前升降系統(tǒng)的組成三相異步電動機(jī)：250W,額定轉(zhuǎn)速：1400rpm;一級皮帶輪：主動輪150mm，從動輪50mm；蝸輪蝸桿減速箱：型號WPO40,減速比1:50;二級皮帶輪：主動輪150mm，從動輪50mm；梯形螺母螺桿節(jié)距：6mm。3.2 改造前升降系統(tǒng)的弱點(diǎn)1）電動機(jī)升降系統(tǒng)的組成單元過多，運(yùn)行可靠性差。2）倉門由最低點(diǎn)升至最高點(diǎn)時支架A點(diǎn)的行程約為0.5m，經(jīng)計(jì)算，

7、電動機(jī)驅(qū)動梯形螺桿的上升速度為9.8mm/s，倉門打開或關(guān)閉的時間為51s。倉門升降速度固定，不能調(diào)整。3）倉門升降時單側(cè)支架受力，使倉門的框架因受力扭彎變形，變形后的倉門與門框摩擦，增加倉門升降時的阻力，增加倉門鉸鏈的力矩，增加電機(jī)負(fù)載。4）三相異步電動機(jī)在起動時具有瞬時加速的特點(diǎn)，經(jīng)機(jī)構(gòu)傳遞到支架，對支架有沖擊力，頻繁沖擊后支架的焊縫易因應(yīng)力疲勞而發(fā)生斷裂。5）由于用力不均，單側(cè)支撐倉門時對鉸鏈額外增加了力矩的作用，造成鉸鏈易斷裂。綜上所述，展品原倉門升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，可靠性差，升降時倉門框架變形及電機(jī)起動沖擊等因素造成支架焊縫和鉸鏈經(jīng)常因應(yīng)力疲勞而斷裂。3.3 改造后倉門升降系統(tǒng)的組

8、成部件壓縮空氣使用場館內(nèi)現(xiàn)有的系統(tǒng)，工作壓力在0.45MPa以上；控制電磁閥1個；氣缸速度控制閥4只，分別安裝在氣缸的進(jìn)出口上，可調(diào)整倉門的升降速度；氣缸2個，氣缸的型號根據(jù)以下計(jì)算結(jié)果選擇。雙臂支撐倉門時，每個氣缸的支撐力應(yīng)大于824N，為了能更安全、平穩(wěn)地工作，在理論最大支撐力的基礎(chǔ)上增加安全系數(shù)1.5，即要求每個氣缸提供的支撐力應(yīng)大于。設(shè)氣缸的活塞直徑為Dmm，則氣缸可提供的推力為：根據(jù)氣缸規(guī)格，可以選擇氣缸的型號為SC63-500，該氣缸的缸徑為63mm，行程為500mm，在正常工作時可提供的支撐力為：能滿足設(shè)計(jì)要求。3.4 改造后升降系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1）系統(tǒng)構(gòu)造簡單，便于維修與保養(yǎng)。2）倉門升降時受力較低，力的作用點(diǎn)對稱合理，減少倉門框架變形，減少零件因應(yīng)力影響而斷裂。3）合理調(diào)整速度控制閥，倉門起動平緩，無沖擊力影響，倉門升降時的安全性較高。4 結(jié)論“未來駕駛”展品倉