“未来驾驶”展品仓门升降系统故障分析与改造

1、“未来驾驶”展品仓门升降系统故障分析与改造0前言东莞市科学技术博物馆是一个以制造业科技、信息与高新科技为博览重点，具有东莞特色和现代意义的专题科技馆，展示的展品具有互动参与性强、趣味性高等特点，每年吸引大量游客来游玩。“未来驾驶”是该馆的亮点展品之一，每次游客要参与时，由展品操作员将仓门升高后才能让游客进入仓内体验，如图1。图1“未来驾驶”展品“未来驾驶”展品的仓门开关本来是通过电动机升降系统来完成，升降系统安装在仓门的左侧，升降螺杆与仓门的左侧支架连接，当电动机起动时，系统驱动螺杆牵引仓门上升与下降。升降系统安装位置如图2。图2仓门电动机升降系统由于“未来驾驶”展品深受游客的欢迎，参与体验人

2、数多，每天仓门升降的频率高，展品运行时在仓门升降支架的焊缝和仓门铰链等处经常发生断裂故障，每次需要焊工对断裂口焊接加固维修，或更换断裂零件。该展品因零件发生断裂故障较频繁，一般1-2个月发生1次，不但影响了游客的参与，降低了科技馆展品运行的完好率，更严重的是可能因仓门零件的断裂而造成安全事故。为了保证展品的运行安全，彻底解决仓门零件的断裂问题，我们于08年对仓门的升降系统进行了安全改造。1 仓门升降系统改造设计根据仓门零件发生的断裂现象，分析认为仅通过焊接维修难以将展品的安全隐患彻底消除，必需对原升降系统进行改造。经过受力分析计算，设计的改造方案是由气压元件代替电动机等，将展品仓门口左侧的电动

3、机升降系统拆除，在原机座上安装1个气缸，让气缸的推杆经浮动接头与仓门支架A连接，并在仓门的另一侧增加安装1个气缸及支架B，使仓门升降时受到对称的支撑力作用，因此减少仓门在升降过程中因受力不均而造成框架变形和零件断裂等故障，如图3。图3改造后仓门的气动升降系统2 仓门升降系统改造前后的受力分析2.1 改造前仓门单侧支架受力分析计算图4改造前仓门受力示意图改造前“未来驾驶”展品的仓门由安装在其左侧的电动机升降系统驱动升降，仓门上升时的受力：仓门重量P=700N，重心在仓门内部D点，升降螺杆对仓门支架的提升力F,作用点在支架A点上，仓门2个铰链分别受到的作用力，仓门的受力示意图见图4。为了利于分析计

4、算，在图中将力分解为，将力分解为。仓门升起的位置不同，升降系统对支架的推力F就不同。计算推力F与仓门重心高度关系时不考虑仓门铰链摩擦力的影响，将仓门两铰链的中心设为坐标原点，在OXZ坐标平面上，仓门在初始状态时各力的投影见图5。设仓门重心D点与坐标原点O的连线OD与Z轴的夹角为，推力F的作用线CA与CO线的夹角为，m=CA，n=OA=0.46m，p=CO=1.05m，q=OD=0.99m。图5仓门推力F计算分析图根据空间一般力系的平衡条件，列出仓门重量P与推力F对Y轴的力矩平衡方程：h是推力F与Y轴的垂直距离，l是重量P与Y轴的垂直距离，在4OAC中，/AOC=,则根据（3）式，当=90时，c

5、os=0,升降系统对仓门支架A点的支撑力F为最大。即当仓门重心高度与铰链高度一致时，升降系统对仓门支架的支撑力F最大，此时铰链的受力亦最大，由（2）式计算得，力F的作用线与Z轴夹角为。写出仓门受力的平衡方程，计算铰链的受力大小：求解得铰链1受到的力最大为，铰链2受到的力最大为方向见表1。2.2 改造后仓门升降系统的受力分析仓门升降系统改造使用气压元件后，支架A受到推力的作用，支架B受到推力的作用，铰链分别受到的作用力，当仓门的重心高度与钱链高度一致时，仓门重量对钱链Y轴的力矩最大，因此铰链的受力亦最大，仓门的受力示意图见图6。为了便于分析计算，在图中将力分解为，将力分解为。根据空间一般力系的平

6、衡条件，列出仓门重量P与推力对Y轴的力矩平衡方程：由于仓门受力对称，则，求解得：图6改造后仓门受力图同样地可以列出仓门最大受力时的平衡方程：表1改造前后仓门支架及铰链的受力对比3 展品仓门升降系统改造前后的特点对比3.1 改造前升降系统的组成三相异步电动机：250W,额定转速：1400rpm;一级皮带轮：主动轮150mm，从动轮50mm；蜗轮蜗杆减速箱：型号WPO40,减速比1:50;二级皮带轮：主动轮150mm，从动轮50mm；梯形螺母螺杆节距：6mm。3.2 改造前升降系统的弱点1）电动机升降系统的组成单元过多，运行可靠性差。2）仓门由最低点升至最高点时支架A点的行程约为0.5m，经计算，

7、电动机驱动梯形螺杆的上升速度为9.8mm/s，仓门打开或关闭的时间为51s。仓门升降速度固定，不能调整。3）仓门升降时单侧支架受力，使仓门的框架因受力扭弯变形，变形后的仓门与门框摩擦，增加仓门升降时的阻力，增加仓门铰链的力矩，增加电机负载。4）三相异步电动机在起动时具有瞬时加速的特点，经机构传递到支架，对支架有冲击力，频繁冲击后支架的焊缝易因应力疲劳而发生断裂。5）由于用力不均，单侧支撑仓门时对铰链额外增加了力矩的作用，造成铰链易断裂。综上所述，展品原仓门升降系统设计过于复杂，可靠性差，升降时仓门框架变形及电机起动冲击等因素造成支架焊缝和铰链经常因应力疲劳而断裂。3.3 改造后仓门升降系统的组

8、成部件压缩空气使用场馆内现有的系统，工作压力在0.45MPa以上；控制电磁阀1个；气缸速度控制阀4只，分别安装在气缸的进出口上，可调整仓门的升降速度；气缸2个，气缸的型号根据以下计算结果选择。双臂支撑仓门时，每个气缸的支撑力应大于824N，为了能更安全、平稳地工作，在理论最大支撑力的基础上增加安全系数1.5，即要求每个气缸提供的支撑力应大于。设气缸的活塞直径为Dmm，则气缸可提供的推力为：根据气缸规格，可以选择气缸的型号为SC63-500，该气缸的缸径为63mm，行程为500mm，在正常工作时可提供的支撑力为：能满足设计要求。3.4 改造后升降系统的优点1）系统构造简单，便于维修与保养。2）仓门升降时受力较低，力的作用点对称合理，减少仓门框架变形，减少零件因应力影响而断裂。3）合理调整速度控制阀，仓门起动平缓，无冲击力影响，仓门升降时的安全性较高。4 结论“未来驾驶”展品仓