打开文本图片集

摘要：为优化履带式牵引机的结构，以履带式牵引机为例，从传动系统、张紧系统两个方面对牵引力的传递过程进行了理论分析，介绍了设计方法，并按照设计方法对各项参数进行了校核，结果证明均能满足设计要求，但局部仍有进一步优化的必要。

关键词：履带牵引机；牵引力；校核

在电线电缆行业中，履带式牵引机广泛应用于电线电缆的生产过程。其作用是在一定的速度下，将电线电缆由生产线放线端平稳拖拽到收线端，并在这个过程中完成电线电缆的表皮包覆、铠装以及绕包等生产工序。履带牵引机，通过设备的上下两排压紧气缸推动履带对电缆施加压力，从而托动电缆向前平衡运行，既不操作电缆表面，又不能引起电缆变形，张力恒定，夹紧力瞬间可调，并配有2-4级变速箱，以满足不同用户对牵引工艺速度范围的要求。以往的履带式牵引机设计工作，大多采用参照法、类比法，容易导致主要性能无法满足，或者局部安全系数过大，造成浪费。因此本文对履带式牵引机的牵引系统进行受力分析，优化设计方案，以提高产品性能，降低设计成本。

一、牵引机的概述

在理解牵引机的概念之前，我们先看一下三个日常生活与生产中经常会见到的牵引机画面：场景一，在富士康的车间流水线上，为了保证物料有序的运输，可以将物料物料零散的投放在橡胶带上，橡胶带与物料点之间形成一种物料输送流程，使流水线的生产有序作业，有节奏作业，这就是胶带牵引机的一种广泛应用形式；场景二，我们可以想象一下，在中国古代建筑长城的过程中，工人们把砖石搬到山顶之后是如何一块一块垒成万里长城的？特别是在垒墙的过程中，砖块的上下运输过程急需要耗费体力，所以建筑长城的工人们想出了一个办法。在砖石的底层铺上一层圆木，圆木之间互相滚动产生牵引力，将砖石运输到指定的建筑点。这能够节省大部分的人工，这一场景就是最早期的滚轮式牵引机的应用场景；场景三，在现代化农机应用市场中，履带式农用牵引机是比较常用的一种牵引机类型，它通过上下履带的共同牵引，应用夹紧块来实现动力牵引，在我国实现机械化农耕作业的过程中发挥了重要作用机。

牵引机的种类，主要有三种，为胶带式、滚轮式和履带式。橡胶带式：是由橡胶传送带、压紧等组成的，通过压紧辊将管材压到橡胶传送带上，利用这两者之间的摩擦力来牵引管材，而传送带，则由动力来拖动。因此它的牵引能力是比较小的，适用于小直径管材。滚轮式：是由牵引辊轮所组成的，管材通过上下滚轮进行夹持，进而进行牵引，所以适用于中小直径管材的牵引。履带式：是由上下履带所组成的，而且在履带上装有夹紧块。它的牵引力大，适用于大直径及薄壁管材的牵引，这也是本文重点研究的牵引机类型。

如今，履带式牵引机已经实现了信息化和电气自动化。我们日常中常见的牵引机主要构成有牵引车，轨道装置，滑接线装置，信号装置，缓冲装置等组成。电气控制主要采用变频器﹑PLC﹑编码器﹑接触器。例如，江西某机械设备供应商生产的牵引机，具有如下特点：

（一）牵引机牵引力是通过变频器参数设定来控制直线电动机牵引力大小。牵引力也分为6档：80Kg可在0-80Kg范围内任意选定6档；120Kg 可在0-120Kg范围内任意选定6档；180Kg可在0-180K范围内任意选定6档；240Kg可在0-240Kg范围内任意选定6档。

（二）通过编码器﹑PLC控制牵引机运行过程中的牵引速度，且显示牵引长度。因通过编码器﹑PLC控制可设定限速，所以即使咬合失败也不会飞车。通过频率设定返回运行过程中设置返回速度﹑返回1速﹑返回2速﹑返回3速逐渐减速，确保返回定位正确。

（三）另外，还设置自检功能，出现故障通过触模屏显示故障内容，同时锁定牵引机（不接受任何正常操作命令）。

（四）采用变频器﹑PLC控制自动化程度高，能与挤压机联动，电气原件少﹑故障率低。

不过，无论机械技术如何集成化发展，履带式牵引机的基本动力学原理还是没有发生根本的改变。履带式牵引机的主要动力学原理，仍然是通过张紧系统和压紧系统的动力传输，来解决动力牵引问题，这就如同人体的循环体统，通过舒张压和收缩压来运送血液，二者的原理具有一定的类似性。

履带式牵引机主要应用于农业机械化和工业制造业（特别是电线、电缆行业的动力牵引）。

现有的大、中型农用牵引机功率大、作业效率高，是农用牵引机的主要发展趋势。但是，我国幅员辽阔，农业人口众多，人均耕田少，而地形地貌千差万别，特别是南方，多山地、丘陵。如湖南、江西、广东、广西、福建、贵州、云南等省，这些地方大部分田块较小，土地承包责任制后连片地小，田间道路崎岖不平，大、中型农用牵引机无用武之地，且大、中型农用牵引机结构复杂，科技含量高，价格也较昂贵，南方地区绝大多数农民无能力购买。因此，小型农用牵引机由于其小巧、机动灵活、价位低，受到广大农民的喜爱，特别是农村的短途运输很受欢迎。

但小型农用牵引机在田间耕作上，存在很大的问题，主要是转向阻力太大，极易打滑，甚至无法转向，在附着力较差的田地无法进行耕作。所以，目前几乎没有用户将这种农用牵引机实际用于田间耕作，而造成小型农用牵引机用途单一，设备利用率不高、浪费资源的问题。为了克服上述小型农用牵引机田间耕作的不足，使其具备多种用途，提高机器利用率，节约资源，是非常必要而且及时的。为此，娄底农机技术中心成立了科研攻关小组，对上述问题进行研究、攻关，提出了WF-402履带式农用牵引机解决方案。

WF-402履带式农用牵引机在进行了多次性能试验和生产试验基础上，样机于2014年4月在湖南双峰进行系统的性能试验，累计试验时间360h，共旋耕作业60hm2，可靠性考核中无致命故障和严重故障，并由湖南省农业机械鉴定总站检测，所检项目达到了设计要求和国家行业标准要求。2015年2月，该机顺利通过了娄底市科技局组织的市级科技成果鉴定，居国内同类领先水平。该机结构紧凑，接地比压小，操作简单，田间转移方便，可配套多种农具，功能多样，具有良好的经济、社会效益和应用前景。

通过上述案例分析，我们知道，在农用履带式牵引机的技术改革上，主要是进行了压紧系统的变革与创新，解决了静摩擦力的问题，改善了农用牵引机容易打滑的问题，这是农用牵引机的主要矛盾。而本文主要研究工业履带式牵引机的矛盾焦点，在于张紧系统牵引力的改善问题。全文论证如下：

二、履带式牵引机整体结构

电线电缆行业中使用的履带式牵引机（以下简称牵引机）一般为平行结构，主要由传动系统、张紧系统、压紧系统、机架、电气控制等部件组成。结构如图1所示。电机通过联轴器的连接，依次带动变速箱、减速器以及齿轮传动箱后，驱动上下牵引轮旋转，依靠牵引轮与橡胶履带之间的静摩擦力和橡胶履带与电缆表面的静摩擦力的相互作用，带动电缆从左向右（或者从右向左）水平运动。水平方向主牵引力是牵引机的主要性能参数，牵引力的大小受3个因素影响：电机传递给牵引轮的传动牵引力、张紧轮与橡胶履带之间的静摩擦力以及橡胶履带和电缆之间的静摩擦力。以上3种力中，数值最小的一个就是牵引机的有效主牵引力。

我们可以看出，总牵引力F与变速箱相应档位的速比、变速箱与其联轴器传动效率、减速器的减速比、减速器与其联轴器传动效率、齿轮箱内的一对斜齿轮传动效率成正比；与电动机额定转速、牵引机牵引轮直径成反比。如果牵引轮和皮带之间的摩擦力不够，或者皮带和电缆之间的摩擦力不够，还是拖动不了大规格的电缆。好在后面两个参数，在生产实践中，通过有意识地让电缆不动，开动牵引机，检查皮带和牵引轮之间是否打滑，或者皮带和电缆之间是否打滑，能容易地发现张紧力是否足够大？我们这里只要考虑设备厂家的设计牵引力与张紧力是否满足要求。除此之外，对设备的采购方案与维修方案，给出一定的意见。

三、牵引力设计与设备采购案例分析

最近，因海底电缆生产需要，公司计划添置一台履带牵引机。要求：额定牵引力为6000kg，牵引的最大电缆外径为200mm，最大牵引速度为20m/min，牵引机的中心高度为1m，外形尺寸由牵引机厂家设计。牵引机可单独使用，也可与生产线联动，牵引机要有独立的电气控制系统。采购信息发出后，几个设备厂家作了响应，但提供的牵引机除报价不一样外，设备参数也不一致。例如，电动机的功率，就有22kW和30kW，履带与电缆的接触长度也有3600mm和3900mm。同设备厂家沟通，都表示能满足我们的牵引力要求。如果购买了，短时间内，又没有较大规格的电缆牵引来验证。而且，一旦使用此设备生产，如果拖不动，或出现其它缺陷，就像以往发生的，牵引机的齿轮箱漏油，齿轮打掉，或是皮带打滑，造成的经济损失又大。究竟应选用哪一家的牵引机性价比高呢？

（一）设备采购方案选择与优化

根据牵引力总公式计算方法，依据生产需求（根据额定牵引力f为6000kg，牵引的最大电缆外径为200mm，最大牵引速度v为20m/min，牵引机的中心高度为1m等相关数据），得出总牵引力F=12kw（用f乘以速度v）。那么，供应商给出的22 kw与30kw方案，都能满足生产需求。根据履带与电缆的接触长度不同（3600mm和3900mm），我们分别计算出单位长度的牵引力水平：

F1=22/3600=0.006kw/mm

F2=30/3900=0.007kw/mm

相对于22kw的设备来说，30kw的性价比更高一些，不仅能够满足生产需求，而且单位长度的牵引力更大。

（二）牵引系统参数核校

为了对牵引力F进行核校，需要找到主要的影响参数。一般现在市面上生产的牵引机，都可以变频变速，以满足不同的牵引力生产需求，所以，牵引机上一般会设置变速箱。根据不同变速箱调频方案，得出以下三档牵引力核校方案：

F1=19302N（第一档位速度）

F2=34244N（第二档位速度）

F3=60650N（第三档位速度）

F4=107636N（第四档位速度）

由此可知，采用30kW电机时，在第一档位速度时最大牵引力为19302N，小于额定牵引力。在该型号牵引机实际运行过程中，此档位一般用于小规格电缆的牵引或者生产线倒车使用，此牵引力已经能满足使用要求。在第二、三、四档位速度时，最大牵引力都大于额定牵引力。牵引系统各变速参数的选择都能满足设计要求。

（三）张紧系统参数核校

我们看一下整个牵引机的动力系统，其主要的关键动力系统包括两个部分：张紧系统和压紧系统。压紧系统主要是对电缆进行联动传送，而张紧系统则通过气缸的作用，来对整个系统进行动力牵引。所以，牵引力发挥的关键点在于张紧系统，整个张紧系统的气缸，相当于汽车的驱动，当单驱的时候，牵引力比较小，但是可以满足小型的牵引作业，而且能够节省能源，减少设备耗费；而采用双气缸甚至联排气缸的作用下，张紧系统相当于汽车的双驱或者四驱，牵引力会大幅度增强，不过，与此同时能源消耗与设备消耗程度也会加大，在进行大型牵引作业的情况下，双气缸或者联排气缸设计，能够满足生产需求。

总结

从计算结果看，履带牵引机的牵引力大小不能只考虑电动机的功率、变速箱速度大小，还要对比其它参数。例如，方案（1）中，履带接触长度只有3600mm，而文接触长度短，易造成履带和电缆之间打滑。显然，对于6000kg牵引机，接触长度3600mm有点不太合理。另外，牵引轮直径和气缸直径的大小也要考虑。牵引轮直径小，皮带与牵引轮的接触长度短，包角小，易造成皮带与牵引轮之间打滑；气缸直径小，又会造成履带与电缆之间相对滑动。为了保证牵引机有足够的牵引力，并防止接触部件打滑，我们最终选择了电机功率为30kW的牵引机，履带为橡胶块结构，并采用双链轮的牵引轮。

参考文献：

[1]王国忠.履带牵引机设计牵引力的校核[J].电线电缆，2020（1）.

[2]张建辉，薛德胜.新型台式变频履带牵引机的设计[J].轻工机械.

[3]彭红光.履带式牵引机牵引系统的分析与设计[J].机械设计与制造工程，2014（4）.