林琳，程東霽

用于貨物自動化裝卸的汽車便攜式起重裝置的優(yōu)化設(shè)計

林琳1，2，程東霽2

（1.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院機電系，福建夏門3610121；2.蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215006）

從傳統(tǒng)的汽車起重裝置的優(yōu)點出發(fā)，設(shè)計了舉升部分的機械結(jié)構(gòu)，并進行了運動學分析和應(yīng)力分析，并初步提出了實現(xiàn)壓力數(shù)顯的稱重系統(tǒng)控制模塊，為車用便攜式起重裝置的優(yōu)化設(shè)計提供有關(guān)數(shù)據(jù)。該設(shè)計將有效地提高貨物裝卸的工作效率，降低勞動力強度，對全面分析汽車起重裝置的性能具有非常重要的意義。

起重裝置；舉升部分；應(yīng)力分析；控制模塊

汽車便攜式起重裝置是安裝在汽車尾部或者貨車廂體內(nèi)部的一種設(shè)備，也稱汽車尾板（Tail lift），可以實現(xiàn)裝卸貨物的自動化，不需要人力進行上下搬運，避免了裝卸貨過程中的人員傷害和對貨物的碰損，從而確保了裝卸的安全，特別是對運輸氣體和液體的車輛來說更加具有安全可靠性[1]。

該類型裝置在發(fā)達國家應(yīng)用較為廣泛，而在國內(nèi)，到目前為止，由于針對便攜式起重裝置的相關(guān)法律法規(guī)尚未完善，勞動力成本仍處于相對價廉充裕的狀態(tài)，以及與裝置相關(guān)的配套設(shè)施尚不健全等原因，國內(nèi)汽車尚未大面積普及使用該裝置。數(shù)據(jù)顯示到2016年止，國內(nèi)總的在用的該裝置數(shù)量不超過10萬臺套，這與國內(nèi)貨車的產(chǎn)量相比而言，裝備率幾乎為零，相比發(fā)達國家裝備率70%以上，兩者之間的差距非常大。但是，隨著物流業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)人口老齡化趨勢嚴重，年輕勞動力成本的逐漸增長，該起重裝置必然得到企業(yè)和社會的重視。但如果直接引入國外先進技術(shù)，需要大量資金，而且大部分利潤將流失。目前，在標準不規(guī)范的前提下，盡管有些企業(yè)生產(chǎn)的起重裝置關(guān)鍵件選用歐洲知名品牌，然而現(xiàn)行國產(chǎn)起重裝置設(shè)計單調(diào)，品種單一，功能簡單，難以滿足各行業(yè)的特殊要求。

針對以上情況，本項目將從便攜式起重裝置的運動原理設(shè)計到建模參數(shù)的確定，利用Autodesk Inventor軟件進行樣機建模及運動仿真，并編程計算出各構(gòu)件運動參數(shù)，再利用有限元軟件ANSYS進行應(yīng)力及模態(tài)分析，并提出壓力數(shù)顯及遙控防超載模塊的初步設(shè)計思路，進而為擬研制其實體模型進行試驗做基礎(chǔ)，旨在為便攜式起重裝置的研發(fā)提供可靠的理論依據(jù)。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)分析

1.1 工作原理

起重裝置的品種雖多，但其基本原理卻是相同的，即平行四連桿機構(gòu)的平行移動原理，如圖1所示。圖中AB、BC、CD、DA四連桿鉸結(jié)，AB=CD，BC =DA，AB

圖1 起重裝置中的平行四邊形機構(gòu)

實際應(yīng)用中，是兩組平行的四連桿機構(gòu)，分置于汽車縱梁兩側(cè)同步動作，而CDE即為載物平臺。設(shè)計時，須解決以下三個問題：BC桿轉(zhuǎn)動的動力；BC桿轉(zhuǎn)動動力的作用點及作用形式；CD桿在C點觸地后，必須有一個繞D點轉(zhuǎn)動動作，以便E端觸地，方便貨物裝卸。

便攜式起重裝置整個工作過程循環(huán)如圖2所示，大致分為7個過程[2]。

圖2 起重裝置的工作過程圖解

起重裝置在發(fā)展初期為汽車發(fā)動機通過取力器帶動油泵驅(qū)動。由于工作時發(fā)動機需要怠速運轉(zhuǎn)，現(xiàn)已很少采用。目前基本都采用微型液壓泵站驅(qū)動，以汽車電瓶為動力源。

在本文設(shè)計的液壓回路中，通過舉升液壓油缸FG的伸長和收縮，平行四邊形搖桿機構(gòu)ABCD將隨之進行往復擺動，載物平臺CDE也將隨之上下往復平動，即實現(xiàn)工作過程中的下降著地、上升兩個動作。另外通過翻轉(zhuǎn)液壓油缸BC的伸長和收縮，實現(xiàn)載物平臺CDE觸地后平臺的翻轉(zhuǎn)動作，即實現(xiàn)工作過程中的開門、接地、離地提升、關(guān)門的動作，而不參與平臺升降[3，4]。工作原理如圖3所示。

圖3 起重裝置的工作原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)分析

由以上工作原理分析所得，便攜式起重裝置的機械結(jié)構(gòu)可以由液壓驅(qū)動機構(gòu)、連接橫梁以及工作面板三部分組成，另外考慮后期需要擴展的稱重防超載功能，需要添加上稱重系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 便攜式起重裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）液壓驅(qū)動機構(gòu)：液壓驅(qū)動機構(gòu)里面包括舉升和翻轉(zhuǎn)兩組液壓缸體，通過平行四邊形搖桿機構(gòu)控制。

（2）連接橫梁：在安裝起重裝置時，通過橫梁與貨車底板的縱梁進行連接。

（3）工作面板：工作面板用來承載起重裝置需要裝卸的貨物。

（4）稱重系統(tǒng)：在完成起重裝置的整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可以考慮添加稱重系統(tǒng)，主要為實現(xiàn)單批次物品的稱重，通過累加模塊用來對稱重模塊測量的單重進行累加，不僅可統(tǒng)計裝卸貨物的總重，并且最終可以通過控制器和驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)超載鎖死功能。本文也提出了壓力數(shù)顯及遙控防超載模塊的初步設(shè)計思路。

2 起重裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

本項目申請之前已經(jīng)對起重裝置的平行四邊形搖桿長度進行了簡單的設(shè)計計算，現(xiàn)在此基礎(chǔ)上，仍以徐工集團的NXG1160D3ZAL2X型貨車為載體，額定載重為1 t，工作面板自重為350 kg，對廂式貨車便攜式起重裝置的其他機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，工作面板和連接橫梁都與車身尺寸相對應(yīng)，主要是針對液壓驅(qū)動機構(gòu)和稱重系統(tǒng)進行設(shè)計。該貨車的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 設(shè)計目標貨車相關(guān)參數(shù)（單位：mm）

2.1 舉升液壓油缸的桿長設(shè)計

工作面板的平動是由通過控制舉升液壓油缸實現(xiàn)的，工作面板的下降著地和上升兩個極限位置的尺寸示意圖如圖5所示[5]。

圖5 工作面板平動兩個極限位置尺寸示意圖

平行四邊形機構(gòu)中的搖桿尺寸計算如式（1）。

式中：H1為舉升高位距離搖桿鉸鏈中心的高度；β為平行四邊形機構(gòu)與水平面之間夾角，常取40°～50°；

考慮到機構(gòu)的簡化與安裝的簡化，在圖6中將舉升液壓油缸的鉸接點與翻轉(zhuǎn)液壓機構(gòu)的鉸接點重合為一點（M點），在機構(gòu)簡圖中用鈍角三角形模擬工作面板兩個平動極限位置時與舉升液壓油缸鉸接的平行四邊形機構(gòu)的搖桿結(jié)構(gòu)，N點即為搖桿與液壓油缸連接的鉸接點。

圖6 舉升機構(gòu)簡圖

兩極限位置下MN長度即為舉升機構(gòu)的油缸長度，舉升狀態(tài)下的MN為舉升油缸的最長長度，下降狀態(tài)下的MN為舉升油缸的最短長度，而兩者之差即為液壓缸中活塞桿件的長度，其具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 舉升液壓油缸相關(guān)計算數(shù)據(jù)

2.2 翻轉(zhuǎn)液壓油缸的桿長設(shè)計

工作面板的四個翻轉(zhuǎn)動作是通過控制翻轉(zhuǎn)液壓油缸實現(xiàn)的。根據(jù)工作面板與地面高度可以確定起重裝置在高位時的關(guān)門與開門的兩種狀態(tài)A與B，以及低位時的離地提升和接地狀態(tài)C與D，工作面板的四個狀態(tài)的各個邊長要做好等長約束，如圖7所示。

圖7 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)簡圖

工作面板在高位水平開門位置B時，載重量對工作面板鉸接點的力矩與翻轉(zhuǎn)液壓油缸對工作面板鉸接點的力矩相等，可據(jù)此推算出翻轉(zhuǎn)液壓油缸對鉸接點的力臂。

工作面板在關(guān)門位置A時，翻轉(zhuǎn)液壓油缸桿長處于最長階段，而在接地位置D時，翻轉(zhuǎn)液壓油缸處于最短階段。兩狀態(tài)的長度之差即為液壓油缸活塞桿件的行程。所以，油缸的最小安裝長度要大于行程加上結(jié)構(gòu)所需長度（如兩個軸耳，活塞長度、缸底厚度、缸蓋厚度等），ABCD四個位置時的油缸與活塞桿長需做等長約束，其具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 翻轉(zhuǎn)液壓油缸相關(guān)計算數(shù)據(jù)

根據(jù)上述推算，最終確定了兩組液壓油缸的行程以及整個機構(gòu)中各鉸鏈中心的位置，便攜式起重裝置的整體機械結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 起重裝置整體機械結(jié)構(gòu)

3 三維建模及有限元分析

本文通過使用Autodesk Inventor軟件來建立便攜式起重裝置機械結(jié)構(gòu)部分的三維模型，如圖9所示。

圖9 起重裝置三維建模

為了確保便攜式起重裝置裝卸貨物時能夠安全可靠的工作，不會出現(xiàn)液壓桿件受壓變形、鉸鏈斷裂以及工作面板變形過大甚至撕裂等問題，所以需要對起重裝置結(jié)構(gòu)預(yù)先進行有限元分析，主要是應(yīng)力分析。

本設(shè)計主要針對起重裝置的三維模型的兩個極限位置，即最大舉升高度和最低舉升高度分別進行應(yīng)力分析，主要分析Mises應(yīng)力和主應(yīng)力。Mises應(yīng)力分析主要為了顯示整體的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中的地方，是強度評估的主要參考指標；主應(yīng)力分析是為了了解物體內(nèi)部的應(yīng)力流場分布[6]。

圖10和圖11分別是舉升過程中上極限位和下極限位的Mises應(yīng)力分析圖和最大主應(yīng)力分析圖。上極限位Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別是115.563 MPa和140.949 MPa，產(chǎn)生變形量為9.095 mm；下極限位Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別是158.663 MPa和177.631 MPa，產(chǎn)生變形量為11.873 mm，完全可以滿足起重裝置的材料要求和工作需要。

圖10 最大舉升高度應(yīng)力分析圖

圖11 最低舉升高度應(yīng)力分析圖

4 稱重系統(tǒng)控制原理

在完成整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計以后，提出稱重系統(tǒng)的初步設(shè)計思路，目的是后期開發(fā)壓力數(shù)顯及遙控防超載控制模塊，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動稱重、計算總重，并可以在遙控器上顯示和超重鎖死；還能實現(xiàn)遠距離遙控控制等功能，進而為擬研制實體模型進行試驗提供可靠的理論基礎(chǔ)。

該稱重系統(tǒng)安裝在起重裝置工作面板上，包括稱重模塊和累加模塊，控制器輸入端與稱重系統(tǒng)相連，輸出端與驅(qū)動機構(gòu)相連，并通過無線信號收發(fā)模塊I與遙控器的無線信號收發(fā)模塊II進行無線通信，遙控器的顯示屏和控制面板與無線信號收發(fā)模塊II連接。控制模塊原理如圖12所示。

圖12 控制模塊原理圖

5 結(jié)論

本文中設(shè)計的便攜式起重裝置機械結(jié)構(gòu)部分與傳統(tǒng)的起重裝置最大的不同在于翻轉(zhuǎn)液壓油缸與舉升液壓油缸共用一個軸，這樣設(shè)計會使得整體機構(gòu)更加緊湊，并能夠降低制作成本，同時安裝精度要求降低。另外，整體機構(gòu)通過U型螺栓與汽車橫梁固定具有安裝方便，安裝后位置易調(diào)整等特點。通過應(yīng)力及模態(tài)分析，得到機構(gòu)內(nèi)部最大應(yīng)力和變形量，為選材和加工提供了理論依據(jù)，并設(shè)計出稱重系統(tǒng)控制原理框架，后期擬研制實體模型來進行試驗驗證。

[1]王東輝.安中汽車尾板發(fā)展分析[J].物流技術(shù)，2011，創(chuàng)刊30周年紀念刊：114-115.

[2].鄧亞東，陳森濤，易興初，等.一種廂式載貨汽車尾板舉升機構(gòu)的設(shè)計[J].武漢理工大學學報，2005（7）：99-101.

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Optimum Design of Portable Lifting Device for Automated Loading and Unloading of Cargo

LIN Lin1，2，CHENG Dong-ji2
（1.Department of Mechanical Engineering，Xiamen Ocean Vocational College，F(xiàn)ujian Xiamen 361012，China；2.School of Mechanical Engineering，Soochow University，Jiangsu Suzhou 215006，China）

Based on the advantages of the traditional automobile crane，the mechanical structure of the lifting part is designed，and the kinematics analysis and stress analysis are carried out.The weighing module system of the pressure digital display is put forward for providing the relevant data of the optimized design of the vehicle portablecrane.The design will be effective in improving the cargo handling efficiency and reducing the labor force，which is of great significance for the comprehensive analysis of the performance of the crane.

lifting device；lifting part；stress analysis；control module

TH218

A

1672-545X（2017）07-0010-05

2017-04-19

福建省教育廳中青年項目（批準號：JA15753）

林琳（1976-），女，黑龍江海倫人，講師，蘇州大學在讀博士，研究方向：機械設(shè)計，智能機器人。