王敏娜,孫亮波,梁家偉,龔俊杰,伍正楷
(武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院,湖北 武漢 430048)
電子商務(wù)的興起帶動了快遞行業(yè)的發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計2017年我國快遞量就已達到205億件[1]。在當(dāng)今快遞運輸中,大部分以廂式貨車進行快遞運輸,從而存在安全性差、裝卸不便、識別度低、包裹無序等問題。例如大型家具、冰箱和空調(diào)等商品通常徒手裝卸,導(dǎo)致勞動強度高、裝卸效率低,且易造成商品損傷,降低運輸效率。而手機、電腦等電子產(chǎn)品在運輸過程中也存在擠壓損壞的可能性,增加運輸成本。
目前國內(nèi)市場上的產(chǎn)品及其性能分析如表1所示[2]。
通過對國內(nèi)外的運輸車的市場調(diào)研可知,現(xiàn)有運輸車主要存在以下問題:
(1) 貨物積壓損壞;
(2) 無法分類存放,車廂空間利用不合理;
(3) 人工裝卸繁瑣低效。
對現(xiàn)有運輸車存在的問題進行分析,創(chuàng)新設(shè)計了可變結(jié)構(gòu)運輸車,實現(xiàn)車廂的分層功能,避免貨物積壓,保證貨物平穩(wěn)安全;對車廂縱向進行分列,合理利用車廂空間。車廂門在保留傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)門的基礎(chǔ)上,改造成輔助滑動式斜接門,配合車廂內(nèi)部傳送板,能夠輔助貨物的裝卸,減輕工人勞動強度。
表1 現(xiàn)有的快遞運輸車性能分析
基于以上調(diào)查研究,創(chuàng)新設(shè)計了可變結(jié)構(gòu)運輸車,其設(shè)計思路如圖1所示。
圖1 設(shè)計思路
可變結(jié)構(gòu)運輸車的三維造型圖如圖2所示,通過三層傳送帶2、3、5進行分層,通過分隔網(wǎng)架1分區(qū),實現(xiàn)對不同貨物的合理分類和對車廂空間的有效利用。翻轉(zhuǎn)門4分別與三層傳送帶2、3、5配合,實現(xiàn)半自動化裝卸貨物。
圖2 可變結(jié)構(gòu)運輸車三維造型圖 1.分隔網(wǎng)架 2.頂層傳送帶 3.中層傳送帶 4.翻轉(zhuǎn)門 5.底層傳送帶
為了解決貨物的積壓問題,達到降低貨物損壞率,優(yōu)化商品運輸環(huán)境的目的,設(shè)計了車廂分層的結(jié)構(gòu)。設(shè)計了上、中、下三層貨物存放支撐板,相鄰兩層之間的距離可以根據(jù)貨物實際尺寸大小進行任意層高調(diào)節(jié),在避免貨物積壓損壞的情況下,進一步更加合理利用空間。
如圖3所示,利用軸輥傳送板3給車廂分層。每層經(jīng)由纜繩1懸吊在車廂頂部。通過控制纜繩1進而控制每層傳送板的高度,使其能夠適應(yīng)不同尺寸貨物的需要。在車廂側(cè)面內(nèi)壁加裝導(dǎo)軌4,橫向固定傳送板,防止傳送板在車廂內(nèi)晃動。傳送板內(nèi)部加裝電機2帶動軸輥旋轉(zhuǎn)使其能夠運送貨物進出。
圖3 分層機構(gòu)示意圖1.纜繩 2.電機 3.分層傳送板 4.導(dǎo)軌
變胞機構(gòu)具有構(gòu)態(tài)變化和自動組合的特點,應(yīng)用在具有多個不同工作階段的場合 , 并且由一 個工作階段到另一個工作階段中, 總是以改變機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)(由此改變機構(gòu)的自由度)呈現(xiàn)出不同機構(gòu)類型或運動性能來實現(xiàn)功能要求,極大的減少了機構(gòu)數(shù)量,節(jié)省了內(nèi)部空間[3-4]。
為了實現(xiàn)對中、上兩層傳送板進行分別控制,達到減少原動機的數(shù)目,降低成本的目的,采用了差動輪系與棘輪組成的變胞機構(gòu),完成了動力分配和放松的雙重功能。如圖4所示的頂部升降機構(gòu),利用了差動輪系、蝸輪蝸桿、萬向節(jié)、普通錐齒輪的組合傳遞動力。
車廂內(nèi)分為三層,底層1固定不動,上、下兩層需要單獨控制升降,此處創(chuàng)新設(shè)計了差動輪系分配動力。電機4將動力輸入至差動輪系8。如圖5所示差動輪系的自由度為:
F=3n-(2p1+ph)=3×4-(2×4+1×2)=2
(1)
差動輪系8的兩個輸出端各有一個棘輪7,電機動力輸入至H桿,當(dāng)齒輪1輸出端被棘輪鎖死時,此時該差動輪系的自由度為1。動力由2輪輸出,經(jīng)由萬向節(jié)5、蝸輪蝸桿9、傳動軸、錐齒輪10組成的傳動鏈將動力傳至四角的絞輪4,絞輪4通過纜繩11控制頂層傳送板的升降。反之,當(dāng)2輪鎖死,則動力由2輪輸出,控制中層傳送板的升降。
圖5 分層升降機構(gòu)簡圖
考慮到車輛行進過程中震動較為強烈,在車輛行進過程中同時鎖死1,2輪兩個輸出端,系統(tǒng)自由度為零。保證分層高度不會變化,進一步保障貨物安全。
為了提高空間利用率,滿足不同類型、不同地域貨物的分類運輸要求,采用分隔網(wǎng)架和傳送板相互配合對車廂空間分區(qū)。
如圖6所示,卷線機構(gòu)3利用電機驅(qū)動蝸桿,蝸桿帶動雙蝸輪,纜繩1穿過走線管2連接雙蝸輪,雙蝸輪收放線,帶動纜繩1移動,從而控制網(wǎng)架4左右平移,改變分列的寬度。網(wǎng)架四角都連有纜繩1,保證網(wǎng)架4移動時不會傾斜卡死。在橫軌上左右滑動的同時,分隔網(wǎng)4隨層高變化在豎軌上伸縮滑動,從而進行更合理空間分配。
圖6 分隔網(wǎng)示意圖1.纜繩 2.走線管 3.卷線機構(gòu) 4.分隔網(wǎng)架
翻轉(zhuǎn)門保留了傳統(tǒng)的貨柜車側(cè)開的方式,裝卸貨物時可將門板從側(cè)面打開,如圖7所示。
圖7 傳統(tǒng)打開方式
此外,為了優(yōu)化卸貨過程,降低快遞人員的勞動強度,提高工作效率,防止暴力運輸,創(chuàng)新設(shè)計了翻轉(zhuǎn)打開的方式。
如圖8所示為翻轉(zhuǎn)門的機構(gòu)簡圖,其為曲柄滑塊機構(gòu),自由度為:
F=3n-(2p1+ph)=3×3-2×4=1
(2)
電機轉(zhuǎn)動,推動齒條前進,橫軌4同齒條前進。在門板的四角增加滑塊1,能夠在滑軌2上滑動。利用三角函數(shù)分析,有:
|CB|sinα=|CD|
(3)
所以車門在運動行程范圍內(nèi),滿足
0°≤α≤90°, 0≤|CD|≤|CB|
當(dāng)電機工作,帶動門傾斜,可以形成一定角度且能在任意高度鎖止,配合車廂內(nèi)部傳送板送出貨物,在裝載貨物時也可以借助這個翻轉(zhuǎn)門將貨物推送到傳送板上。當(dāng)車門完全打開,門板CB接近水平,在B處難以將門板推起,故在D處添加助力彈簧3。
取門板CB質(zhì)量M=2 kg,取彈簧不受力時長度為行程的一半S=150 mm,估算所需彈簧的彈性系數(shù)
(4)
因門板需承載貨物則選用彈簧彈性系數(shù)為K=100 N/m。
圖9為翻轉(zhuǎn)門輔助裝卸圖,通過傳送帶與翻轉(zhuǎn)門配合,實現(xiàn)對貨物的裝卸。增加擋板防止貨物打滑下落損壞。
圖8 翻轉(zhuǎn)門機構(gòu)簡圖圖9 翻轉(zhuǎn)門輔助裝卸圖1.滑塊 2.豎軌 3.助力彈簧 4.橫軌
如圖10所示,該可變結(jié)構(gòu)運輸車以1:6比例制作完成模型樣機。
圖10 可變結(jié)構(gòu)運輸車模型圖
與市場已有產(chǎn)品相比,該運輸車具有如下特點:
(1) 使用差動輪系與鎖緊機構(gòu)組合的變胞機構(gòu),采用多桿平行機構(gòu)和傳送板相互配合,實現(xiàn)分層分列組合對車廂分配空間,防止貨物積壓,滿足分類運輸需要。
(2) 采用電機驅(qū)動的傳送板,升降裝置,翻轉(zhuǎn)門等可大大優(yōu)化貨物裝卸方式,降低勞動強度并提高工作效率。
(3) 該運輸車空間利用率較高,可改善貨物運輸環(huán)境,輔助人工裝卸,能節(jié)省勞力,降低勞動成本,提高運輸效率,具有一定的市場推廣使用價值。