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        車載集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計與分析

        2020-06-29 03:02:58劉浩然朱京明
        重型機(jī)械 2020年4期
        關(guān)鍵詞:動作

        劉浩然,朱京明

        (1.西南大學(xué)含弘學(xué)院,重慶 400715;2. 五邑大學(xué)智能制造學(xué)部, 廣東 江門 529030;3.山東交通學(xué)院工程機(jī)械學(xué)院,山東 濟(jì)南 250023)

        0 前言

        集裝箱運輸于20世紀(jì)中葉出現(xiàn),隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、世界各國貿(mào)易量的增加而逐漸發(fā)展,在經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展后,集裝箱運輸成為了覆蓋全球最廣且最重要的運輸方式之一[1]。 在集裝箱裝載散貨時,為了提升效率一般要把集裝箱豎直立起,并通過輸送帶將散貨運輸?shù)郊b箱中。要實現(xiàn)集裝箱的翻轉(zhuǎn),傳統(tǒng)上,需要先通過起重裝置將集裝箱從運輸車輛上卸下并放置在翻轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行固定在進(jìn)行相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)作業(yè)[2]。

        美國的Bushman公司是世界上生產(chǎn)種類最豐富的翻轉(zhuǎn)裝置,主要有CL型、L型以及其他可以依據(jù)操作對象定制的翻轉(zhuǎn)裝置[3]。美國Life Product公司研制的L型翻轉(zhuǎn)裝置,主要應(yīng)用于小型設(shè)備的翻轉(zhuǎn),更在液壓式翻轉(zhuǎn)裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了電力驅(qū)動式、可移動式等多種翻轉(zhuǎn)裝置[4]。國內(nèi)翻轉(zhuǎn)裝置的起步較晚,研發(fā)及其制造方面與國外的先進(jìn)水平存在一定的差異,凱峰集團(tuán)研發(fā)的多種類型集裝箱專用翻轉(zhuǎn)機(jī)在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平[5]。

        1 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        基于可控機(jī)構(gòu)[6-12]相關(guān)原理設(shè)計的集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置是典型的平面五桿機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的基本組成包括底座、機(jī)架、主動桿、從動桿1、從動桿2、滑塊等。該機(jī)構(gòu)在工作時的主要動作分為翻轉(zhuǎn)動作和復(fù)位動作。翻轉(zhuǎn)動作的工作原理:主動桿順時針旋轉(zhuǎn),滑塊配合主動桿的動作向遠(yuǎn)離主動桿的方向滑動,待到主動桿以及從動桿1皆到達(dá)操作所要求的位置時所有構(gòu)件停止運動,完成翻轉(zhuǎn)動作;復(fù)位動作的工作原理:主動桿逆時針旋轉(zhuǎn),滑塊配合主動桿的動作向靠近主動桿的方向滑動,待到各構(gòu)件回復(fù)到原來位置時動作停止,完成復(fù)位動作。

        圖1 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置機(jī)構(gòu)簡圖

        2 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的力學(xué)分析

        2.1 機(jī)構(gòu)力學(xué)的簡化

        集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置在工作時各構(gòu)件的運動速度較小、速度的變化也較小,因而在進(jìn)行靜力學(xué)計算時可以忽略結(jié)構(gòu)本身的慣性力和轉(zhuǎn)動慣量;而此機(jī)構(gòu)主要為鋼結(jié)構(gòu),各構(gòu)件自身的重力較大,因此在進(jìn)行靜力學(xué)計算時結(jié)構(gòu)本身的重力不可忽略。在此機(jī)械結(jié)構(gòu)中,各鉸孔的摩擦力與各構(gòu)件所受的其他力相比遠(yuǎn)小于其他力,因此在受力分析中將忽略各鉸孔的摩擦力。集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的受力情況如圖2所示,并根據(jù)此機(jī)構(gòu)的工作特點、結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行力學(xué)簡化,各構(gòu)件受力分析如圖3所示。

        圖2 機(jī)構(gòu)受力分析

        圖3 機(jī)構(gòu)受力分析

        2.2 剛體動力學(xué)求解

        根據(jù)圖3,利用達(dá)朗貝爾原理建立該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力學(xué)簡化模型用式(1)表示。

        (1)

        將式(1)整理成矩陣形式,即

        [A][B]=[C]

        (2)

        式中,

        [B]=[FAx FAy FBx FBy M FCx FCy FDx FDy F]T

        將式(2)兩邊同時左乘[A]-1,就可以得到[B],即作用在各鉸點的約束反力、主動桿L1的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩M和滑塊的驅(qū)動力F的解:

        [B]=[A]-1[C]

        (3)

        通過上式即可求得翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各鉸點的鉸點力及驅(qū)動力,為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步功率預(yù)估打下基礎(chǔ)。

        3 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置運動學(xué)仿真

        3.1 位姿仿真

        建立該種集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置三維模型,并進(jìn)行運動學(xué)仿真,集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的初始位姿如圖4所示,經(jīng)過一系列的運動完成翻轉(zhuǎn)動作如圖5所示。

        要實現(xiàn)圖4到圖5的動作可以通過兩種工作方式。第一種工作方式:主動桿L1先進(jìn)行逆時針轉(zhuǎn)動,同時滑塊向靠近A點的位置緩慢滑動,此時,兩主動件所配合完成的動作將使翻轉(zhuǎn)架以及集裝箱做提升運動,待到主動桿L1到達(dá)指定位置,主動桿L1鎖閉不動,此時滑塊再向遠(yuǎn)離A點的位置進(jìn)行滑動,此時翻轉(zhuǎn)架連同集裝箱進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動作,待到指定位置滑塊停止運動并鎖閉,回轉(zhuǎn)過程為該工作過程的逆過程;第二種工作方式:主動桿L1和滑塊同時動作,主動桿逆時針旋轉(zhuǎn),同時滑塊向遠(yuǎn)離A點的方向運動;回轉(zhuǎn)過程為該過程的逆過程。

        圖4 機(jī)構(gòu)初始位姿

        圖5 機(jī)構(gòu)工作姿態(tài)

        對于第一種工作方式,設(shè)定輸入?yún)?shù),主動桿繞A點逆時針作勻速圓周運動速度為1.5 Deg/s;滑塊作勻速直線運動初速度為10 mm/s,在第40 s時滑塊速度變?yōu)?25 mm/s一直到運動結(jié)束。在第二種工作方式中,設(shè)定輸入?yún)?shù),主動桿繞A點逆時針作勻速圓周運動速度為1.5 Deg/s;滑塊作勻速直線運動速度為-20 mm/s。設(shè)定好輸入?yún)?shù)后,開始進(jìn)行機(jī)構(gòu)位置的仿真分析。

        在實際工程應(yīng)用中,可以通過B、C兩點的位置來確定集裝箱翻轉(zhuǎn)的角度以及位置,因此在仿真中導(dǎo)出了B、C兩點的位置變化曲線,以此來研究集裝箱在翻轉(zhuǎn)過程中動作的特點。

        圖6、圖7分別是兩種工作方式中B、C點的位置變化曲線。

        圖6 第一種工作方式中B、C點位置曲線

        圖7 第二種工作方式中B、C點位置曲線

        3.2 兩種工作方式的分析與對比

        對于第一種工作方式,滑塊推動桿L3先向A點做直線運動,在到達(dá)指定位置后又開始做方向相反的直線運動。這種運動方式可以改善主動桿L1的受力情況,降低主動桿的負(fù)載,但是當(dāng)滑塊的運動方向由指向A點變?yōu)橄喾吹姆较驎r,在滑塊速度方向變化的一瞬間,滑塊的加速度是一個比較大,此時根據(jù)牛頓第二定律F=m·a,則滑塊所受力F也比較大,滑塊將受到一定的沖擊會使機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損壞。

        對于第二種工作方式,滑塊與主動桿L1同時運動,且滑塊以低速運動,可以有效地防止慣性力的沖擊,但在運動中會使主動桿的負(fù)載增大,對主動桿的強(qiáng)度有很大要求。

        在圖7中,時刻為40 s時,C點位置的X分量和Y分量的曲線皆出現(xiàn)“尖頂”,C點位置的X分量曲線的斜率由大于0變?yōu)樾∮?,說明此時C點速度的X分量由正方向變?yōu)橄喾捶较?,C點位置的Y分量的斜率突然變大,說明此時C點速度的Y分量突然變大。由此也可得出上述第一種工作方式的缺點,即滑塊在運動中會受到一定的沖擊。

        由于本文中所研究的機(jī)構(gòu)是低速度、高負(fù)載,所以當(dāng)采用第二種工作方式時可以減少機(jī)械結(jié)構(gòu)額外的負(fù)載降低沖擊對機(jī)構(gòu)的損壞,由此建議該機(jī)構(gòu)采用第二種工作方式為宜。

        4 結(jié)論

        本文對車載集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行了剛體動力學(xué)建模和運動學(xué)仿真分析,分析結(jié)果驗證了該裝置可以完成集裝箱的翻轉(zhuǎn)以及再回轉(zhuǎn)到原始位置等一系列運動。證明了該翻轉(zhuǎn)裝置的可行性,能有效地降低車載集裝箱翻轉(zhuǎn)作業(yè)周期,提高翻轉(zhuǎn)作業(yè)效率,減少人力物力的浪費并相應(yīng)地減輕工人的勞動強(qiáng)度。

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