王明旭 ，何穎臻 ，張洪源 ，宋 澤

（1.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001；2.河南省糧油倉儲(chǔ)建筑與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

0 引言

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)和軍事上對物料的短途傳輸及裝卸的需求不斷增加［1］。由于采用噸包裝卸、傳輸較為方便，使得裝卸效率提高明顯，近年來在國內(nèi)發(fā)展很快［2］。發(fā)達(dá)國家普遍使用噸包作為運(yùn)輸、倉儲(chǔ)的包裝產(chǎn)品［3-4］。目前，國內(nèi)對于噸包物料的裝卸主要依靠叉車。傳統(tǒng)叉車由于車輛裝載量的限制，當(dāng)貨物數(shù)量較大時(shí)，叉車需要分批進(jìn)行取料和運(yùn)輸，導(dǎo)致工作連續(xù)性不高，造成裝卸堆垛作業(yè)效率低，不宜進(jìn)行貨物的長距離搬運(yùn)。同時(shí)還需要人工進(jìn)行輔助作業(yè)，無法實(shí)現(xiàn)物料傳輸與裝卸一體化作業(yè)。為提高裝卸效率和降低裝卸成本，以適應(yīng)現(xiàn)代物流技術(shù)發(fā)展的需求，本文設(shè)計(jì)一種新型的噸包物料運(yùn)送裝卸裝置。

目前，針對噸包物料運(yùn)輸?shù)难b置較少，秦皇島港丙、丁碼頭使用技術(shù)含量較高的移動(dòng)式裝車機(jī)［5］，實(shí)現(xiàn)噸包貨物直接裝載至火車車廂；安徽海螺集團(tuán)使用的新型貨臺(tái)裝車機(jī)［6］，使得貨臺(tái)裝車過程更加高效［7］；橋式自動(dòng)碼垛機(jī)實(shí)現(xiàn)對噸包物料的一機(jī)卸車、入庫和碼垛［8］；楊賢貴［9］引入光電計(jì)數(shù)器記錄已經(jīng)堆垛或裝車的貨物袋數(shù)；化肥行業(yè)使用的LS200型裝卸機(jī)采用了“無液壓傳送”設(shè)計(jì)［10］，有良好的傳動(dòng)性能并便于維護(hù)更換。但現(xiàn)在還未有針對噸包運(yùn)輸?shù)恼w解決設(shè)備。

在充分調(diào)研國內(nèi)外裝車機(jī)發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，提出噸包物料裝車裝置整體設(shè)計(jì)方案。噸包物料裝車裝置提供一種新型的、全自動(dòng)化的物料裝卸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)噸包物料的連續(xù)裝卸，提高裝卸效率；其運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益［11］。

1 整體設(shè)計(jì)

新型高效噸包物料裝車裝置如圖1所示，主要分為3個(gè)部分，包括噸包運(yùn)送裝置、叉車堆放裝置和叉車導(dǎo)軌裝置。

圖1 噸包物料裝車裝置簡圖Fig.1 The schematic diagram of ton-bag material loading device

為保證連續(xù)高效地運(yùn)送噸包物料，噸包物料裝車裝置改變了傳統(tǒng)叉車的單一操作模式，將噸包物料的整個(gè)運(yùn)輸和裝卸過程一體化、流水化，實(shí)現(xiàn)與立體倉庫的無縫對接，整體效果如圖2。當(dāng)噸包物料輸送到流水線運(yùn)行時(shí)，噸包運(yùn)送裝置啟動(dòng)并接收物料，移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)，調(diào)節(jié)相鄰兩托盤間的距離，以改變物料與噸包運(yùn)送裝置的接觸寬度。啟動(dòng)行走結(jié)構(gòu)，將物料運(yùn)送至叉車堆放裝置的裝載位置。升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)貨叉結(jié)構(gòu)下降，貨叉結(jié)構(gòu)被推至噸包運(yùn)送裝置上物料的下方。升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)貨叉結(jié)構(gòu)上升一定高度后停止，裝卸結(jié)構(gòu)調(diào)整貨叉結(jié)構(gòu)的傾斜角度，以保證物料在貨叉結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定存放。升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)貨叉結(jié)構(gòu)繼續(xù)上升到堆放高度后停止。叉車堆放裝置利用位置傳感器定位，運(yùn)動(dòng)至車輛指定堆放位置。推貨結(jié)構(gòu)推動(dòng)貨叉結(jié)構(gòu)后退，將物料與貨叉結(jié)構(gòu)分離，完成1次噸包物料裝車過程。各驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓缸均可由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，不需要人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)噸包物料卸載自動(dòng)化，大大提高裝卸調(diào)度能力和效率，以及自動(dòng)化程度。

圖2 高效噸包物料裝車裝置效果圖Fig.2 The effect of high efficiency ton-bag material loading device

根據(jù)常見噸包物料的大小和裝車裝置的輸送量，確定噸包物料裝車裝置的主要尺寸如表1。

表1 噸包物料裝車裝置的主要參數(shù)Tab.1 The main dimensions of the ton-bag material loading device

2 噸包物料裝車裝置的設(shè)計(jì)

2.1 噸包運(yùn)送裝置的設(shè)計(jì)

噸包運(yùn)送裝置是運(yùn)輸噸包物料的一種小車設(shè)備，將物料運(yùn)送至叉車堆放裝置的裝載位置，包含3組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，即絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和行走結(jié)構(gòu)，完成包裝物料從入口端向出口端的運(yùn)送、堆垛和支撐工作。對于噸包物料堆垛，要保證其堆疊的可靠性以及最大程度地利用噸包運(yùn)送裝置和叉車堆放裝置的空間，提高裝卸效率，噸包物料之間的距離就要得到合適的把控。為解決上述問題，裝置采用絲杠調(diào)節(jié)方式。絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在噸包運(yùn)送裝置的基座上，在保證噸包運(yùn)送裝置行走結(jié)構(gòu)不移動(dòng)的情況下，其中1個(gè)擁有移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的托盤能通過絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整體移動(dòng)。當(dāng)噸包物料轉(zhuǎn)移到運(yùn)送裝置上之后，其在運(yùn)送裝置上的存放位置可能不居中或不穩(wěn)定，此時(shí)通過利用絲杠調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)2個(gè)移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的間距，從而完成噸包物料的穩(wěn)定堆疊。2套移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括6個(gè)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在物料傳送方向上平行排列。行走結(jié)構(gòu)依靠V形帶，將電機(jī)的動(dòng)力傳送到輪上，使噸包運(yùn)送裝置移動(dòng)至叉車堆放裝置的物料裝載處。

圖3 噸包運(yùn)送裝置Fig.3 Ton-bag delivery device

2.1.1 計(jì)算絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所需功率

如表2所列設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)軌對傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的支撐力：

常規(guī)潛艇艦隊(duì)的主力仍是“基洛”級(jí)，包括877型(16艘)和較新的646型改進(jìn)的“基洛”潛艇(6艘)。正在為太平洋艦隊(duì)建造后續(xù)6艘改進(jìn)的“基洛”級(jí)潛艇，以更換第一代“基洛”級(jí)潛艇。

表2 噸包運(yùn)送裝置初始設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Initial design parameters of the ton-bag delivery device

鏈條與鏈輪之間的摩擦力：

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所需功率：

2.1.2 計(jì)算移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所需功率

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對單個(gè)托盤與噸包物料的支撐力：

鏈條與鏈輪之間的摩擦力：

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所需功率：

2.1.3 計(jì)算行走結(jié)構(gòu)所需功率

導(dǎo)軌對噸包運(yùn)送裝置的支撐力：

行走結(jié)構(gòu)所需功率：

2.2 叉車堆放裝置的設(shè)計(jì)

叉車堆放裝置的作用是將成件托盤貨物進(jìn)行裝卸、堆垛、拆垛和短距離運(yùn)輸。裝置如圖4所示，包括：貨叉結(jié)構(gòu)、升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、裝卸結(jié)構(gòu)和推貨結(jié)構(gòu)。叉車堆放裝置主要是利用具有前后擺動(dòng)、升降和可直接承受全部貨重的伸縮式門架來完成貨物的叉取、升降和堆垛等工序。升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)貨叉結(jié)構(gòu)上升或下降；裝卸結(jié)構(gòu)用于調(diào)整貨叉結(jié)構(gòu)的傾斜狀態(tài)；推貨結(jié)構(gòu)用于推動(dòng)貨叉上的噸包移動(dòng)。

圖4 叉車堆放裝置Fig.4 Forklift stacking device

傳統(tǒng)叉車?yán)弥螄嵃锪峡蚣艿目蚰_先于貨叉接觸地面或者利用噸包物料的自重實(shí)現(xiàn)卸料［12-14］。這種卸料方式速度慢、效率低、不便捷。本文采用新型的推貨結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)噸包物料的卸料，如圖5所示。將叉車堆放裝置的推貨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成左右對稱，液壓缸通過鉸制孔用螺栓連接在推桿中間，左右推桿之間利用鉸制孔用螺栓連接，不僅提高叉車堆放裝置推貨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)其裝卸的可靠性，使其具備更強(qiáng)的裝卸能力。通過控制液壓缸的伸縮，推桿之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)撐桿輪在導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下移動(dòng)，繼而帶動(dòng)推貨架實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推貨結(jié)構(gòu)的伸縮，完成噸包物料的裝卸，使卸料動(dòng)作變得簡潔高效。

圖5 推貨結(jié)構(gòu)Fig.5 Cargo pushing structure

雖然貨叉結(jié)構(gòu)能將物料轉(zhuǎn)移，但是噸包物料在貨叉結(jié)構(gòu)上的位置往往不理想，在運(yùn)送中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，由此設(shè)計(jì)裝卸結(jié)構(gòu)。如圖6所示，新型伸縮搖臂機(jī)構(gòu)是叉車堆放裝置裝卸結(jié)構(gòu)的主要部分，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮，使后輪相對于底盤架有向上或向下的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使貨叉結(jié)構(gòu)前傾或后傾，通過前傾或后傾改變噸包物料在貨叉結(jié)構(gòu)上的位置，便于裝卸，使貨叉叉貨、卸貨和傳輸過程中貨物穩(wěn)定。由于叉車堆放裝置本身要求特殊，其正常工作必須滿足相應(yīng)的條件。必須正確地選擇結(jié)構(gòu)類型，通過實(shí)際工作的需求來設(shè)計(jì)合理的門架傾斜角度。我國叉車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，門架前傾角一般為3～6 °，后傾角為6～10 °，由于新型叉車堆放裝置采用新型的推貨結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸貨，所以后傾角可適當(dāng)減小，故取前傾角為4 °，后傾角為4 °。較傳統(tǒng)叉車的伸縮結(jié)構(gòu)，新型的伸縮搖臂結(jié)構(gòu)在液壓缸受拉力時(shí)，可以利用叉車堆放裝置的自重而減小液壓缸所用拉力，更為省力。液壓撐座固定在叉車堆放裝置底盤架上部，液壓轉(zhuǎn)塊與底盤架鉸接，同時(shí)液壓轉(zhuǎn)塊固定在后輪軸上，液壓缸分別與液壓撐座、液壓轉(zhuǎn)塊相連。

圖6 伸縮搖臂機(jī)構(gòu)Fig.6 Telescopic rocker mechanism

通過CAD作圖，畫出伸縮搖臂結(jié)構(gòu)分別位于傾角為 0 °、前傾角為 4 °、后傾角為 4 °時(shí)的工作位置，如圖7所示。

圖7 伸縮搖臂機(jī)構(gòu)的工作位置Fig.7 Working position of the telescopic rocker mechanism

傾角為0 °時(shí)，伸縮搖臂結(jié)構(gòu)與水平位置為0 °；前傾角為4 °時(shí)，伸縮搖臂結(jié)構(gòu)與水平位置夾角為 43 °，記為 +43 °；后傾角為 4 °時(shí)，伸縮搖臂結(jié)構(gòu)與水平位置夾角為43 °，記為-43 °。故伸縮搖臂結(jié)構(gòu)的工作角度為-43～43 °。

2.3 叉車導(dǎo)軌裝置的設(shè)計(jì)

叉車導(dǎo)軌裝置是用來支撐叉車堆放裝置同時(shí)對其起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌設(shè)備，如圖8所示。利用三角形機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性這一特性，將該機(jī)構(gòu)用于叉車導(dǎo)軌裝置的下部支撐。這樣可以使叉車導(dǎo)軌裝置在工作時(shí)保持高強(qiáng)度、穩(wěn)定支撐的狀態(tài)。貨車的寬度一般在2～2.5 m，所以兩導(dǎo)軌間距設(shè)計(jì)為3.3 m。每2個(gè)連接裝置之間采用5 m間距。叉車導(dǎo)軌裝置的首尾焊接止動(dòng)塊起安全保護(hù)作用。

圖8 叉車導(dǎo)軌裝置Fig.8 Forklift rail unit

3 高效噸包物料裝車裝置關(guān)鍵部件仿真分析

通過SolidWorks對噸包物料裝車裝置進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并使用simulation有限元盡可能按照實(shí)際工作情況對主要部件施加均布載荷和集中載荷，完成對設(shè)計(jì)裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行驗(yàn)證與校核。選取的主要部件包括：底座、兩邊貨叉、中間貨叉、液壓撐板和鏈條連接板。分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 關(guān)鍵部件有限元分析應(yīng)力圖Fig.9 Finite element analysis stress diagram of key components

通過對分析結(jié)果的整理得出，對所受極限應(yīng)力低于50 MPa的底座、液壓撐板等采用Q235A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行制造，而將所受極限應(yīng)力高于100 MPa的貨叉和鏈條連接板等部件采用強(qiáng)度更高的40Cr材料。如表3所示，噸包物料裝車裝置在預(yù)設(shè)的最大工作狀態(tài)下，其所有關(guān)鍵部件都具備完成最大預(yù)定裝車任務(wù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表3 關(guān)鍵部件有限元分析結(jié)果Tab.3 Finite element analysis results of key components

4 結(jié)語

基于現(xiàn)在噸包物料運(yùn)輸中所存在的裝卸問題，本文設(shè)計(jì)一種高效噸包物料裝車設(shè)備。裝置在解放人工勞動(dòng)力的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率以及裝車環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度。噸包運(yùn)送裝置通過調(diào)整絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)托盤之間的距離，改變噸包物料在托盤上的接觸寬度，以提高穩(wěn)定性。叉車堆放裝置的裝卸結(jié)構(gòu)和推貨結(jié)構(gòu)，使其具備更穩(wěn)定和便捷的裝卸能力，實(shí)現(xiàn)對噸包物料的平穩(wěn)堆放。通過有限元靜力學(xué)分析對裝置多個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核，其強(qiáng)度皆符合設(shè)計(jì)要求。本文所設(shè)計(jì)的裝置理論裝車速度可達(dá)216 t/h，相較于傳統(tǒng)人工和叉車配合裝卸100 t的噸包貨物需要連續(xù)工作2 h，將大幅提高噸包物料的裝卸效率，并為噸包物料裝車提供新的解決方案和理論依據(jù)，為國家糧食物流裝備的開發(fā)應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。