李 博, 喬印虎, 姚智華, 洪 巖, 陳立辛
(安徽科技學(xué)院機械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)
我國人口眾多是一個超級糧食大國,近7年糧食年產(chǎn)量都超過1.3萬億斤[1-2],糧食運輸和儲存都十分重要。隨著“四散化”糧食儲運技術(shù)的廣泛應(yīng)用[3-4],國內(nèi)以散糧方式儲存和運輸?shù)募Z食越來越多,近年來已經(jīng)占了儲糧總量的98%左右,比之包裝運輸節(jié)省了糧食裝車時的裝袋封口以及卸車時的拆封倒糧等工序,可以極大的提高工作效率并有效降低成本[5]。在此背景下,集裝箱汽車成為了散糧運輸?shù)闹饕煌üぞ?,糧庫輸出和接收散糧最直接也是最主要的交通工具[6-7]。但是,散糧集裝箱汽車入庫卸糧依然存在問題,各糧庫主要通過人工卸糧再輔以小型卸糧器械完成散糧卸車工作[8],工作量大勞動強度高,卸糧速度慢用人成本高,易造成糧食谷粒的散落,而且卸糧現(xiàn)場存在大量粉塵嚴(yán)重危害工人健康[9]。此外糧食入庫時間受糧食收獲季節(jié)限制較為集中,加之用工荒工人難尋,往往難以及時完成散糧卸車工作[10-11]。為了解決散糧集裝箱汽車卸糧難的問題,設(shè)計了一種移動式液壓后翻卸糧平臺,可以有效的提高散糧集裝箱汽車的卸糧速度和安全性,減少工人用量和卸糧成本,對散糧儲運和糧庫自動化建設(shè)具有十分重要的積極作用。
移動式液壓后翻卸糧平臺主要由底架、移動機構(gòu)、翻板平臺、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。底架為整機提供支撐作用,移動機構(gòu)實現(xiàn)移動功能,液壓系統(tǒng)為整機提供驅(qū)動力。卸糧時,集裝箱汽車向后倒車,駕駛到翻板平臺上,由翻板平臺托起與水平地面形成一定角度,使車廂內(nèi)的散糧在重力作用下自動流出。
底架及移動機構(gòu)主要包括底架、翻板固定架、前后輪架、驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、前后輪升降油缸及液壓馬達(dá)等,如圖1(a)所示。固定架在底架的后端,用以連接安裝翻板平臺。前后輪架分別布置在底架前后端的兩側(cè),用于安裝驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪及前后輪升降油缸。卸糧時,前后輪升降油缸收縮,驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪收縮在輪架內(nèi),底架與地面充分接觸,為整機提供穩(wěn)定支撐。移動時,前后輪升降油缸將驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪頂出,底架與地面脫離接觸,由驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪支撐整機,在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下實現(xiàn)卸糧平臺的自由移動。
1.翻板固定架;2.轉(zhuǎn)向機構(gòu);3.轉(zhuǎn)向輪;4.升降油缸;5.后輪架;6.底架;7.驅(qū)動輪;8.前輪架;9.液壓馬達(dá)
翻板平臺主要由人字架、翻板升降油缸、擋輪器及主板構(gòu)成,如圖1(b)所示。人字架布置在主板中部兩側(cè),翻板升降油缸活塞桿安裝在人字架上,缸體安裝在底架上,翻板升降油缸采用海沃前頂式油缸,具體參數(shù)如表1所示。翻板平臺后端鉸接安裝在翻板固定架上,隨著翻板升降油缸活塞桿的伸縮,繞鉸軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)平臺起降功能。擋輪器對稱布置在主板后端兩側(cè),當(dāng)翻板平臺升起時,在后方擋住集裝箱汽車輪胎,防止汽車在卸糧過程中由于車體傾斜向后移動,且擋輪器與輪胎接觸面是圓弧曲面,不會對汽車輪胎造成損傷。
表1 液壓油缸參數(shù)表
液壓系統(tǒng)主要由液壓站、前后輪升降油缸、液壓馬達(dá)、翻板平臺升降油缸、柴油發(fā)動機及各連接管路組成。其中液壓站包括油箱、電機、散熱器、手動泵、過濾器、加熱器和各閥組等,如圖2(a)所示。
1.加熱器;2.油箱;3.接線箱;4.加油口;5.手動泵;6.電動機;7.散熱器;8.過濾器;9.閥組
電動機是核心動力元件,卸糧時電動機驅(qū)動油泵,向兩側(cè)翻板升降油缸同步供油,實現(xiàn)翻板平臺的升降動作。并且通過傳感器實時檢測翻板平臺兩側(cè)角度,隨時調(diào)整兩側(cè)供油,保證翻板平臺兩側(cè)平衡。在平臺移動時,則向前后輪升降油缸以及驅(qū)動輪液壓馬達(dá)供油,將平臺底架頂起,實現(xiàn)自由移動。此外為解決移動過程中用電不便的問題,還可以由柴油發(fā)動機驅(qū)動油泵進(jìn)行供油,實現(xiàn)平臺自由移動。為保證車輛和人員安全,當(dāng)在卸糧過程中發(fā)生意外斷電等緊急情況時,翻板平臺會立即鎖死保持靜止。此時則可以使用手動泵,人工泵油使翻板平臺緩慢下降,避免危險情況的發(fā)生。在環(huán)境溫度過低或過高,不利于液壓設(shè)備運行時,散熱器和加熱器將自行啟動調(diào)控油溫到運行標(biāo)準(zhǔn)后設(shè)備才能運行,避免損傷設(shè)備。
控制系統(tǒng)使用西門子PLC作為核心控制器,外接傳感器和繼電器,對油箱電機、加熱器、散熱器以及各管路電磁閥等元件進(jìn)行控制,實現(xiàn)卸糧平臺各種功能。同時配置人機交互HMI進(jìn)行功能命令和設(shè)備信息的輸入輸出,控制系統(tǒng)硬件組成如圖2(b)所示。
通過控制箱可控制卸糧平臺的前后移動、左右轉(zhuǎn)向、翻板升降、油箱加熱冷卻及設(shè)備急停等功能??刂葡滹@示面板,可以實時顯示、查詢卸糧平臺運行狀態(tài),包括翻板平臺的起升角度、同步角度、液壓系統(tǒng)的油溫、卸車次數(shù)等信息,并可進(jìn)行升降角度設(shè)置等。為便于設(shè)備控制操作,控制箱還配有無線信號接收器和防爆遙控器,通過控制箱旋鈕切換控制方式,即可通過遙控器遠(yuǎn)距離控制卸糧平臺。此外為避免工作人員操作失誤發(fā)生危險,翻板平臺升降功能和移動功能不可同時啟用。卸糧平臺控制系統(tǒng)還具有故障自診斷功能,實時檢測卸糧平臺工作狀態(tài),對升降油缸未到位、油溫異常、污染等故障等進(jìn)行報警顯示。
此外,移動式液壓后翻卸糧平臺還配有承糧料斗配合卸糧工作。當(dāng)升降油缸將翻板頂起,集裝箱汽車隨之傾斜,糧食便從車廂內(nèi)散落到承糧料斗中,從承糧料斗下方的開口處流出,落到傳送帶上被輸送到指定位置,進(jìn)一步解放人工,提高散糧卸車速度。
翻板平臺是最主要的執(zhí)行機構(gòu),同時也是受力最大最復(fù)雜的部件,所受載荷主要包括汽車及散糧的重力、升降油缸和固定架的支撐力等。簡化受力模型將設(shè)備自重與載荷受力等效合并,其受力如圖2(c)所示,F(xiàn)1是車輛及散糧重力,F(xiàn)2是液壓油缸支撐力,F(xiàn)3是固定架支撐力。當(dāng)翻板平臺與水平地面成一銳角α,靜止時三力達(dá)到平衡,根據(jù)力矩平衡原理可得:
F1cosα×L1=F2cosθ×L2
其中,L1,L2分別是F1和F2受力點與翻板平臺鉸軸中心的距離。根據(jù)受力平衡原理可得:
F1×cosα=F2×cosθ+F3×cosβ
F3×sinβ=F1×sinα+F2×sinθ
在已知載荷F1的情況下,由此可得:
翻板平臺設(shè)計使用45號鋼,設(shè)計最大負(fù)載100t,最大升角不低于35°。根據(jù)三角函數(shù)變化特性可知,翻板平臺在水平,即α=0°時的法向分力最大,在最高升角,即α=35°時切向分力最大。為進(jìn)一步評估結(jié)構(gòu)受力和形變情況,分別在水平和最高升角處按最大負(fù)載對翻板平臺進(jìn)行有限元分析。
如圖3所示應(yīng)力和形變均在水平(α=0°)時達(dá)到最大,最大應(yīng)力285.96MPa,最大形變26.24mm。最大形變發(fā)生在主板尾部,為進(jìn)一步加強設(shè)備安全和使用壽命,對翻板平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將主板厚度由5mm增加至8mm,加長底部鋼架至與主板尾部平齊,在主板底部加裝橫梁,并在翻板平臺兩側(cè)布置加強筋等多處改進(jìn)。優(yōu)化后結(jié)果如圖4所示,最大應(yīng)力和形變均顯著減小,最大應(yīng)力減小至178.06MPa,最大型變減小至11.11mm,遠(yuǎn)小于45號剛屈服強度(355MPa),滿足使用要求。
(a)α=0°
(a)α=0°
設(shè)計完成后制作了移動式液壓后翻卸糧平臺樣機,并進(jìn)行卸糧實驗,驗證卸糧平臺工作性能和可靠性,樣機主要參數(shù)如表2所示。
表2 樣機主要參數(shù)表
實驗證明外接電源或者啟動柴油機都可以為卸糧平臺提供充足穩(wěn)定的動力,在控制箱或者遙控器的控制下可以平穩(wěn)升起或者降下低架,操控卸糧平臺前進(jìn)、后退,并自由變化移動方向,能夠按照設(shè)計預(yù)期實現(xiàn)自由移動功能。
卸糧實驗時,載滿散糧的汽車向后倒車駛上卸糧平臺,待汽車后輪與擋輪器充分接觸后停車制動,打開車廂門進(jìn)行卸糧,當(dāng)糧食自流結(jié)束后,啟動翻板平臺,將車輛緩緩?fù)衅?,直至糧食完全流出,操控平臺下降,可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)翻板平臺升降角度從而控制散糧流速。實驗證明,在安全負(fù)載范圍內(nèi),翻板平臺可以按照指令進(jìn)行升降動作,最高可升至35°以上,在安全角度范圍內(nèi)任意位置可以保持懸停靜止,主板兩側(cè)始終保持平衡,滿足幾乎所有常見類型散糧集裝箱汽車的卸糧工作,單次卸車時間小于15min。卸糧過程中各零部件工作正常且均無塑性變形,整機運行安全穩(wěn)定,急停等功能安全有效,實驗現(xiàn)場如圖5所示。
圖5 樣機實驗現(xiàn)場圖
移動式液壓后翻卸糧平臺的設(shè)計,提供了一種適用于散糧卸車的自動化方法流程,可以有效解決散糧集裝箱汽車卸糧困難的問題,極大的提高散糧集裝箱汽車卸糧速度,對促進(jìn)我國散糧運輸儲藏、糧庫自動化建設(shè)具有十分重要的積極作用。移動式液壓后翻卸糧平臺具有以下幾點功能和特點:
1)可以實現(xiàn)散糧集裝箱汽車的自動化卸糧,極大提高卸糧速度,減少人工用量,降低卸糧成本。
2)功能強悍,適用于各種類型和大小的集裝箱汽車,最高舉升重量達(dá)到100噸。
3)具有故障自診斷功能,實時檢測設(shè)備工作狀態(tài),對升降油缸未到位、油溫異常、污染等故障進(jìn)行報警顯示。
4)具有很好的通用性,類似谷粒的顆粒物如散裝飼料、建筑石子等,都可以通過這一平臺完成卸車工作。