高效噸包物料裝車(chē)裝置設計

王明旭 ，何穎臻 ，張洪源 ，宋 澤

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

隨著(zhù)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(lái)在國內發(fā)展很快［2］。發(fā)達國家普遍使用噸包作為運輸、倉儲的包裝產(chǎn)品［3-4］。目前，國內對于噸包物料的裝卸主要依靠叉車(chē)。傳統叉車(chē)由于車(chē)輛裝載量的限制，當貨物數量較大時(shí)，叉車(chē)需要分批進(jìn)行取料和運輸，導致工作連續性不高，造成裝卸堆垛作業(yè)效率低，不宜進(jìn)行貨物的長(cháng)距離搬運。同時(shí)還需要人工進(jìn)行輔助作業(yè)，無(wú)法實(shí)現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，以適應現代物流技術(shù)發(fā)展的需求，本文設計一種新型的噸包物料運送裝卸裝置。

目前，針對噸包物料運輸的裝置較少，秦皇島港丙、丁碼頭使用技術(shù)含量較高的移動(dòng)式裝車(chē)機［5］，實(shí)現噸包貨物直接裝載至火車(chē)車(chē)廂；
安徽海螺集團使用的新型貨臺裝車(chē)機［6］，使得貨臺裝車(chē)過(guò)程更加高效［7］；
橋式自動(dòng)碼垛機實(shí)現對噸包物料的一機卸車(chē)、入庫和碼垛［8］；
楊賢貴［9］引入光電計數器記錄已經(jīng)堆垛或裝車(chē)的貨物袋數；
化肥行業(yè)使用的LS200型裝卸機采用了“無(wú)液壓傳送”設計［10］，有良好的傳動(dòng)性能并便于維護更換。但現在還未有針對噸包運輸的整體解決設備。

在充分調研國內外裝車(chē)機發(fā)展情況的基礎上，提出噸包物料裝車(chē)裝置整體設計方案。噸包物料裝車(chē)裝置提供一種新型的、全自動(dòng)化的物料裝卸設備，實(shí)現噸包物料的連續裝卸，提高裝卸效率；
其運行平穩、操作簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益［11］。

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

圖1 噸包物料裝車(chē)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 The schematic diagram of ton-bag material loading device

為保證連續高效地運送噸包物料，噸包物料裝車(chē)裝置改變了傳統叉車(chē)的單一操作模式，將噸包物料的整個(gè)運輸和裝卸過(guò)程一體化、流水化，實(shí)現與立體倉庫的無(wú)縫對接，整體效果如圖2。當噸包物料輸送到流水線(xiàn)運行時(shí)，噸包運送裝置啟動(dòng)并接收物料，移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構和絲杠傳動(dòng)結構移動(dòng)，調節相鄰兩托盤(pán)間的距離，以改變物料與噸包運送裝置的接觸寬度。啟動(dòng)行走結構，將物料運送至叉車(chē)堆放裝置的裝載位置。升降驅動(dòng)結構驅動(dòng)貨叉結構下降，貨叉結構被推至噸包運送裝置上物料的下方。升降驅動(dòng)結構驅動(dòng)貨叉結構上升一定高度后停止，裝卸結構調整貨叉結構的傾斜角度，以保證物料在貨叉結構上的穩定存放。升降驅動(dòng)結構驅動(dòng)貨叉結構繼續上升到堆放高度后停止。叉車(chē)堆放裝置利用位置傳感器定位，運動(dòng)至車(chē)輛指定堆放位置。推貨結構推動(dòng)貨叉結構后退，將物料與貨叉結構分離，完成1次噸包物料裝車(chē)過(guò)程。各驅動(dòng)電機和液壓缸均可由控制系統進(jìn)行控制。因此，不需要人工干預，實(shí)現噸包物料卸載自動(dòng)化，大大提高裝卸調度能力和效率，以及自動(dòng)化程度。

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

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

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

2.1 噸包運送裝置的設計

噸包運送裝置是運輸噸包物料的一種小車(chē)設備，將物料運送至叉車(chē)堆放裝置的裝載位置，包含3組傳動(dòng)結構，如圖3所示，即絲杠傳動(dòng)結構、移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構和行走結構，完成包裝物料從入口端向出口端的運送、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送裝置和叉車(chē)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(wèn)題，裝置采用絲杠調節方式。絲杠傳動(dòng)結構安裝在噸包運送裝置的基座上，在保證噸包運送裝置行走結構不移動(dòng)的情況下，其中1個(gè)擁有移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構的托盤(pán)能通過(guò)絲杠傳動(dòng)結構實(shí)現整體移動(dòng)。當噸包物料轉移到運送裝置上之后，其在運送裝置上的存放位置可能不居中或不穩定，此時(shí)通過(guò)利用絲杠調節裝置調節2個(gè)移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構的間距，從而完成噸包物料的穩定堆疊。2套移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構包括6個(gè)鏈傳動(dòng)機構，每個(gè)鏈傳動(dòng)機構在物料傳送方向上平行排列。行走結構依靠V形帶，將電機的動(dòng)力傳送到輪上，使噸包運送裝置移動(dòng)至叉車(chē)堆放裝置的物料裝載處。

圖3 噸包運送裝置Fig.3 Ton-bag delivery device

2.1.1 計算絲杠傳動(dòng)結構所需功率

如表2所列設計參數，導軌對傳動(dòng)結構的支撐力：

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

表2 噸包運送裝置初始設計參數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)結構所需功率：

2.1.2 計算移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構所需功率

傳動(dòng)結構對單個(gè)托盤(pán)與噸包物料的支撐力：

鏈條與鏈輪之間的摩擦力：

傳動(dòng)結構所需功率：

2.1.3 計算行走結構所需功率

導軌對噸包運送裝置的支撐力：

行走結構所需功率：

2.2 叉車(chē)堆放裝置的設計

叉車(chē)堆放裝置的作用是將成件托盤(pán)貨物進(jìn)行裝卸、堆垛、拆垛和短距離運輸。裝置如圖4所示，包括：貨叉結構、升降驅動(dòng)結構、裝卸結構和推貨結構。叉車(chē)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(mén)架來(lái)完成貨物的叉取、升降和堆垛等工序。升降驅動(dòng)結構用于驅動(dòng)貨叉結構上升或下降；
裝卸結構用于調整貨叉結構的傾斜狀態(tài)；
推貨結構用于推動(dòng)貨叉上的噸包移動(dòng)。

圖4 叉車(chē)堆放裝置Fig.4 Forklift stacking device

傳統叉車(chē)利用支撐噸包物料框架的框腳先于貨叉接觸地面或者利用噸包物料的自重實(shí)現卸料［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構來(lái)實(shí)現噸包物料的卸料，如圖5所示。將叉車(chē)堆放裝置的推貨結構設計成左右對稱(chēng)，液壓缸通過(guò)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(chē)堆放裝置推貨結構的強度和穩定性，同時(shí)增強其裝卸的可靠性，使其具備更強的裝卸能力。通過(guò)控制液壓缸的伸縮，推桿之間發(fā)生相對轉動(dòng)，同時(shí)撐桿輪在導軌的導向作用下移動(dòng)，繼而帶動(dòng)推貨架實(shí)現前后移動(dòng)，實(shí)現推貨結構的伸縮，完成噸包物料的裝卸，使卸料動(dòng)作變得簡(jiǎn)潔高效。

圖5 推貨結構Fig.5 Cargo pushing structure

雖然貨叉結構能將物料轉移，但是噸包物料在貨叉結構上的位置往往不理想，在運送中出現不穩定現象，由此設計裝卸結構。如圖6所示，新型伸縮搖臂機構是叉車(chē)堆放裝置裝卸結構的主要部分，通過(guò)控制系統調節液壓缸的伸縮，使后輪相對于底盤(pán)架有向上或向下的轉動(dòng)，從而使貨叉結構前傾或后傾，通過(guò)前傾或后傾改變噸包物料在貨叉結構上的位置，便于裝卸，使貨叉叉貨、卸貨和傳輸過(guò)程中貨物穩定。由于叉車(chē)堆放裝置本身要求特殊，其正常工作必須滿(mǎn)足相應的條件。必須正確地選擇結構類(lèi)型，通過(guò)實(shí)際工作的需求來(lái)設計合理的門(mén)架傾斜角度。我國叉車(chē)標準規定，門(mén)架前傾角一般為3～6 °，后傾角為6～10 °，由于新型叉車(chē)堆放裝置采用新型的推貨結構進(jìn)行卸貨，所以后傾角可適當減小，故取前傾角為4 °，后傾角為4 °。較傳統叉車(chē)的伸縮結構，新型的伸縮搖臂結構在液壓缸受拉力時(shí)，可以利用叉車(chē)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(chē)堆放裝置底盤(pán)架上部，液壓轉塊與底盤(pán)架鉸接，同時(shí)液壓轉塊固定在后輪軸上，液壓缸分別與液壓撐座、液壓轉塊相連。

圖6 伸縮搖臂機構Fig.6 Telescopic rocker mechanism

通過(guò)CAD作圖，畫(huà)出伸縮搖臂結構分別位于傾角為 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 伸縮搖臂機構的工作位置Fig.7 Working position of the telescopic rocker mechanism

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

2.3 叉車(chē)導軌裝置的設計

叉車(chē)導軌裝置是用來(lái)支撐叉車(chē)堆放裝置同時(shí)對其起導向作用的導軌設備，如圖8所示。利用三角形機構具有穩定性這一特性，將該機構用于叉車(chē)導軌裝置的下部支撐。這樣可以使叉車(chē)導軌裝置在工作時(shí)保持高強度、穩定支撐的狀態(tài)。貨車(chē)的寬度一般在2～2.5 m，所以?xún)蓪к夐g距設計為3.3 m。每2個(gè)連接裝置之間采用5 m間距。叉車(chē)導軌裝置的首尾焊接止動(dòng)塊起安全保護作用。

圖8 叉車(chē)導軌裝置Fig.8 Forklift rail unit

通過(guò)SolidWorks對噸包物料裝車(chē)裝置進(jìn)行三維設計，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，完成對設計裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行驗證與校核。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。分析結果如圖9所示。

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

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

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

基于現在噸包物料運輸中所存在的裝卸問(wèn)題，本文設計一種高效噸包物料裝車(chē)設備。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(chē)環(huán)節的自動(dòng)化程度。噸包運送裝置通過(guò)調整絲杠傳動(dòng)結構和移動(dòng)鏈條傳動(dòng)結構，調節托盤(pán)之間的距離，改變噸包物料在托盤(pán)上的接觸寬度，以提高穩定性。叉車(chē)堆放裝置的裝卸結構和推貨結構，使其具備更穩定和便捷的裝卸能力，實(shí)現對噸包物料的平穩堆放。通過(guò)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，其強度皆符合設計要求。本文所設計的裝置理論裝車(chē)速度可達216 t/h，相較于傳統人工和叉車(chē)配合裝卸100 t的噸包貨物需要連續工作2 h，將大幅提高噸包物料的裝卸效率，并為噸包物料裝車(chē)提供新的解決方案和理論依據，為國家糧食物流裝備的開(kāi)發(fā)應用提供理論和技術(shù)支撐。