一種儲能式卸貨系統設計

王元芳， 黃志高

（武漢鐵路職業技術學院，武漢430205）

0 引言

眾所周知，在快遞運輸的多級分揀站中，升降設備、手推小車是大中型貨車卸貨時必不可少的助力設備。而目前助力升降設備多為電動液壓式，其體積龐大、移動困難；手推車多為普通平板手推車，無動力輸出、助力效果不明顯，存在著效率低下、人力物力浪費等問題[1-2,10]。為克服現有助力設備的不足，提高快遞運輸分揀過程的效率，降低從業人員的勞動力度，設計了一種儲能式卸貨系統。該系統利用純機械的結構設計，完成了將貨物重力勢能向輔助推車前進的機械能的轉化。在無需外加動力的情況下，利用系統自身的能量補償達到助力卸貨、助力運貨的目的，從而減輕從業人員的勞動和強度，提升了快遞分揀站的工作效率。

1 系統的基本結構和工作原理

圖1 卸貨架結構圖

該儲能式助力卸貨系統主要由2部分構成，即卸貨部分和助力部分。卸貨部分是由升降架、滑輪組、棘輪機構、轉矩輸出軸和小車的轉矩輸出軸連接成為一個系統[3,8]。可以實現輔助卸車和助力運輸的功能，如圖1、圖2所示。

圖2 小車與卸貨架連接部分

1.1 輔助卸貨

該裝置的卸貨部分能很好地起到輔助卸貨的作用。體現在兩方面：1）由于卸貨臺的存在，可以在卸貨過程中有效地節省人力，降低勞動強度。2）在卸貨過程中，由于整個裝置可以將貨物下降的重力勢能儲存在飛輪中，貨物下降需要克服飛輪的啟動轉矩，飛輪啟動時產生的阻力可以有效地起到緩沖做用，以保證貨物的平穩卸載，區別于傳統的暴力人工卸車。此時重力勢能轉化為飛輪轉動的動能，儲存能量。

1.2 助力運輸

當貨物在平臺上下降時，滑輪組工作使紡車輪收縮，通過聯軸器將動力傳輸到小車上。動力經由鏈條、增速輪系傳遞給飛輪軸，儲能飛輪儲能。貨物下降的同時帶動螺桿轉動轉換成撥叉的直線運動。由于傳動比較適當，當貨物下降到最低端時，撥叉恰巧撥動滑動齒輪與減速輪系的齒輪嚙合，完成飛輪軸向小車后輪的動力傳輸。而飛輪儲能的優勢有兩點：1）飛輪的大小不僅取決于升降臺的紡車輪等組成的卸貨臺；助力部分是由增速輪系、減速輪系、鏈輪、飛輪、撥叉、萬向輪等組成的助力小車。卸貨臺和助力小車通過徑向聯軸器將卸貨臺的高度，也取決于貨物的重量，儲能更多。2）飛輪在釋放能量時更加平穩，適用于低速重載的場合。

圖3 輪系機構圖

2 研究方法和技術路線

1）增速減速輪系。整個系統的最重要環節是實現小車的助力運輸。卸貨架的動力輸出軸即小車的動力輸入軸與增速輪系相連，目的是增加飛輪的轉速，提高其轉動慣量。而減速輪系與輸出軸相連，目的是使小車在行駛過程中保持低速穩定的狀態，如圖3所示[3-5]。

2)鏈傳動。由于助力小車的工作環境是低速重載;在同樣的使用條件下鏈傳動的整體尺寸較小，結構較為緊湊；能保持比較準確的平均傳動比，傳動效率較高；且能適應各種復雜的環境，故在該裝置中使用鏈傳動。

3）螺桿傳動考慮到小車的運輸環節在卸貨環節之后，故小車驅動主軸無法始終與傳動齒相連，擬采用離合的形式用螺桿驅動撥叉實現齒輪的滯后嚙合。具體過程:當貨物下降過程中，紡車輪主軸通過齒輪與螺桿齒輪軸嚙合。

3 飛輪設計

3.1 飛輪儲能系統的工作原理

系統是利用旋轉的飛輪將重力勢能以動能的形式存儲起來的裝置。它有2種工作模式，即卸貨蓄能模式和運輸釋能模式。卸貨蓄能模式即飛輪轉子將貨物從高處下降的重力勢能轉化為動能使飛輪轉速升高，將能量以動能的形式存儲起來；運輸釋能模式即飛輪轉子將動能傳遞通過撥叉帶動助力小車水平方向運動，使飛輪的動能轉化為助力小車水平方向位移，如圖4所示[3-4,11]。

3.2 飛輪材料選擇

圖4 飛輪能量轉換系統工作原理圖

由于該飛輪用于卸貨時對貨物重力勢能的儲存，綜合考慮成本、儲能效果、抗腐蝕性等因素，該飛輪材料宜采用灰鑄鐵（HT250）。

灰鑄鐵的基體組織及石墨形態與其力學性能緊密相關。灰鑄鐵的硬度取決于其基體材料，同時，這種基體材料的結構對其力學性能有一定影響。石墨片基體的灰鑄鐵，其內部石墨片組織粗大，強度和硬度特性較差，較少應用。通過在生產工藝中降低碳和硅元素的含量、引入人工晶核，可大規模細化石墨片及其基體，提高灰鑄鐵的機械強度和硬度。

3.3 飛輪基本參數的確定

飛輪是一個沿著固定軸做徑向運動的圓盤，能量以回轉運動的方式儲存在轉子中[14-15]：

式中：ω為角速度，rad/s；I為質量相對軸心的轉動慣量,kg。

固體圓柱的轉動慣量為其中：m表示質量，kg；r表示半徑,m。所得到的結果會是J。

薄壁空心圓柱轉動慣量為I=mr2，厚壁空心圓柱轉動慣量為

由以上公式可知，飛輪可儲存的能量Ek和轉動慣量I成正比，想要增加存儲的能量，可通過增加飛輪質量和轉動半徑實現。為了保證設備的穩定性，飛輪質量不易改變，因此，在設計飛輪時，盡量在不變動質量的條件下通過改變飛輪盤壁的厚度來增加其轉動慣量[5,11]。為此，將飛輪中間鏤空，將質量集中在飛輪的外圍，我們設計的飛輪質量為22.58 kg，轉動慣量為0.55 kg·m2。

4 系統預期成果

該系統屬于快遞載運助力裝置，可廣泛運用于快遞中轉站和分揀站。與現有技術相比，該系統功能的有益效果是：1）以機械升降取代人工搬運，完成單人卸貨，解放人力；2）儲存卸車過程中的重力勢能，為小推車的前進提供動力輔助推運，利用純機械的結構設計，完成了將貨物重力勢能向輔助推車前進的機械能的轉化；3）在無需外加動力的情況下，利用系統自身的能量補償達到助力卸貨、助力運貨的目的，減輕從業人員的勞動和強度，提升了快遞分揀站的工作效率；4）利用飛輪儲能原理，實現了能量的高效轉化；5）利用機械式的結構設計能夠代替人工，避免出現暴力運輸現象。該裝置經過簡易改裝以及小型化后可廣泛應用于超市、工廠甚至家庭，有比較廣闊的應用前景。

[1]戴興建,于涵,李奕良.飛輪儲能系統充放電效率實驗研究[J].電工技術學報,2009,24(3):20-24.

[2]王健,戴興建,李奕良.飛輪儲能系統軸承技術研究新進展[[J].機械工程師,2008(4):71-73.

[3]GUERRERO M A,ROMERO E,BARRERO F,et al.Overview of medium scale energy storage systems[C]//Compatibility and Power Electronics.IEEE,2009:93-100.

[4]張維煌,朱幌秋.飛輪儲能關鍵技術及其發展現狀[J].電工技術學報,2011,26(7):141-146.

[5]李卓球.理論力學[M].武漢:武漢理工大學出版社,2011.

[6]王學文.基于汽車發動機飛輪的設計與制造[D].武漢:武漢理工大學,2015.

[7]戴興建,衛海崗,沈祖培.儲能飛輪轉子軸承系統動力學設計與試驗研究[J].機械工程學報,2003(4):97-101.

[8]李潤方,王建軍.齒輪系統動力學[M].北京:科學出版社,1997:67-89.

[9]張建成,黃立培,陳志業.飛輪儲能系統及其運行控制技術研究[J].中國電機工程學報,2003(3):108-111.

[10]蔣書運,衛海崗,沈祖培.飛輪儲能技術研究的發展現狀[J].太陽能學報,2000(4):427-433.

[11]DAI X,SHEN Z,WEI H.On the vibration of rotor-bearing system with squeeze film damper in an energy storage flywheel[J].International Journal of Mechanical Sciences,2001,43(11):2525-2540.

[12]陳立群.理論力學[M].北京:清華大學出版社,2006.

[13]杜建根.工程力學[M].北京:高等教育出版社,2003.