升降式多功能搬運(yùn)裝卸車設(shè)計

毛晨陽， 宗榮珍， 宗劭軒

（1.南陽理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 南陽 473004；2.中國計量大學(xué)，杭州 310018）

0 引言

近年來，搬運(yùn)小車在商業(yè)與人類日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，搬運(yùn)小車的主要作用為人力推拉小車實(shí)現(xiàn)物品的短距離運(yùn)輸，減少人力資源的浪費(fèi)，適用于快遞物流、超市、倉庫和商品貨物的運(yùn)輸?shù)萚1]。當(dāng)今中國社會已經(jīng)進(jìn)入人口老齡化時代，勞動力成本逐年上升，為節(jié)省人力資源，順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，本文設(shè)計了升降式多功能搬運(yùn)裝卸車。升降式多功能搬運(yùn)裝卸車不僅經(jīng)濟(jì)適用,而且還可以實(shí)現(xiàn)升降平臺的自動升降, 一人操作即可裝卸貨物，因此可以節(jié)省人力,降低工作人員的勞動強(qiáng)度,提高整體工作效率，可廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸或生產(chǎn)車間的貨物搬運(yùn)及裝卸。

1 升降式多功能搬運(yùn)裝卸車結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實(shí)現(xiàn)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計主要包括主體結(jié)構(gòu)、行進(jìn)裝置、動力裝置、連接裝置等結(jié)構(gòu)。考慮到實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，小車結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量簡單可靠、易于操作且選材適宜。主體結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、梁、貨叉、支撐架；行進(jìn)裝置主要包括萬向輪和尼龍鼓輪兩部分；動力裝置為電動一體式液壓缸結(jié)構(gòu)，主要包括直流電動機(jī)、液壓泵、雙作用單桿活塞式液壓缸；連接裝置主要位于機(jī)架與梁的連接處、機(jī)架與液壓缸的連接處、機(jī)架與支撐架的連接處、支撐架與貨叉的連接處、貨叉與梁的連接處，以及尼龍鼓輪與機(jī)架的連接處。連接裝置主要包括導(dǎo)向軸支座、銷軸、銷軸墊片、開口銷，其中導(dǎo)向軸支座要與螺栓與軸A、軸B相互配合，銷軸、銷軸、銷軸墊片則主要安裝在兩零件的鉸接處，構(gòu)成鉸接連接，既可靜態(tài)固定連接，亦可與被連接件做相對運(yùn)動。

1.2 功能實(shí)現(xiàn)說明

小車最大承重為300 kg，最大舉升高度為1.4 m。小車在折疊時的狀態(tài)如圖1所示，當(dāng)小車工作時，將貨物放置于貨叉12前端，液壓泵推動液壓缸活塞向上運(yùn)動，機(jī)架2、梁5、支撐架14與貨叉12構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，保證貨物向上的穩(wěn)定性，手動推動小車調(diào)整位置，從而實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)與堆垛，如圖2所示為小車工作狀態(tài)。

圖1 升降式多功能搬運(yùn)裝卸車折疊狀態(tài)

圖2 升降式多功能搬運(yùn)裝卸車工作狀態(tài)

2 電動一體式液壓缸

2.1 電動一體式液壓缸的特點(diǎn)

電動一體式液壓缸主要由液壓缸、電動機(jī)及液壓泵組成，與普通液壓系統(tǒng)相比穩(wěn)定性更好，自身質(zhì)量小、抗撞擊、承重性好、搬運(yùn)貨物輕松省力，同時采用一體式密封鑄造油泵，內(nèi)置密封圈，使用起來更加安全。

2.2 液壓缸的選型

根據(jù)升降多功能搬運(yùn)裝卸車的工作原理，選用的液壓缸類型為雙作用單桿活塞式液壓缸。小車在舉升貨物時，將液壓缸與小車豎直方向的夾角α變化忽略不計，當(dāng)梁與地面水平時，梁與液壓缸活塞連接處b受力最大，受力分析如圖3所示。

圖3 梁受力分析

設(shè)此時各銷軸和支座潤滑充分，摩擦力忽略，液壓缸與小車豎直方向的夾角為α，a點(diǎn)為貨叉與梁的連接點(diǎn)，b點(diǎn)為液壓缸活塞與梁的連接點(diǎn)，c點(diǎn)梁與機(jī)架的連接點(diǎn)，a點(diǎn)所受貨叉方向的力為F1，小車最大承重為300 kg，考慮到安全系數(shù)為2，將a點(diǎn)所受貨叉方向的力F1設(shè)為6000 N,b點(diǎn)所受液壓缸舉升力為F2，a、c兩點(diǎn)間的距離為1.22 m，b、c兩點(diǎn)間的距離為0.47 m。

根據(jù)小車工作原理，得出方程式：F1×Lac=F1cos α×Lbc。

液壓缸與小車豎直方向的夾角α為30°，F(xiàn)1=6000 N,Lac=1.22 m，Lbc=0.47 m。得出F2=17 894 N.故小車油缸舉升力要大于F2。設(shè)額定油壓為16 MPa，根據(jù)液壓系統(tǒng)回路中的額定油壓、油缸在小車工作過程中的最大載荷，計算出液壓缸的活塞桿直徑，然后根據(jù)活塞桿直徑選擇液壓油缸的型號，最后根據(jù)小車結(jié)構(gòu)尺寸所設(shè)計的升降裝置而定液壓油缸的長度尺寸。舉升液壓缸選用的型號為HSGL01-40／22E-1701-480，缸徑為40 mm，活塞桿直徑為22 mm，往返比φ=1.7，推力為20 100 N,最大行程為480 mm[2]。

2.3 電動機(jī)和液壓泵的選型

根據(jù)液壓缸的選型及參數(shù)，電動機(jī)選用500 W/48 V的直流電動機(jī)，型號為BM1418ZXF（BLDC）。額定輸出功率為500 W，額定電壓為48 V，額定轉(zhuǎn)速為2800 r/min，空載轉(zhuǎn)速為3100 r/min，額定電流為13.4 A/10.8 A,空載電流為4.0 A/3.3 A，額定轉(zhuǎn)矩為1.19 N·m，效率≤75%。

液壓泵選取為齒輪泵，型號為CBN-F316，采用右旋，花鍵軸，壓力為20 MPa，排量為25 mL/r。

3 主要零部件（梁）的有限元仿真分析

3.1 梁功能

梁在小車中屬于主要動力傳遞零部件，中間連接液壓缸活塞，前端連接貨叉，后端連接機(jī)架，同時配合貨叉、機(jī)架、梁構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，能夠讓貨叉能穩(wěn)步上升，保證小車工作時的穩(wěn)定性與安全性，是小車的主要承重部分之一。

3.2 梁的有限元仿真分析

1）梁材料主要參數(shù)如表1所示。×108

表1 45鋼材質(zhì)參數(shù)

2）梁夾具和載荷。根據(jù)梁在小車中裝配固定方式，在運(yùn)用有限元軟件分析時，對梁與貨叉連接處、梁與機(jī)架連接處使用固定幾何體命令，固定方式在圖4中如淺色箭頭所示。

梁在小車中主要受到液壓缸的推力，根據(jù)圖3 受力分析，得出梁最大受力為17 894 N,受力在圖4中用深色箭頭所示。

圖4 梁夾具和載荷分布情況

梁表格參數(shù)如表2所示。

表2 梁網(wǎng)格主要參數(shù)

3）梁施加載荷算例分析結(jié)果。

a.梁靜力學(xué)分析。對梁與液壓缸活塞連接部分施加載荷后，通過有限元分析得到其VON:von Mises 應(yīng)力，最小應(yīng)力值為1.324×105N/m2，共有4456個節(jié)點(diǎn)；最大應(yīng)力值為1.104×108N/m2，共有281個節(jié)點(diǎn)，梁靜應(yīng)力具體分布如圖5所示。

圖5 梁施加載荷后VON:von Mises應(yīng)力分布圖

b.梁靜態(tài)位移分析。對梁與液壓缸活塞連接部分施加載荷后，通過有限元軟件分析得到其URES:合位移，合位移最小值為0，共有281個節(jié)點(diǎn)；合位移最大值為0.3145 mm，共有1657個節(jié)點(diǎn)，梁網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)靜位移具體分布情況如圖6所示。

圖6 梁施加載荷后URES:合位移分布圖

3.3 對仿真分析結(jié)果的總結(jié)

通過SolidWorks軟件中有限元分析模塊Simulation對梁的受力情況進(jìn)行仿真分析，可以看出，梁滿足小車的工作要求，其他零件的分析均用同樣的方法，從結(jié)果來看，升降式多功能搬運(yùn)小車的剛度和強(qiáng)度均滿足要求[3]。

4 結(jié)語

因網(wǎng)絡(luò)購物的興起，快遞物流行業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛速增長的環(huán)境下，升降式多功能搬運(yùn)裝卸車有著巨大的發(fā)展空間和發(fā)展環(huán)境。升降式多功能搬運(yùn)裝卸車可以節(jié)省人力、降低工作人員的勞動強(qiáng)度、提高整體工作效率，同時適用于狹小空間的搬運(yùn)裝卸，具有靈活、便捷等特點(diǎn)，將工作人員從簡單重復(fù)的勞動中解放出來，去處理更高級別的工作，最終起到節(jié)省人力的作用。設(shè)備使用電能作為唯一能源，相對來說比較環(huán)保，轉(zhuǎn)換效率較高，因此，本方案所述的產(chǎn)品對環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展有著積極的影響。