木片集裝箱翻轉機設計與試驗

關鍵詞：木片； 集裝箱翻轉機； 有限元模型； 動力學仿真； 試驗研究

中圖分類號：S776. 34 文獻標識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2024. 06. 012

0引言

林用木質剩余物是林業生產加工中產生的剩余物，是制作生物質燃料、纖維素和木質板材等的原料［1-2］。近年來我國對林用木質剩余物的需求與年俱增，由于林用木質剩余物收集運輸主要采用人工或小型機械設備，缺乏專業化體系，造成運輸效率低、成本高等問題［3-5］。本研究提出一款木片專用集裝箱翻轉機，將木質剩余物加工成木片，由集裝箱轉載與物料裝卸相結合，簡化木質剩余物裝卸工藝流程、縮短裝卸時間和降低運輸成本［6-7］。

在木質剩余物處理機械方面，國外學者進行了大量研究和探索。Zamora-Cristales等［8］對木質剩余物粉碎與運輸一體設備進行研究，分析機器整機結構、木質剩余物粉碎系統原理，對木質剩余物粉碎與運輸一體設備的運輸成本、木質剩余物堆存位置、集裝箱體積和整機平衡進行分析，提出最優成本效益的木質剩余物粉碎機和集裝箱配置，實現木質剩余物的高效運輸。Karttunen等［9］基于多式聯運集裝箱供應鏈對木質剩余物運輸成本進行研究，提出木質剩余物的多式聯運輕型結構集裝箱物流，降低木質剩余物的運輸成本。Spinelli等［10］針對木質剩余物具有形狀復雜、蓬松不規則和不易壓實等特點提出了一種機載削片設備，通過機載削片機將楊樹枝丫、倒木等直接進行削片，并將加工好的木片通過集裝箱進行運輸，實現貨車裝載量5～6倍的提升。Krajnc等［11］對移動式滾筒削片機展開研究，通過傳送帶將木質剩余物運送至機器的削片裝置，采用旋轉滾筒對木質剩余物進行削片處理，木片通過風壓鼓吹進集裝箱內，實現了削片作業和裝箱作業的自動化。

近年來，國內一些學者也對木質剩余物處理機械和裝箱方法展開相關研究。楊春梅等［12］提出了將林間剩余物原地進行收集、削片和儲存等一體化回收方式，并設計了自走式林業剩余物削片機，通過機器削片試驗得到，自走式林業剩余物削片機不僅保證了削片合格率，同時提高了木片生產率，降低林業剩余物回收成本。馬樹峰［13］設計了一種棚車散裝木片的方法，利用漏斗型容器將木片裝填至輸入軟管，結合風壓鼓將木片裝填至集裝箱內，提高了木片的裝箱效率。任長清等［14］設計新型盤式削片機刀盤結構，通過Adams仿真軟件對設計的新型刀盤進行了動力學分析，驗證刀盤結構在額定轉速下的穩定性。陳英［15］設計了一種用于自動卸料的木片自卸車，通過平皮帶和刮板鏈條進行組合將木片從集裝箱內扒出，降低人工作業成本、提高生產效率。

以上學者多數對木質剩余物削片作業自動化、智能化展開相關研究，鮮見對木片裝卸機械進行研究［16-18］。為有效簡化木片裝卸工藝流程、縮短裝卸時間，本研究研究一種專用木片集裝箱翻轉機，能夠對載有木片的集裝箱進行翻轉、裝卸操作，具有操作簡單、節約制造成本、維護費用低和結構簡單等優點，適于在林區推廣使用，簡化木片裝卸流程，為集裝箱運輸木片的推廣與應用奠定基礎。此外在更換鎖緊元件后，本研究研制的機器還可對其他中小型林業機械進行舉升、翻轉作業，以此實現林區機械設備的維護、檢修工作，拓展機器的使用范圍和應用潛力。

1機器設計要求與工作原理

1. 1設計要求

在集裝箱轉載環節，需要集裝箱翻轉機從卡車上轉載至地面，以便貨物裝卸載操作。在集裝箱轉載環節，需要設置位姿微調裝置調節主移動架的位置和姿態，使主移動架上液壓旋鎖精確地對準集裝箱頂面四角的連接槽，而后需要設置機器的舉升裝置，以便上下移動主移動架，使機器的插入集裝箱頂面連接槽鎖緊集裝箱使之與主移動架連為一體，同時帶動主移動架上升與卡車分離。同時，需要設置主移動架橫移裝置，帶動與卡車分離的主移動架和集裝箱橫移操作，實現集裝箱的轉載作業。

在集裝箱裝載作業環節，需要將機器主移動架和集裝箱翻轉90°至集裝箱艙門向上，以便將木片通過輸送帶輸送實現集裝箱加載作業，如圖1所示。在集裝箱卸載環節，同樣需要將集裝箱翻轉30°～90°，使集裝箱艙門向下打開傾斜木片，由此得到機器需要翻轉作業實現集裝箱裝卸載。

此外，因集裝箱翻轉由卡車運輸在集裝箱翻轉機下方進行轉載作業，集裝箱尺寸和卡車高度均已標準化，由此遞推得到集裝箱翻轉機主移動架的設計要求和整機設計要求，具體如下。

1）主移動架長×寬=6. 2 m×2. 5m。

2）集裝箱翻轉機應具有位姿微調功能，位置微調距離范圍：0～0. 4 m、姿態微調角度范圍：±10°，以實現主移動架液壓旋鎖的位姿微調作業。

3）集裝箱翻轉機應具有舉升功能，舉升高度應大于3. 5 m，通過主移動架帶動集裝箱舉升，實現集裝箱與卡車分離。

4）集裝箱翻轉機應具有橫移功能，橫移距離應大于2. 5 m，以實現主移動架帶動集裝箱橫移，完成集裝箱轉載作業。

5）集裝箱翻轉機應具有翻轉功能，翻轉角度±90°，以實現主移動架帶動集裝箱翻轉，完成集裝箱裝卸載作業。

1. 2工作原理和作業流程

圖2為木片集裝箱翻轉機整機結構圖，機器主要由斜支撐架1、主移動架2、主梁3、三角架4、馬鞍支架5、橫移液壓缸6、縱向微調液壓缸7、翻轉液壓缸8、支撐軸9、翻轉液壓缸缸筒連接軸10、固定架11、舉升液壓缸12、翻轉液壓缸缸桿連接軸13、集裝箱14、地梁15、液壓旋鎖16、橫向微調液壓缸19組成。地梁15與兩側斜支撐架1組成機架，通過地腳螺栓連接固定在地基上。機器各組成零部件與機架連接實現集裝箱的位姿調節、縱向移動、橫向移動、翻轉運動和舉升運動，以滿足集裝箱的升降、橫移、翻轉、加載作業要求，如圖3所示。

圖2中集裝箱14頂面四角對應鎖孔，通過液壓旋鎖16鎖緊，與主移動架2連接相對固定。在位姿橫向微調液壓缸17的帶動下隨主移動架2一起運動，實現集裝箱的姿態調節；縱向液壓缸7的作用是帶動集裝箱14和主移動架2運動調節集裝箱的前后縱向位置，以滿足相關作業要求；橫移液壓缸6安裝在馬鞍支架5上，馬鞍支架5與主梁3連接固定，在橫移液壓缸6的驅動下，帶動主移動架2、集裝箱14等相關組件一起沿主梁3橫向運動，滿足橫移作業要求；三角架4承載主移動架2、集裝箱14、馬鞍支架5、主梁3，在翻轉液壓缸8的驅動下實現集裝箱的翻轉運動；機器兩側的固定架11與三角架4連接，承載三角架4、主移動架2、集裝箱14、馬鞍支架5、主梁3，在舉升液壓缸12的帶動下實現集裝箱的舉升運動。

分析集裝箱工作原理得到，機器的翻轉作業和動態載荷裝載作業是集裝箱裝卸、轉載的關鍵作業，下面對以上作業環節進行研究分析。

2翻轉機不同作業力學分析與關鍵零件設計

2. 1動態加載作業力學分析

對圖2中的整機結構圖簡化分析，以機器兩側支撐軸9中點為坐標原點O、以支撐軸連接軸線為x軸、以地基垂線為z 軸，建立機器坐標系，由于集裝箱14在翻轉作業和動態載荷裝載作業中與三角架4、主移動架2、集裝箱14、馬鞍支架5、主梁3相對固定，設定上述部件為集裝箱定載荷m1，質心為點C，得到圖4的木片集裝箱翻轉機受力分析圖。

3翻轉機不同作業力學建模與仿真分析

3. 1翻轉機不同作業下仿真模型建立

圖6為翻轉機不同作業條件下建模仿真分析流程圖。首先將翻轉機三維模型分別導到Hypermesh和Adams中，對翻轉作業分析得到翻轉角度γ 參控制腳本*. cmd文件、對加載作業分析得到時變載荷m （t） 控制腳本*. cmd文件，將以上腳本控制文件導入到Adams軟件中，在Adams軟件環境下設置翻轉機各組成零部件的材料為Steel，得到相關力學參數，根據仿真需要設置集裝箱翻轉角、兩側支撐軸為檢測變量，設定相關部件的連接關系，見表1，在Adams軟件中建立集裝箱翻轉機動力學仿真控制模型，如圖6右側部分所示。

對導入到Hypermesh中的翻轉機模型，根據各組成零部件形狀選擇相應網格類型（板材類零件選擇Shell Mesh 網格、軸類零件選擇Hexahedral mesh網格），設置網格尺寸大小，在Hypermesh 中建立翻轉機網格模型，將翻轉機網格模型導入到ANSYS中設置集裝箱翻轉機各組成零部件的材料為鋼材，根據構件受力情況設置邊界條件，依據Adams模型的輸出力F （t），在ANSYS軟件中設定翻轉機作用力，得到翻轉機的有限元模型，如圖6中左側部分所示。

3. 2翻轉機不同作業仿真分析

3. 2. 1加載作業仿真分析

圖7為集裝箱加載作業中，兩側支撐軸應力變化仿真曲線。由圖7可知，隨著集裝箱動載荷m （t）質量的不斷增大，兩側支撐軸應力σ_AR、σ_AL 不斷增加；對比兩側支撐軸同向應力分析得到，兩側支撐軸應力變化趨勢相同、應力數值相近。由此得到，可以選用相同設計尺寸、相同材料40Cr加工機器兩側支撐軸。

分析含水率為20%木片密度［19-21］，考慮各種不利因素和機器設計最大載荷條件，設定集裝箱動載荷m（t）的載荷密度ρ 范圍為：0. 4～4. 7×10³ kg/m³，得到集裝箱加載作業中支撐軸作用力變化曲面圖如圖8所示。由圖8可知，隨著加載時間t 的延續、載荷密度ρ 增加，集裝箱動載荷m （t）質量不斷增大，兩側支撐軸作用力也隨之增大；兩側支撐軸最大彎曲應力為240 MPa，本研究采用40Cr加工支撐軸，40Cr的[ σ ]=1 480 MPa，故兩側支撐軸滿足強度設計要求；兩側支撐軸最大作用力為4 331 kN，依據式（9）得到兩側支撐軸的最小直徑為d_min=65 mm，本研究支撐軸直徑d = 75 mm，滿足設計要求。

3. 2. 2翻轉作業仿真分析

圖9為翻轉作業集裝箱翻轉角γ 變化曲面，由圖9可知，隨著翻轉作業時間的延續，集裝箱翻轉角度不斷增大，集裝箱翻轉角變化范圍為γ ∈ [0°，85°]（因γ = 90°時液壓缸負載力劇增，故機器最大翻轉角γmax = 85°）；隨著翻轉液壓缸運動速度x?_BD （t）的不斷增大，集裝箱翻轉速度γ?也增加。

圖10為機器翻轉作業時，兩側翻轉液壓缸負載力F_BDR （t）、F_BDL （t）變化曲線，由圖10可知，兩側翻轉液壓缸負載力變化趨勢相同，呈拋物線變化，源于集裝箱翻轉機機械結構所致，在集裝箱翻轉起止段，液壓缸與三角架夾角α 小，翻轉液壓缸受力狀態差，得到集裝箱翻轉角γ = 85°時翻轉液壓缸負載力最大；在集裝箱翻轉中間段，液壓缸與三角架夾角α大，翻轉液壓缸受力狀態佳，得到集裝箱翻轉角γ =45°時翻轉液壓缸負載力最小。由此得到兩側翻轉液壓缸負載力變化范圍為FBD∈ [55. 5 kN，59. 4 kN]，由于翻轉機液壓系統壓力為P=16MPa，翻轉液壓缸杠桿直徑d=150mm，得到翻轉液壓缸的輸出力為F_BDout=282kN，滿足設計要求，能夠實現集裝箱滿載翻轉作業。

圖11為機器翻轉作業時，兩側支撐軸受力分析圖，由圖11可知，測量支撐軸對應分力變化趨勢相同；兩側支撐軸合力均呈拋物線趨勢變化，但變化趨勢不如圖10顯著，支撐軸合力呈拋物線變化的原因與圖10相同，在此不再贅述；圖11中，兩側支撐軸最大剪切應力為101 MPa，由于本研究采用40Cr加工支撐軸，40Cr的[τ ]=800 MPa，故兩側支撐軸滿足剪切強度；分析圖11得到兩側支撐軸最大作用力為1 899 kN，依據式（11）得到兩側支撐軸的最小直徑dmin=15 mm，本研究支撐軸直徑d=75 mm，滿足設計剪切要求。

4翻轉機試驗研究

4. 1試驗概述

為分析機器不同作業條件下的工作性能，以自行研制的木片翻轉機進行集裝箱加載作業試驗和翻轉作業試驗研究，如圖12所示，試驗時間2023年6 月，試驗地點遼寧省開原市凱峰機械有限公司。試驗過程中機器運行平穩無故障，兩側支撐軸能夠承受機器啟動過程中的沖擊載荷和運行過程中的工作載荷，滿足設計要求。

圖13為試驗原理圖，在機器兩側支撐軸上安裝電阻應變片，當翻轉機載荷m （t） 變化或翻轉角度γ （t）改變時，支撐軸應力變化，電阻應變片隨之發生形變導致阻值變化，使惠斯通電橋輸出電壓，輸出電壓ΔU 與變化載荷m （t） 和翻轉角γ （t） 相關，與支撐軸作用力F （t）和彎曲應力σ （t）成正比，表達式為

由此得到，在集裝箱加載作業和翻轉作業中，可以通過惠斯電橋輸出電壓ΔU 測量支撐軸作用力、集裝箱載荷質量m （t）和集裝箱翻轉角γ （t）。

4. 2加載作業試驗

在集裝箱翻轉機加載試驗中，以應變片電路輸出電壓為試驗原始數據，依據式（12）計算得到集裝箱動載荷m （t）和支撐軸彎曲應力，得到圖14的集裝箱加載試驗數據曲線。對比分析圖7的σ_A-m （t）仿真曲線與圖14試驗數據σ_A-m （t）映射關系，計算得到仿真曲線與試驗數據高度擬合，說明2. 1節機器加載作業分析和3. 2. 1節加載作業仿真模型是正確的。

4. 3翻轉作業試驗

在集裝箱翻轉試驗中，以應變片輸出電壓為試驗原始數據，依據式（12）計算得到集裝箱翻轉角γ和支撐軸作用力，得到圖15的集裝箱翻轉試驗數據曲線。對比分析圖11的γ - F_A （t）仿真曲線與圖15試驗數據γ - F_A （t）映射關系，計算得到圖11仿真曲線與圖15試驗數據高度擬合，得到2. 2節翻轉作業分析和3. 2. 2節翻轉作業仿真模型是正確的，兩側支撐軸能夠承受機器翻轉作業中的沖擊載荷和運行過程中的工作載荷。

由此得到可應用本研究理論計算分析機器關鍵零件、軟件仿真研究機器相關部件，以此避免機器研制完成后因關鍵因素考慮不周而進行反復修改、二次加工、重復安裝和多次調試，縮短機器研制周期，節約機器研發資金，減輕人力損耗。

5結論

1）研制了一款木片集裝箱翻轉機，主要由機架、位姿微調裝置、縱向調節裝置、橫移裝置、翻轉裝置和舉升裝置組成，能夠對集裝箱進行木片加載作業、舉升作業、翻轉作業和橫移作業，以滿足不同工況需求。

2）研究機器結構和工作原理，力學分析集裝箱裝載作業和翻轉作業，探索機器不同作業條件下的支撐軸應力，綜合Hypermesh、ANSYS 和Adams 等軟件建立翻轉機動力學模型和有限元模型，對集裝箱加載作業仿真得到，支撐軸最大作用力FA_max=4331 kN、最小直徑d_min=65mm，小于支撐軸設計直徑d=75mm，滿足設計要求；對集裝箱翻轉作業仿真得到：集裝箱翻轉角γ∈ [0°，85°]，翻轉液壓缸最大負載力F_BDmax=59. 4 kN，小于液壓缸輸出作用力F_BDout=282 kN，滿足機器設計要求。

3）以自行研制的木片集裝箱翻轉機進行集裝箱加載試驗和集裝箱翻轉試驗。通過電阻應變片測量支撐軸應力，獲取得到集裝箱加載作業的動態載荷質量m （t） 和集裝箱翻轉作業的翻轉角度γ，計算仿真曲線和試驗數據得到二者高度擬合，說明本研究內容與試驗結果相一致，所研制的木片集裝箱翻轉機滿足設計要求。經過試驗驗證后的仿真結果具有較高的可信度，可避免因關鍵因素考慮不周，造成在機器試驗過程中出現整機結構調整、二次加工和反復調試等問題，延長機器開發周期，節約機器研發費用，為后續機器結構優化研究奠定基礎。