一種物流裝卸小車的設(shè)計與開發(fā)

趙娟妮，王青春，梁亞峰

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，成都 610100)

一種物流裝卸小車的設(shè)計與開發(fā)

趙娟妮，王青春，梁亞峰

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，成都 610100)

針對物流行業(yè)中因人工搬運導(dǎo)致投訴率居高不下以及物流從業(yè)人員的勞動強度大等問題，開發(fā)一種適用于短距離運載的實用物流裝卸小車。以Solidworks為設(shè)計平臺，對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強度校核，提高了小車的設(shè)計效率和質(zhì)量。實踐證明：該物流小車運行效果良好。

物流；裝卸；Solidworks；仿真

伴隨電子商務(wù)的飛速發(fā)展，物流行業(yè)也快速發(fā)展。各個物流公司每天要承運成千上萬的貨物。但由于電子商務(wù)的“井噴式”發(fā)展，導(dǎo)致物流運輸?shù)陌l(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電子商務(wù)的發(fā)展，一方面投送不及時、貨物受損、暴力裝卸等問題導(dǎo)致物流的投訴率居高不下；另一方面，物流公司的包裝、搬運、配送等工作的勞動強度很大，工作人員叫苦連天。究其根本原因，主要包括：1)電商發(fā)展太過迅猛，特別是各種“購物節(jié)”及“促銷節(jié)”的存在，使短時間內(nèi)交易量暴增，而物流行業(yè)始料不及，管理技術(shù)及響應(yīng)的措施不力；2)物流設(shè)備和設(shè)施開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于物流業(yè)的發(fā)展，貨物的裝卸、搬運等還以人工為主，裝卸的效率和質(zhì)量難以保證。這些因素將嚴(yán)重制約物流行業(yè)的發(fā)展，同時影響電子商務(wù)。因此，為降低物流人員的勞動強度，提高工作效率，本文根據(jù)機械原理，通過巧妙的機械連接，同時考慮到人機工程，研發(fā)了一種適用短距離運載的新型實用物流裝卸小車，它可以實現(xiàn)自動升降和自動卸貨功能，利用機械機構(gòu)，使裝卸貨物實現(xiàn)省時省力，以適應(yīng)快遞的轉(zhuǎn)運與助力，高效裝卸。

1 方案設(shè)計

設(shè)計之初，為保證物流小車的裝載支撐臺在裝貨和卸貨兩個狀態(tài)進(jìn)行順利轉(zhuǎn)換，擬定了3個方案：

方案1：軌道式裝卸小車。利用火車變軌方式，使不同被檢測貨物由此分道由機械爪將貨物裝到小車不同的層次上，到指定位置時機械爪放開貨物，貨物到卸貨板上，由后推板將貨物平穩(wěn)推入指定位置。但其占地面積較大；機械爪放置貨物的時候力度不好控制，容易將貨物摔壞。

方案2：機械臂裝卸小車。在裝貨機構(gòu)中設(shè)置有兩個機械力臂，將前方檢測到的貨物放入囊中，然后通過皮帶機，將貨物平穩(wěn)有序的傳送到升降裝置中，再由升降裝置將貨物送到指定卸貨板上。卸貨方式利用后推板將貨物推入指定的存放區(qū)域。但因貨物大小不一，在抓取貨物時不易準(zhǔn)確定位；也容易將貨物抓壞，造成貨物破損；在皮帶機傳送的時候，不易將貨物整齊地分批地傳遞下去。

方案3：新型物流裝卸小車。它包括車架以及車架上的裝載支撐臺，裝載支撐臺兩側(cè)對應(yīng)設(shè)置有卸貨機構(gòu)包括卸貨驅(qū)動桿、變向凸輪以及設(shè)置在裝載支撐臺兩側(cè)凸塊，變向凸輪與設(shè)置在車架上的水平滑動機構(gòu)連接，卸貨驅(qū)動桿與變向凸輪連接，通過卸貨驅(qū)動桿帶動變向凸輪作直線運動，使裝載支撐臺兩側(cè)的凸塊沿變向凸輪的支撐斜面產(chǎn)生向?qū)σ苿?，使裝載支撐臺向?qū)τ谒矫嫘纬梢欢▋A斜角度。小車通過裝載支撐臺兩側(cè)設(shè)置的卸貨機構(gòu)，其操作方便快捷，能夠提高裝卸貨物的效率，降低人工勞動強度。

通過綜合對比，選擇了方案3作為最終方案。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

設(shè)計采用SolidWorks三維建模[1]。本物流載運小車裝載支撐臺分為2層，每一層都由20根無動力輥筒構(gòu)成，載重質(zhì)量為200 kg；其主要機械結(jié)構(gòu)包括外框架、升降機機構(gòu)及卸貨機構(gòu)3大部分。其中外框架下面有五根矩形鋼管構(gòu)成一個“日”字型的結(jié)構(gòu)，在“日”字的四個角上面有四根矩形鋼管的立柱，在四根立柱上分別安裝有圓柱型直線滑軌，具體結(jié)構(gòu)詳見圖1。

1―車架；2―裝載支撐臺；3―卸貨機構(gòu)；4―卸貨驅(qū)動桿；5―豎直升降導(dǎo)軌；6―直線升降滑塊；7―外框架；8―阻尼機構(gòu)圖1 物流小車整體結(jié)構(gòu)

升降機構(gòu)四連桿機構(gòu)包括對稱設(shè)置左、右移動連接板以及上、下固定連接板，左、右移動連接板和上、下固定連接板之間分別鉸接有連桿構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，左、右移動連接板與旋轉(zhuǎn)螺桿螺紋連接，左、右移動連接板上的螺紋方向向反，通過轉(zhuǎn)動螺桿，使左、右移動連接板沿旋轉(zhuǎn)螺桿同步向向或異向移動，上固定連接板與車架底部固定連接，下固定連接板與外框架固定連接[2]；電動機通過聯(lián)軸器與螺桿向連實現(xiàn)自動升降的起到省力快速的作用，具體結(jié)構(gòu)詳見圖2。

1―上固定連接板；2―左移動連接板；3―連桿；4―下固定連接板；5―旋轉(zhuǎn)螺桿；6―右移動連接板圖2 物流小車升降機結(jié)構(gòu)

載運小車在裝載支撐臺的兩邊設(shè)有卸貨裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)裝載支撐臺在裝貨和卸貨兩個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。卸貨裝置由變向凸輪結(jié)構(gòu)和阻尼器構(gòu)成；裝載支撐臺兩端裝有矩形直線滑塊滑軌，變向凸輪結(jié)構(gòu)安裝在載貨層兩端的滑塊滑軌上，兩個凸輪機構(gòu)的末端分別裝有兩根推桿起到方便卸貨的作用；阻尼器由兩個直線滑塊滑軌和一根導(dǎo)條組成，將水平方向的力與重力的合力形成一個斜向下的力起到緩沖的作用避免貨物在卸貨的時候迅速滑下。在需要卸貨時，通過推動卸貨機構(gòu)中的卸貨驅(qū)動桿，使裝載支撐臺向外側(cè)傾斜，依靠貨物自身重力平穩(wěn)地卸在相應(yīng)停放區(qū)位置上。具體結(jié)構(gòu)詳見圖3。

圖3 物流小車阻尼結(jié)構(gòu)

1―阻尼塊；2―豎直滑動導(dǎo)軌；3―導(dǎo)條；4―凸起；5―輥筒；6―輥筒托架；7―卸貨驅(qū)動桿；8―變向凸輪；9―水平滑動塊；10―水平滑動導(dǎo)軌

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 舉升機構(gòu)的設(shè)計

3.1.1 舉升高度(四連桿機構(gòu))的設(shè)計

對舉升結(jié)構(gòu)支撐柱尺寸進(jìn)行計算，因剪式千斤頂放于小車下部，在舉升小車的同時，需要保持小車上升的平穩(wěn)性，并能隨時完成自鎖功能。物流小車舉升結(jié)構(gòu)運動軌跡如圖4所示。

圖4 物流小車舉升結(jié)構(gòu)運動軌跡

為保證小車可以正常工作，本設(shè)計采用四連桿水平線距離60 mm≤L1≤380 mm，四連桿單邊長度L2=200 mm，

根據(jù)勾股定理：L12+L22=L32可知：2L3=124 mm。

因此，確定四連桿機構(gòu)的最小舉升高度為124 mm，最大舉升高度為380 mm。

3.1.2 螺桿有效長度的計算

因最大舉升高度為380 mm，設(shè)計出螺紋規(guī)格為M12×1.75，螺桿長度為400 mm。

3.2 卸貨傾斜角度的設(shè)計

為保證卸貨僅克服貨物與輥筒的摩擦力，需對小車的裝載支撐臺設(shè)定一定傾斜角度，實現(xiàn)輕松卸貨。

根據(jù)設(shè)計要求，查《機械設(shè)計手冊》可知[3]，輥筒的摩擦系數(shù)μ=0.4，因此摩擦力f=0.4×gcosθ(g為重力)；為保證順利卸貨，應(yīng)滿足gsinθ≥f，經(jīng)計算θ≥21.8°，因此取θ=22°。

4 關(guān)鍵零部件強度校核

在設(shè)計過程中，對關(guān)鍵零部件用Soildworks軟件高級仿真模塊對產(chǎn)品進(jìn)行了強度校核，以提高產(chǎn)品可靠性、縮短設(shè)計開發(fā)周期、降低材料的消耗或成本。

該物流裝卸小車在載貨的過程中會承受很大的壓力，容易發(fā)生零件變形失效等問題，因此對受力較復(fù)雜的零件，進(jìn)行了有限元分析，以提高產(chǎn)品可靠性，具體校核過程如下：

1)在SolidWorks中打開變向凸輪零件模型，選擇Simulation模塊，創(chuàng)建新算例；

2)選擇合理的網(wǎng)格劃分方案，控制單元規(guī)模和網(wǎng)格質(zhì)量，生成網(wǎng)格，并定義零件的材料屬性，包括彈性模量、泊松比等參數(shù)；

3)施加載荷及邊界條件：固定變向凸輪下端，對變向凸輪上面施加壓力，進(jìn)行有限元計算。

計算完成后，在仿真后處理器可以得到該零件的應(yīng)力及變形分布圖，圖5為對變向凸輪進(jìn)行有限元計算后的應(yīng)力云圖，通過該圖得知最大應(yīng)力為30.46 Mpa，本設(shè)計中變向凸輪的材料為Q235，其屈服強度為235 Mpa，由第三強度理論判定得知[4]，該零件強度合格。

圖5 變向凸輪馮氏力云圖

用同樣的方法對四連桿機構(gòu)進(jìn)行強度校核，圖6是用該軟件對四連桿機構(gòu)進(jìn)行強度校核的應(yīng)力云圖，從圖7中得知，該車架的最大應(yīng)力為185.9 Mpa。本設(shè)計中四連桿機構(gòu)的材料為合金鋼，其屈服力為620.4 MPa，由第三強度理論判定得知，該零件強度合格。

圖6 四連桿機構(gòu)馮氏應(yīng)力云圖

5 生產(chǎn)制造

設(shè)計后在校辦工廠進(jìn)行機械零件加工，經(jīng)過后期的裝配、調(diào)試及改進(jìn)后，最終達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求與目的。本次小車的生產(chǎn)過程，完成了實際制造生產(chǎn)過程的各個組成部分(包括了生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實施、生產(chǎn)管理全部過程)的有機結(jié)合，實現(xiàn)了柔性化、自動化和集成化，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量、低成本、短周期和靈活生產(chǎn)的目的。圖8所示為該物流裝卸小車的實物照片。

圖7 物流裝卸小車的實物

6 結(jié)論

本次設(shè)計的物流裝卸小車結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉，操作簡單，實用高效，通過升降按鈕和推桿就可以實現(xiàn)卸貨，巧妙利用四連桿機構(gòu)，改變傳統(tǒng)舉升方式，結(jié)構(gòu)合理，能量輸出點與受力點連接距離縮短，減少中間能量損耗，四連機構(gòu)對中性好，舉升平穩(wěn)，實現(xiàn)高效率平穩(wěn)升降。同時，設(shè)計左右旋螺紋，實現(xiàn)四連桿動力輸出，速度提升一倍，兩邊速度對等，舉升平穩(wěn)，螺紋還可以實現(xiàn)自鎖功能。

[1] DS Solidworks公司.Solidworks Motion運動與仿真教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]葉玉駒.機械制圖手冊[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊：起重運輸件[M].5版.北京：工業(yè)化學(xué)出版社，2010.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)：下冊[M].3版.北京：高等教育出版社，1992.

DesignandDevelopmentofaLogisticsStevedoringTrolley

ZHAO Juanni，WANG Qingchun，LIANG Yafeng

(Department of Automotive Engineering, Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610100, China)

The manual handling in logistics industry not only leads to high rate of complaints, but also causes the logistics practitioners to bear great labor intensity. In order to solve these problems, a logistics stevedoring trolley using in short distance delivery has been developed. Then, based on the platform of Solidworks, the strength of critical parts were checked and the design efficiency and quality of this trolley was improved. Practice shows that the logistics stevedoring trolley has a good operation effect. (patent number: ZL201220400964.1)

logistics; stevedoring; solidworks; simulation

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.03.005

2017-06-28

趙娟妮(1983—)，女，工程師，碩士，研究方向：汽車制造技術(shù)，電子郵箱：94589249@qq.com 王青春(1977—)，女，副教授，碩士，研究方向：汽車制造技術(shù)。

TH692.3

：B

：2095-5383(2017)03-0018-04