一種智能化便捷式起重裝置的設(shè)計(jì)與研究

單永瑞，魏立展，李 彬，陳書(shū)超，張光飛，王鳳娟，魏富港

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006）

基于當(dāng)前我國(guó)工業(yè)發(fā)展形勢(shì)而言，發(fā)展形勢(shì)整體呈上升狀態(tài)，與工業(yè)發(fā)展相關(guān)的工業(yè)設(shè)施也隨之得到發(fā)展[1]。截至目前而言我國(guó)工業(yè)當(dāng)中所用的起重設(shè)備按型號(hào)大體可分為電動(dòng)單、雙梁，單主梁、雙主梁龍門(mén)，懸臂，電動(dòng)單梁懸掛等等[2]。以上起重設(shè)備多用于大型工廠，操作空間較大的場(chǎng)地，而針對(duì)小型生產(chǎn)制造行、糧油超市等可操作空間較小的場(chǎng)所，現(xiàn)有的起重裝置則沒(méi)有辦法正常使用[3]。

該裝置則是將傳統(tǒng)的起重設(shè)備與現(xiàn)有的運(yùn)輸裝置進(jìn)行結(jié)合，并與現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與現(xiàn)代控制技術(shù)的結(jié)合。該裝置以氣壓為起重動(dòng)力，通過(guò)控制中心對(duì)起重裝置數(shù)據(jù)的處理反饋調(diào)節(jié)設(shè)備工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的效率最大化。

1 裝置數(shù)據(jù)概述

一種智能化適于小空間作業(yè)的便捷式起重裝置整體寬度為1500mm；長(zhǎng)度為2000mm；機(jī)體整體高度為1250mm；材料Q345彈性模量E=260GPa；材料屈服強(qiáng)度σ為172.5MPa，依據(jù)設(shè)計(jì)理念將設(shè)備的最大載重量設(shè)定為500Kg；所以由F=P*A計(jì)算承重達(dá)到1000kg時(shí)所需要的氣壓為P=F÷A=（4×5000÷為200mm；氣壓頂桿為圓筒結(jié)構(gòu)所以由應(yīng)力狀態(tài)分析σx=（P×D4）÷（4×δ）；σy=（P×D4）÷（2×δ）。所以根據(jù)σx、σy計(jì)算得δ4=（（σx、σy）max）=0.189mm；為保證設(shè)備的最大安全性，認(rèn)為的將壁厚增大到2mm；此時(shí)d4的直徑為196mm；因?yàn)闅鈮喉敆U連接桿件之間存在突出的邊緣，邊緣寬度為3mm。所以d3=203mm、D3=207mm再由應(yīng)力狀態(tài)公式校正此時(shí)壁厚理論值為0.1914mm可見(jiàn)2mm壁厚符合頂桿3的強(qiáng)度要求；同理d2=210mm，D2=214mm，壁厚理論值為0.198mm；d1=217mm，D1=221mm其壁厚理論值為0.2mm。所以δ=2mm滿足氣壓頂桿各節(jié)桿的要求。

設(shè)計(jì)其各節(jié)桿的長(zhǎng)度：設(shè)定安選系數(shù)N為2，F(xiàn)cr=F/N=10000/2=5000N；由壓桿穩(wěn)定公式計(jì)算氣壓頂桿單桿長(zhǎng)度，氣壓頂桿的約束形式為單側(cè)約束[4]，所以μ=2；由公式FCR=（π2×E×I）÷(μ×L)2；以L4為例計(jì)算，L4的理論值為27.97m，所以當(dāng)L小于27.97m時(shí)氣壓頂桿保持其穩(wěn)定性，故另L4=500mm、L3=504mm、L2=508mm，L1=512mm。

表1 氣壓頂桿的設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)（單位：mm）

2 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

本裝置由車(chē)體，履帶，設(shè)備箱，儲(chǔ)氣室，取景攝像頭以及氣壓頂桿組成。車(chē)體采用輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，保證強(qiáng)度的前提下減輕裝置整體的質(zhì)量提高設(shè)備的靈活性。車(chē)體內(nèi)部裝有輸氣管以及信號(hào)傳輸線[5]。設(shè)備箱內(nèi)設(shè)有動(dòng)力裝置、空氣壓縮機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)。

本裝置分為兩個(gè)部分，一部分為自動(dòng)化的控制部分另一部分為機(jī)械部分。其中自動(dòng)化部分由編譯系統(tǒng)控制安放于圖1中的（3）控制箱中，主要包括三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)處理模塊、圖像處理模塊、控制模塊。其中數(shù)據(jù)處理模塊連接于圖1中的（4）儲(chǔ)氣室上的壓力傳感器和（5）氣壓頂桿上的重力傳感器，數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)對(duì)傳感器上數(shù)值的處理轉(zhuǎn)化將其傳遞至控制模塊，再由控制模塊對(duì)圖1中（3）設(shè)備箱中的空氣壓縮機(jī)和圖1中（5）氣壓頂桿進(jìn)行工作運(yùn)轉(zhuǎn)。而圖像處理模塊負(fù)責(zé)與圖1中（7）取景攝像頭相連接，其作用是將取景攝像頭中的場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)系并電信號(hào)的形式傳至控制模塊當(dāng)中，再由控制模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換將圖像信息呈現(xiàn)于圖1中（2）設(shè)備顯示屏上，由操作人員通過(guò)對(duì)圖1中的（1）設(shè)備操控板的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)起重裝置的起始點(diǎn)的設(shè)定。

將設(shè)備至于相對(duì)工作空間較小的環(huán)境中如超市等地啟動(dòng)設(shè)備，操作人員通過(guò)圖1中（1）設(shè)備操控板打開(kāi)（7）取景攝像頭和（6）履帶的運(yùn)轉(zhuǎn)裝置，由操縱人員以工作環(huán)境內(nèi)任意一點(diǎn)為基準(zhǔn)啟動(dòng)設(shè)備，開(kāi)啟設(shè)備取景攝像頭的旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作場(chǎng)景的掃描識(shí)取，當(dāng)遇到阻隔時(shí)需操作人員將其推至與其他地帶，繼續(xù)進(jìn)行空間掃描直至將環(huán)境掃描完畢。當(dāng)環(huán)境讀取完畢后操作人員可將設(shè)備移至貨物裝運(yùn)點(diǎn)并通過(guò)圖1中的（1）設(shè)備控制板來(lái)設(shè)置貨物的起始點(diǎn)，圖像處理模塊和控制模塊共同運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)設(shè)計(jì)一條最優(yōu)的行進(jìn)路線。此時(shí)操作人員只需將貨物放置起重裝置上由數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊共同調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)備氣壓頂桿應(yīng)力應(yīng)變分析

圖2 氣壓桿應(yīng)變分析圖像

圖3 氣壓桿應(yīng)力分析圖像

采用ANSYSWorkbench軟件，對(duì)設(shè)備的氣壓頂桿部分利用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

（1）等效應(yīng)變分析：圖2是起重裝置氣壓頂桿的應(yīng)變分析的分布云圖的結(jié)果，應(yīng)變值范圍處于0-0.12739mm，起重最大變形量集中在氣壓頂桿頂部，其穩(wěn)定強(qiáng)度符合設(shè)備的使用要求。

（2）等效應(yīng)力分析：圖3是起重裝置氣壓頂桿的應(yīng)力分析的分布云圖的結(jié)果，經(jīng)分析應(yīng)力值最大為216.55MPa，小于選用材料的最大屈服極限應(yīng)力值320MPa，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種智能化適于小空間作業(yè)的便捷式起重裝置解決現(xiàn)有的起重機(jī)缺陷，創(chuàng)新點(diǎn)在于將傳統(tǒng)的機(jī)械裝置于控制系統(tǒng)結(jié)合，在保證設(shè)備的靈活性的前提使其能夠在小空間的環(huán)境中進(jìn)行操作下進(jìn)一步創(chuàng)新，增加其工作效率，有效的解決當(dāng)前起重設(shè)備的笨拙體積大等缺點(diǎn)，并引入信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合，為人們開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)新型的智能起重機(jī)提供了一個(gè)好的設(shè)計(jì)思路和方向。隨著科技技術(shù)的革新，在未來(lái)起重裝置的自動(dòng)控制部分模塊將隨之進(jìn)行革新，使其具備更多的功能和更高的效率。