車載集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)與分析

劉浩然，朱京明

(1.西南大學(xué)含弘學(xué)院，重慶 400715；2. 五邑大學(xué)智能制造學(xué)部, 廣東 江門 529030；3.山東交通學(xué)院工程機(jī)械學(xué)院，山東 濟(jì)南 250023)

0 前言

集裝箱運(yùn)輸于20世紀(jì)中葉出現(xiàn)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、世界各國貿(mào)易量的增加而逐漸發(fā)展，在經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展后，集裝箱運(yùn)輸成為了覆蓋全球最廣且最重要的運(yùn)輸方式之一[1]。 在集裝箱裝載散貨時(shí)，為了提升效率一般要把集裝箱豎直立起，并通過輸送帶將散貨運(yùn)輸?shù)郊b箱中。要實(shí)現(xiàn)集裝箱的翻轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)上，需要先通過起重裝置將集裝箱從運(yùn)輸車輛上卸下并放置在翻轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行固定在進(jìn)行相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)作業(yè)[2]。

美國的Bushman公司是世界上生產(chǎn)種類最豐富的翻轉(zhuǎn)裝置，主要有CL型、L型以及其他可以依據(jù)操作對象定制的翻轉(zhuǎn)裝置[3]。美國Life Product公司研制的L型翻轉(zhuǎn)裝置，主要應(yīng)用于小型設(shè)備的翻轉(zhuǎn)，更在液壓式翻轉(zhuǎn)裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了電力驅(qū)動式、可移動式等多種翻轉(zhuǎn)裝置[4]。國內(nèi)翻轉(zhuǎn)裝置的起步較晚，研發(fā)及其制造方面與國外的先進(jìn)水平存在一定的差異，凱峰集團(tuán)研發(fā)的多種類型集裝箱專用翻轉(zhuǎn)機(jī)在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平[5]。

1 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于可控機(jī)構(gòu)[6-12]相關(guān)原理設(shè)計(jì)的集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置是典型的平面五桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的基本組成包括底座、機(jī)架、主動桿、從動桿1、從動桿2、滑塊等。該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的主要動作分為翻轉(zhuǎn)動作和復(fù)位動作。翻轉(zhuǎn)動作的工作原理：主動桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，滑塊配合主動桿的動作向遠(yuǎn)離主動桿的方向滑動，待到主動桿以及從動桿1皆到達(dá)操作所要求的位置時(shí)所有構(gòu)件停止運(yùn)動，完成翻轉(zhuǎn)動作；復(fù)位動作的工作原理：主動桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，滑塊配合主動桿的動作向靠近主動桿的方向滑動，待到各構(gòu)件回復(fù)到原來位置時(shí)動作停止，完成復(fù)位動作。

圖1 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置機(jī)構(gòu)簡圖

2 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的力學(xué)分析

2.1 機(jī)構(gòu)力學(xué)的簡化

集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置在工作時(shí)各構(gòu)件的運(yùn)動速度較小、速度的變化也較小，因而在進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算時(shí)可以忽略結(jié)構(gòu)本身的慣性力和轉(zhuǎn)動慣量；而此機(jī)構(gòu)主要為鋼結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件自身的重力較大，因此在進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)本身的重力不可忽略。在此機(jī)械結(jié)構(gòu)中，各鉸孔的摩擦力與各構(gòu)件所受的其他力相比遠(yuǎn)小于其他力，因此在受力分析中將忽略各鉸孔的摩擦力。集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的受力情況如圖2所示，并根據(jù)此機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行力學(xué)簡化，各構(gòu)件受力分析如圖3所示。

圖2 機(jī)構(gòu)受力分析

圖3 機(jī)構(gòu)受力分析

2.2 剛體動力學(xué)求解

根據(jù)圖3，利用達(dá)朗貝爾原理建立該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力學(xué)簡化模型用式(1)表示。

(1)

將式(1)整理成矩陣形式，即

[A][B]=[C]

(2)

式中，

[B]=[FAx FAy FBx FBy M FCx FCy FDx FDy F]T

將式(2)兩邊同時(shí)左乘[A]-1，就可以得到[B]，即作用在各鉸點(diǎn)的約束反力、主動桿L1的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩M和滑塊的驅(qū)動力F的解：

[B]=[A]-1[C]

(3)

通過上式即可求得翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的鉸點(diǎn)力及驅(qū)動力，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步功率預(yù)估打下基礎(chǔ)。

3 集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動學(xué)仿真

3.1 位姿仿真

建立該種集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置三維模型，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置的初始位姿如圖4所示，經(jīng)過一系列的運(yùn)動完成翻轉(zhuǎn)動作如圖5所示。

要實(shí)現(xiàn)圖4到圖5的動作可以通過兩種工作方式。第一種工作方式：主動桿L1先進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，同時(shí)滑塊向靠近A點(diǎn)的位置緩慢滑動，此時(shí)，兩主動件所配合完成的動作將使翻轉(zhuǎn)架以及集裝箱做提升運(yùn)動，待到主動桿L1到達(dá)指定位置，主動桿L1鎖閉不動，此時(shí)滑塊再向遠(yuǎn)離A點(diǎn)的位置進(jìn)行滑動，此時(shí)翻轉(zhuǎn)架連同集裝箱進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動作，待到指定位置滑塊停止運(yùn)動并鎖閉,回轉(zhuǎn)過程為該工作過程的逆過程；第二種工作方式：主動桿L1和滑塊同時(shí)動作，主動桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)滑塊向遠(yuǎn)離A點(diǎn)的方向運(yùn)動；回轉(zhuǎn)過程為該過程的逆過程。

圖4 機(jī)構(gòu)初始位姿

圖5 機(jī)構(gòu)工作姿態(tài)

對于第一種工作方式，設(shè)定輸入?yún)?shù)，主動桿繞A點(diǎn)逆時(shí)針作勻速圓周運(yùn)動速度為1.5 Deg/s；滑塊作勻速直線運(yùn)動初速度為10 mm/s，在第40 s時(shí)滑塊速度變?yōu)?25 mm/s一直到運(yùn)動結(jié)束。在第二種工作方式中，設(shè)定輸入?yún)?shù)，主動桿繞A點(diǎn)逆時(shí)針作勻速圓周運(yùn)動速度為1.5 Deg/s；滑塊作勻速直線運(yùn)動速度為-20 mm/s。設(shè)定好輸入?yún)?shù)后，開始進(jìn)行機(jī)構(gòu)位置的仿真分析。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過B、C兩點(diǎn)的位置來確定集裝箱翻轉(zhuǎn)的角度以及位置，因此在仿真中導(dǎo)出了B、C兩點(diǎn)的位置變化曲線，以此來研究集裝箱在翻轉(zhuǎn)過程中動作的特點(diǎn)。

圖6、圖7分別是兩種工作方式中B、C點(diǎn)的位置變化曲線。

圖6 第一種工作方式中B、C點(diǎn)位置曲線

圖7 第二種工作方式中B、C點(diǎn)位置曲線

3.2 兩種工作方式的分析與對比

對于第一種工作方式，滑塊推動桿L3先向A點(diǎn)做直線運(yùn)動，在到達(dá)指定位置后又開始做方向相反的直線運(yùn)動。這種運(yùn)動方式可以改善主動桿L1的受力情況，降低主動桿的負(fù)載，但是當(dāng)滑塊的運(yùn)動方向由指向A點(diǎn)變?yōu)橄喾吹姆较驎r(shí)，在滑塊速度方向變化的一瞬間，滑塊的加速度是一個比較大，此時(shí)根據(jù)牛頓第二定律F=m·a，則滑塊所受力F也比較大，滑塊將受到一定的沖擊會使機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損壞。

對于第二種工作方式，滑塊與主動桿L1同時(shí)運(yùn)動，且滑塊以低速運(yùn)動，可以有效地防止慣性力的沖擊，但在運(yùn)動中會使主動桿的負(fù)載增大，對主動桿的強(qiáng)度有很大要求。

在圖7中，時(shí)刻為40 s時(shí)，C點(diǎn)位置的X分量和Y分量的曲線皆出現(xiàn)“尖頂”，C點(diǎn)位置的X分量曲線的斜率由大于0變?yōu)樾∮?，說明此時(shí)C點(diǎn)速度的X分量由正方向變?yōu)橄喾捶较颍珻點(diǎn)位置的Y分量的斜率突然變大，說明此時(shí)C點(diǎn)速度的Y分量突然變大。由此也可得出上述第一種工作方式的缺點(diǎn)，即滑塊在運(yùn)動中會受到一定的沖擊。

由于本文中所研究的機(jī)構(gòu)是低速度、高負(fù)載，所以當(dāng)采用第二種工作方式時(shí)可以減少機(jī)械結(jié)構(gòu)額外的負(fù)載降低沖擊對機(jī)構(gòu)的損壞，由此建議該機(jī)構(gòu)采用第二種工作方式為宜。

4 結(jié)論

本文對車載集裝箱翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行了剛體動力學(xué)建模和運(yùn)動學(xué)仿真分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了該裝置可以完成集裝箱的翻轉(zhuǎn)以及再回轉(zhuǎn)到原始位置等一系列運(yùn)動。證明了該翻轉(zhuǎn)裝置的可行性，能有效地降低車載集裝箱翻轉(zhuǎn)作業(yè)周期，提高翻轉(zhuǎn)作業(yè)效率，減少人力物力的浪費(fèi)并相應(yīng)地減輕工人的勞動強(qiáng)度。