油桶搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析

王華玲 姜海林 蔣志鵬

（1. 淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2. 淮陰工學(xué)院江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

油桶是用于盛放汽油、柴油等油料的圓柱形桶，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，國際通用的油桶一般為200L。將裝滿物料的大油桶，搬運(yùn)到空間狹小、大設(shè)備難以抵達(dá)的工作區(qū)域，特別是短距離，工人常將桶搬斜轉(zhuǎn)動或直接將桶放倒?jié)L動桶體至目的地，勞動強(qiáng)度大，搬運(yùn)效率低，單人作業(yè)困難，在搬運(yùn)過程中易出現(xiàn)滾桶、傾倒現(xiàn)象，易造成物料損失，工人可能出現(xiàn)夾傷、砸傷等不安全事故，因此油桶搬運(yùn)車應(yīng)運(yùn)而生。

目前市場上的油桶搬運(yùn)車種類豐富，例如完全手拉型、液壓型、手動液壓型、全自動型等。完全手拉型：當(dāng)鷹嘴鉗夾住油桶時，腳踩小車底板同時向后拉小車把手使油桶脫離地面，然后運(yùn)輸油桶；液壓型：當(dāng)鷹嘴鉗夾住油桶時，腳踩液壓器材產(chǎn)生液壓動力，夾住油桶的鷹嘴鉗就會上升，同時帶動油桶脫離地面，然后運(yùn)輸；手動液壓型：以液壓產(chǎn)生的動力來進(jìn)行升降，同時翻轉(zhuǎn)是手動控制的；全自動型：主要由電力驅(qū)動升降和移動。這些油桶搬運(yùn)車往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩瑣、價格昂貴，特別是鷹嘴鉗機(jī)構(gòu)，穩(wěn)固性差，不可調(diào)節(jié)，導(dǎo)致油桶難以運(yùn)送，降低了油桶搬運(yùn)的效率。為了使搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉，并且滿足近距離搬運(yùn)的要求，該文取眾家之長，設(shè)計了這款油桶搬運(yùn)小車。

1 油桶搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計

該文設(shè)計的油桶搬運(yùn)小車主要針對搬運(yùn)200L的圓柱油桶，該油桶的直徑一般為580mm左右，高度930mm。在進(jìn)行油桶搬運(yùn)時，油桶的總質(zhì)量包括油桶自重+油的質(zhì)量。查閱資料可知，鐵皮油桶的凈重約22kg。由于油的密度小于水的密度，而水的密度在4℃時為最大值1g/cm3，1L水的質(zhì)量為1kg，因此，200L油的質(zhì)量大約為200kg。根據(jù)油桶的自重和油的質(zhì)量，要搬運(yùn)的油桶總質(zhì)量約為230kg。

1.1 腳輪的選擇與設(shè)計

搬運(yùn)小車主要靠腳輪移動，腳輪選擇和設(shè)計對小車而言至關(guān)重要。腳輪按旋轉(zhuǎn)分為定向輪和萬向輪兩種，定向輪由于沒有鋼珠盤等可以旋轉(zhuǎn)的東西，而且輪子方向是固定的，所以通常只用于直線行走，不方便轉(zhuǎn)彎；而萬向輪可以通過支架上的鋼珠盤或者軸承等來實現(xiàn)360度轉(zhuǎn)動，符合搬運(yùn)小車的腳輪設(shè)計要求，因此該文腳輪選擇萬向輪。

確定了腳輪的類型，還需要考慮腳輪的材質(zhì)、大小等，這些參數(shù)選取遵循以下原則：1）腳輪的尺寸大小。眾所周知，輪子越大推起來越省力，能承受的質(zhì)量也越大，同時對地面造成的破壞也越小。結(jié)合所承載的油桶質(zhì)量和推動搬運(yùn)車的起動推力（在載重情況下）這兩個因素，選擇5寸萬向輪。2）腳輪的材質(zhì)。影響車輪材質(zhì)的因素有很多，如使用環(huán)境溫度的高低，使用場地情況等。不同的使用場所，應(yīng)選擇不同材質(zhì)的工業(yè)腳輪，因為不同材質(zhì)的工業(yè)腳輪，其物理、化學(xué)性能是各不同的，這些都會影響腳輪的使用壽命。該文所設(shè)計的油桶搬運(yùn)小車用于一般工業(yè)場合，因此采用橡膠輪。3）腳輪的數(shù)量。通常來說，三個輪子同時支撐是比較穩(wěn)定的，因為因承重過大時，會縮短使用壽命或者出現(xiàn)其他不必要的事故，并且汽車使用，四個輪子行駛很穩(wěn)定，所以在選擇腳輪的數(shù)量前，應(yīng)先預(yù)估計所要承載的物體質(zhì)量[1-2]。根據(jù)小車的預(yù)估承載最大質(zhì)量230kg，該設(shè)計采用四個相同的腳輪。

剎車制動裝置是保證搬運(yùn)小車安全行駛的重要部件，如果小車在行駛過程中，剎車裝置失靈或者制動效果不明顯，將會造成嚴(yán)重的工業(yè)事故。小車在吊起油桶時，為了保證小車能夠停穩(wěn)，需要設(shè)計剎車制動裝置。同時為確保制動效果萬無一失，剎車裝置采用雙制動（剎車裝置一和剎車裝置二）。將設(shè)計好的支架、輪轂、輪胎、螺栓、螺母、鎖銷、軸承以及剎車裝置組裝在一起，得到完整的萬向輪。安裝剎車制動裝置時，剎車裝置二靠著橡膠輪，剎車裝置一安裝在剎車裝置二上面，緊挨著踩踏板。當(dāng)腳踩剎車踩踏板時，剎車裝置一首先觸碰到輪胎表面進(jìn)行制動，若制動效果不理想，踩踏板將驅(qū)動剎車裝置二接著制動，直到小車完全停穩(wěn)為止。

1.2 搬運(yùn)小車的動力臂設(shè)計

小車在搬運(yùn)油桶的過程中，需要通過動力臂施加壓力來吊起油桶，因此動力臂的長短、粗細(xì)對搬運(yùn)小車的設(shè)計至關(guān)重要。動力臂設(shè)計的太長太細(xì)，雖然省力，但容易折斷；如果設(shè)計的短而粗，不僅浪費(fèi)材料，而且還費(fèi)力。因為該產(chǎn)品的使用場合可能為狹窄空間，所以將小車的動力臂設(shè)定為可伸縮桿。假設(shè)油桶邊緣距離支承處80mm，油桶半徑取300mm，則吊架距離支承處取380mm。根據(jù)杠桿的平衡條件“動力×動力臂=阻力×阻力臂”可得如下公式。

式中：m1為使用者體重；L1為動力臂；m2為油桶總重；L2為阻力臂。

若使用者體重m1=55kg，帶入m2=230kg，L2=380mm可得如下方程式。

解出L1≈1590mm。結(jié)合油桶的直徑大小600mm，小車的動力臂總長理論值約為2190mm，為了保證動力臂足夠長，最終動力臂總長實際值取2200mm。

綜合多種因素考慮，動力臂的材料選用合金鋼，其強(qiáng)度高、塑性韌性好?？紤]到同樣的材料，采用不同的裝配形式，將導(dǎo)致桿件受力和變形皆不同，所以對具有伸縮功能的動力臂，現(xiàn)擬定兩種設(shè)計方案，對其進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度、應(yīng)變等力學(xué)性能分析和比較，最終確定出合理的動力臂。方案一將粗桿設(shè)計成空心桿，細(xì)桿套在空心桿內(nèi)，通過移動粗桿來實現(xiàn)動力臂的伸縮；方案二中有兩根一樣粗的空心桿，兩根桿通過鎖扣連接在一起，扣住實現(xiàn)伸長，從鎖扣處分開實現(xiàn)收縮。鎖扣的設(shè)計類似于古代建筑物上采用的榫卯結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡單、方便、實用，而且鎖扣利用桿本身連接在一起，不需要銷釘?shù)鹊谌齻€構(gòu)件來輔助固定。兩種方案中空心桿的尺寸一樣，內(nèi)徑都為38mm，外徑都為48mm。

2 油桶搬運(yùn)小車有限元性能分析

有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，SolidWorks Simulation是一款基于有限元分析技術(shù)的設(shè)計分析軟件，可分析零件和裝配體在承受靜態(tài)載荷時的應(yīng)力、變形和靜態(tài)載荷，而且還能判斷零件在正常工作載荷下是否會斷裂，能否通過修改設(shè)計來提高安全系數(shù)，該文主要是對帶有載荷和支撐的桿件進(jìn)行靜態(tài)分析[3]。

從材料力學(xué)知識可知，在載荷作用下，構(gòu)件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度，才能安全正常的工作。構(gòu)件的強(qiáng)度是否符合要求與最大應(yīng)力值有關(guān)，剛度是否符合要求與最大應(yīng)變值有關(guān)。由于動力臂是一個比較長的伸縮桿，所以油桶搬運(yùn)過程中，通過按壓動力臂來吊起油桶時，動力臂會發(fā)生彎曲變形，其強(qiáng)度和剛度達(dá)到極限值時，動力臂可能出現(xiàn)變形過大的情況導(dǎo)致?lián)p壞。在整體車架都相同的情況下，對小車的兩種動力臂設(shè)計方案進(jìn)行有限元分析，以便設(shè)計出合理的油桶搬運(yùn)小車。

2.1 應(yīng)力分析

應(yīng)力是物體由于外因（受力、濕度、溫度場變化等）而變形時，物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，應(yīng)力起到抵消外因影響的作用，并試圖使物體從變形后的位置恢復(fù)到變形前的位置。將模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation中，給動力臂的施力端和夾持機(jī)構(gòu)分別施加一定的載荷，兩種方案施加的載荷值都一樣，得到如圖1所示的應(yīng)力分析圖。

在圖1的兩個應(yīng)力分析圖中，右側(cè)均有一個色標(biāo)圖，從下向上應(yīng)力值由小變大，根據(jù)圖1（a）可知，動力臂在靠近油桶夾持機(jī)構(gòu)的地方最危險且最大應(yīng)力為294MPa；在圖1（b）中，動力臂容易斷裂出現(xiàn)的位置基本與方案一相同，最大應(yīng)力值也和方案一很接近，為295MPa。第一節(jié)的動力臂設(shè)計部分提到過，動力臂選用合金鋼材料，其屈服應(yīng)力為620MPa，兩種方案的動力臂最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力，可見它們的應(yīng)力都符合要求。由于兩種方案的應(yīng)力差別很小，而且也都處于安全范圍，所以僅從應(yīng)力分析圖，還不能判斷哪種設(shè)計方案更好一些。

圖1 2種方案應(yīng)力分析圖（單位：MPa）

2.2 設(shè)計洞察圖解分析

設(shè)計的改型，一般建立在工程人員的大量實踐經(jīng)驗和計算前提下，軟件的“設(shè)計洞察圖解”通過控制模型顯示來提示工程人員進(jìn)行設(shè)計變更。設(shè)計洞察將零件承受有效載荷的地方以圖解的方式清楚地顯示出來，設(shè)計者根據(jù)圖解，在承受載荷較小的地方減少用料，既節(jié)約資源，又減輕質(zhì)量。設(shè)計洞察圖解有效降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的安全性，同時便于工程人員設(shè)計機(jī)械[4]。根據(jù)SolidWorks Simulation設(shè)計洞察功能，對動力臂的兩種設(shè)計方案進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在壁厚相同的情況下，方案一承受有效載荷（圖中桿件上的藍(lán)色陰影部分）的面積比較大，而方案二承受有效載荷的面積比較小。這說明在同等條件下，方案一不容易優(yōu)化，方案二比較容易優(yōu)化，換言之，方案二可以減少用料，設(shè)計成空心桿，這樣既滿足安全性能要求，又可以節(jié)省材料。因此該文最終確定以方案二為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 2種方案設(shè)計洞察分析圖

3 油桶搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工作原理

根據(jù)油桶搬運(yùn)小車的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合動力臂和底座的設(shè)計尺寸、性能分析和材料性質(zhì)，對方案二的小車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于小車在使用過程中動力臂是最容易發(fā)生變形和斷裂的構(gòu)件，所以為了保障動力臂的絕對安全性，在動力臂和底座之間再增加一根立桿，如圖3所示，然后對其應(yīng)力、安全系數(shù)等進(jìn)行分析[5-6]。通過分析發(fā)現(xiàn)，增加立桿后的搬運(yùn)小車最大應(yīng)力為292MPa，比圖1中的最大應(yīng)力??；小車的最小安全系數(shù)為2.1，而合金鋼的安全系數(shù)一般為1.3左右，完全符合安全性要求。由此說明，優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)更安全。

圖3 油桶搬運(yùn)小車

該文所設(shè)計的油桶搬運(yùn)小車主要是為了使操作方便，并且滿足狹小空間使用，所以其工作原理也很簡單：在搬運(yùn)油桶時，首先打開夾持機(jī)構(gòu)夾住油桶，然后使用者在動力臂的另一端，用力按壓動力臂吊起油桶，并推動小車至目的地，實現(xiàn)油桶的搬運(yùn)。

4 結(jié)論

該文論述了現(xiàn)有的油桶搬運(yùn)車的結(jié)構(gòu)特點及存在問題，對腳輪進(jìn)行選擇與設(shè)計，計算動力臂的參數(shù)，并利用三維軟件SolidWorks進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析，設(shè)計了一款新的油桶搬運(yùn)小車。與大型油桶搬運(yùn)車相比，該小車結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉、性能穩(wěn)定，能在狹小的空間使用，經(jīng)濟(jì)實用價值高。