鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪正義，劉 飛，趙有國(guó)，馬玉坤

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

目前我國(guó)鐵路運(yùn)輸糧食、化肥等成件包裝貨物仍以鐵路棚車(chē)為主，在運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等物流環(huán)節(jié)中需要對(duì)貨物進(jìn)行多次倒裝作業(yè)。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鐵路成件包裝貨物裝卸機(jī)械有著較大差距，存在設(shè)備適應(yīng)性差、自動(dòng)化及智能化程度低等問(wèn)題，需要配備一定數(shù)量的人工進(jìn)行裝卸。裝卸人員需要克服作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大且高重復(fù)性的作業(yè)條件，導(dǎo)致年輕人員從業(yè)意愿低、招工困難，作業(yè)人員老齡化嚴(yán)重，尤其是鐵路貨運(yùn)人員，平均年齡達(dá)45 歲，每年凈流失4 000 人，人力資源不足。倒裝作業(yè)存在作業(yè)方式落后、作業(yè)效率低下、人工成本高、貨損貨差等問(wèn)題，影響著鐵路運(yùn)力的進(jìn)一步釋放和貨運(yùn)服務(wù)質(zhì)量的提升[1]。集裝箱運(yùn)輸是打通全程運(yùn)輸各環(huán)節(jié)、提高裝運(yùn)效率、解決“最后一公里”問(wèn)題的有效手段。相比采用棚車(chē)裝運(yùn)成件包裝貨物，集裝箱裝運(yùn)成件包裝貨物可以有效避免多次倒裝，減少貨損貨差，更有利于機(jī)械化、智能化裝卸作業(yè)，提升車(chē)輛運(yùn)轉(zhuǎn)效率[2]。因此，研究鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“智能裝卸系統(tǒng)”)，不僅可以提升裝卸作業(yè)效率，還可以擴(kuò)大進(jìn)箱貨物品類(lèi)，對(duì)集裝箱運(yùn)輸發(fā)展具有重要意義。

1 鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

智能裝卸系統(tǒng)適用于裝卸集裝箱內(nèi)成件包裝貨物，用于具有集裝箱作業(yè)的貨運(yùn)站、物流園區(qū)、集裝箱中心站、專(zhuān)用線及企業(yè)作業(yè)場(chǎng)。結(jié)合常用的皮帶傳輸裝置，可以實(shí)現(xiàn)成件包裝貨物由汽車(chē)、堆場(chǎng)和庫(kù)房等裝至集裝箱內(nèi)，也可以由集裝箱內(nèi)卸至汽車(chē)、堆場(chǎng)和庫(kù)房?jī)?nèi)。智能裝卸系統(tǒng)需要達(dá)到以下設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（1）安全。暴露在外的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件需要配以防護(hù)網(wǎng)，容易造成人身傷害的部位需要配備安全聯(lián)鎖裝置或?qū)嵤┻h(yuǎn)距離操縱。電氣元件、導(dǎo)線的規(guī)格和安裝需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)。另外，為了保護(hù)設(shè)備，還應(yīng)設(shè)置保險(xiǎn)銷(xiāo)、安全閥等過(guò)載保護(hù)裝置以及紅燈、警鈴等警示裝置。

（2）可靠。在預(yù)定的使用期限內(nèi)不發(fā)生或極少發(fā)生故障。大修或更換易損件的周期不宜太短，以免經(jīng)常停機(jī)影響生產(chǎn)。

（3）適用范圍廣。智能裝卸系統(tǒng)主要應(yīng)用于集裝箱成件包裝貨物裝卸，需要進(jìn)入集裝箱內(nèi)工作，因而其外形尺寸、作業(yè)環(huán)境溫度、設(shè)備最大允許質(zhì)量及走行輪壓需要滿足集裝箱相關(guān)要求。此外，其工作對(duì)象應(yīng)包括常見(jiàn)的袋裝、箱裝成件包裝貨物[3]。

1.2 設(shè)計(jì)要求

智能裝卸系統(tǒng)需要對(duì)集裝箱內(nèi)的成件包裝貨物進(jìn)行裝卸作業(yè)，根據(jù)其工作場(chǎng)景以及工作對(duì)象，分析設(shè)計(jì)要求。

（1）智能裝卸系統(tǒng)作業(yè)效率。智能裝卸系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)成件包裝貨物在集裝箱與汽車(chē)、堆場(chǎng)、庫(kù)房?jī)?nèi)的裝卸，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，提升作業(yè)效率，因此設(shè)定智能裝卸系統(tǒng)在連續(xù)作業(yè)時(shí)，平均5 s完成1件成件包裝貨物的裝卸。

（2）智能裝卸系統(tǒng)最大外形尺寸。智能裝卸系統(tǒng)與集裝箱規(guī)格和貨物規(guī)格密切相關(guān)，其中鐵路通用集裝箱為ISO 標(biāo)準(zhǔn)20 ft 和40 ft。集裝箱門(mén)開(kāi)口、內(nèi)寬尺寸與智能裝卸系統(tǒng)總體方案密切相關(guān)，根據(jù)集裝箱尺寸[4]，智能裝卸系統(tǒng)最大高度不超過(guò)2 350 mm，最大寬度不超過(guò)2 330 mm。

（3）成件包裝貨物最大允許尺寸及質(zhì)量。鐵路成件包裝貨物品類(lèi)繁多，但包裝形式大致可以分為軟包裝、半硬包裝及硬包裝，主要以袋裝和箱裝為主。根據(jù)《糧食銷(xiāo)售包裝》和《水泥包裝袋》可知[5-6]，袋裝貨物最大質(zhì)量不超過(guò)50 kg，長(zhǎng)度一般不大于800 mm。箱裝貨物尺寸種類(lèi)繁多，分郵政標(biāo)準(zhǔn)紙箱和企業(yè)自備紙箱，企業(yè)自備紙箱一般由生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)貨物形狀自行設(shè)計(jì)。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第42 篇“造型設(shè)計(jì)”和人機(jī)工程中人的肌體用力限度可知，手的拉力不超過(guò)567 N、提力不超過(guò)400 N(從地面算起高度0.8 m)，考慮到單人連續(xù)裝卸，預(yù)計(jì)箱裝貨物質(zhì)量不超過(guò)50 kg，長(zhǎng)度不超過(guò)800 mm。由此可知，智能裝卸系統(tǒng)應(yīng)滿足質(zhì)量不超過(guò)50 kg、最大長(zhǎng)度不超過(guò)800 mm的成件包裝貨物裝卸。

（4）智能裝卸系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境溫度。按照《鐵道貨車(chē)通用技術(shù)條件》3.1 條款可知，貨車(chē)應(yīng)能適應(yīng)-40 ℃～+40 ℃運(yùn)用環(huán)境溫度。集裝箱裝卸作業(yè)環(huán)境與貨車(chē)運(yùn)用環(huán)境條件一致，裝卸作業(yè)環(huán)境不應(yīng)小于該范圍，考慮到更大范圍的適用性，智能裝卸系統(tǒng)設(shè)定允許作業(yè)環(huán)境溫度為-40 ℃～+80 ℃。

（5）設(shè)備最大允許質(zhì)量及走行輪壓限制。智能裝卸系統(tǒng)需要在集裝箱內(nèi)部行駛，集裝箱箱底需要承受設(shè)備產(chǎn)生的集中載荷，為保證裝卸作業(yè)后集裝箱底部的完整性，需要對(duì)設(shè)備自重或者載重進(jìn)行限定。按照《系列1集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法第一部分：通用集裝箱》中對(duì)集裝箱底部強(qiáng)度試驗(yàn)要求可知[7]，使用1輛輪胎式試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)，后軸負(fù)荷為5 460 kg，每個(gè)車(chē)輪與箱底面的接觸點(diǎn)應(yīng)在185 mm×100 mm所形成的矩形范圍內(nèi)，每個(gè)車(chē)輛與底板的接觸面積不得超過(guò)142 cm2，輪胎寬度為180 mm，輪距為760 mm。因此可知，智能裝卸系統(tǒng)走行機(jī)構(gòu)為兩軸設(shè)計(jì)時(shí)，單軸質(zhì)量不得超過(guò)5 460 kg，輪距不小于760 mm，輪胎寬度不小于180 mm，輪胎與底板接觸面積不得小于142 cm2。

綜上所述，智能裝卸系統(tǒng)具體技術(shù)目標(biāo)設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 智能裝卸系統(tǒng)具體技術(shù)目標(biāo)設(shè)計(jì)要求Tab.1 Design requirements for specific technical objectives of intelligent handling system

2 鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統(tǒng)總體方案及組成部分

2.1 總體方案

智能裝卸系統(tǒng)由人工輔助操控，通過(guò)機(jī)械臂及夾持裝置，配合皮帶機(jī)完成成件包裝貨物的堆碼、卸貨工作[8]。總體方案系統(tǒng)主要由機(jī)械主體結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)(夾持裝置)、傳輸裝置、人工輔助操作臺(tái)和控制系統(tǒng)組成，可以按不同的物料包裝、質(zhì)量、工序、裝卸要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)成件包裝貨物的碼垛、拆垛裝卸作業(yè)。智能裝卸系統(tǒng)總體方案示意圖如圖1所示。

圖1 智能裝卸系統(tǒng)總體方案示意圖Fig.1 General scheme of intelligent handling system

2.2 組成部分

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)主體。機(jī)械結(jié)構(gòu)主體為傳輸裝置的支撐件，同時(shí)也為機(jī)械臂及夾持裝置的基座。通過(guò)對(duì)機(jī)械主體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以將傳輸裝置、氣動(dòng)源元件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)計(jì)為機(jī)械臂基座的一部分。利用主體結(jié)構(gòu)上部框架結(jié)構(gòu)的移動(dòng)，可以有效縮短機(jī)械臂長(zhǎng)度、降低機(jī)械臂自重、提高機(jī)械臂承載，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的高負(fù)載/自重比。

（2）機(jī)械臂。碼、拆垛機(jī)械臂以人的手臂為原型進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)[9]，主要包括機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)和控制柜，通過(guò)預(yù)設(shè)好的路徑對(duì)箱裝貨物進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、裝配等操作，通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)，由工作人員實(shí)時(shí)操控對(duì)袋裝貨物進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、裝配等操作。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)則采用CAD 和FEM 有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，使其具有比較強(qiáng)的抗震能力和機(jī)械性能。采用基于PC 的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，更有利于機(jī)械臂運(yùn)行平穩(wěn)、快速和準(zhǔn)確。

（3）夾持裝置。集裝箱裝卸環(huán)境下，夾持裝置以側(cè)面或頂面抓取的方式進(jìn)行成件包裝貨物裝卸[10]。大部分鐵路運(yùn)輸成件包裝貨物為袋裝或箱裝，在實(shí)際裝卸過(guò)程中，無(wú)法依靠一種夾持裝置完成所有工作，因而，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的夾持裝置，最大化滿足裝卸需求。相比機(jī)械式夾持裝置，吸附式夾持裝置除了能實(shí)現(xiàn)機(jī)械式夾持裝置的碼垛功能外，還具有拆垛功能，而且更能適應(yīng)多形狀包裝[11]。為最大化滿足裝卸需求，夾持裝置采用吸附式[12]?？紤]到成件包裝貨物中袋裝貨物具有變形量大、規(guī)格不一的特點(diǎn)，將夾持裝置設(shè)計(jì)為多吸盤(pán)分散式結(jié)構(gòu)，以增加成件包裝貨物規(guī)格的適應(yīng)性。

（4）傳輸裝置與人工輔助操作臺(tái)。傳輸裝置采用傳統(tǒng)的皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)裝卸工況，可以與其他傳輸機(jī)構(gòu)配合使用。人工輔助操作臺(tái)主要用于袋裝貨物的裝卸，通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)，采用人工輔助方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的自動(dòng)吸附、起升、搬運(yùn)和釋放，完成貨物的碼垛及卸垛作業(yè)。

（5）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由主控制器、從控制器和用戶終端等組成，主控制器與從控制器之間采用實(shí)時(shí)通信，主要控制智能裝卸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及夾持裝置的動(dòng)作[13]。

3 夾持裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

夾持裝置作為智能裝卸系統(tǒng)最重要的執(zhí)行“元件”，無(wú)論是裝箱還是卸箱作業(yè)，夾持裝置所需要的動(dòng)作是一樣的，通過(guò)對(duì)貨物吸附—起升—搬運(yùn)—釋放動(dòng)作的不斷循環(huán)，完成裝、卸箱作業(yè)。

3.1 功能原理

根據(jù)夾持裝置的動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，氣動(dòng)系統(tǒng)元器件明細(xì)如表2所示。在真空回路中，真空減壓閥用于將起源的壓力降到較低的穩(wěn)定值向系統(tǒng)供氣(由于減壓閥處于真空管路中，因而使用真空減壓閥)。真空泵處于工作狀態(tài)時(shí)，利用機(jī)械臂將真空吸盤(pán)移至貨物上方，通過(guò)電磁閥將真空吸盤(pán)與真空泵回路聯(lián)通，當(dāng)真空壓力達(dá)到真空開(kāi)關(guān)設(shè)定壓力時(shí)，開(kāi)關(guān)處于接通狀態(tài)，發(fā)出電信號(hào)指揮真空吸附夾持結(jié)構(gòu)及機(jī)械臂執(zhí)行下一步動(dòng)作。1 個(gè)真空吸盤(pán)配置1 個(gè)止回閥，止回閥可以防止未接觸貨物的吸盤(pán)或者突然脫離貨物的吸盤(pán)對(duì)其他真空吸盤(pán)造成影響，能有效降低真空管路泄漏量，確保吸盤(pán)正常工作，并且內(nèi)置濾網(wǎng)，能夠有效保持真空回路的空氣清潔度。將貨物移動(dòng)至相應(yīng)位置后，通過(guò)操作電磁閥，將真空泵與吸盤(pán)回路斷開(kāi)，吸盤(pán)內(nèi)的真空狀態(tài)失效，使貨物脫離吸盤(pán)。

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of pneumatic system

表2 氣動(dòng)系統(tǒng)元器件明細(xì)Tab.2 Details of components of pneumatic system

3.2 真空吸盤(pán)及吸附所需真空度

真空吸盤(pán)是真空系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，考慮到貨物表面不平整、彎曲和傾斜，同時(shí)在吸附貨物的過(guò)程中有較好的緩沖性能，宜選用波紋型(風(fēng)琴型)吸盤(pán)。吸盤(pán)的理論吸吊力是吸盤(pán)內(nèi)的真空度p與吸盤(pán)的有效吸著面積A的乘積，吸盤(pán)的實(shí)際吸吊力除了應(yīng)考慮被吸吊工件的質(zhì)量及搬運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)加速度外，還應(yīng)給予足夠的余量(安全系數(shù))，以保證吸吊的安全。裝卸、搬運(yùn)過(guò)程中的加速度應(yīng)考慮啟動(dòng)加速度、停止加速度、平移加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度(包括搖晃)。

針對(duì)面積大的吸吊物、重的吸吊物、有振動(dòng)的吸吊物或要求快速搬動(dòng)的吸吊物，為防止吸吊物脫落，通常使用多個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行吸吊，這些吸盤(pán)應(yīng)合理配置，以使吸吊合力作用點(diǎn)與被吸吊物的中心盡量靠近。

由上述氣動(dòng)系統(tǒng)描述可知，采用n個(gè)同一直徑D的吸盤(pán)吸附物體，則吸附所需真空度可以按下式選定。

式中：p為吸盤(pán)真空度，MPa；W為吸吊物的重力，N；ns為安全系數(shù)；D為吸盤(pán)直徑，mm；n為吸盤(pán)數(shù)量，個(gè)。

當(dāng)安全系數(shù)取為4，吸盤(pán)數(shù)量為6 個(gè)，吸吊物重為500 N，預(yù)選吸盤(pán)直徑為80 mm，則吸吊所需真空度計(jì)算結(jié)果為0.066 MPa。選用真空度為92%的真空泵可以滿足使用要求。夾持裝置示意圖如圖3所示。

圖3 夾持裝置示意圖Fig.3 Clamping device

3.3 氣動(dòng)元件計(jì)算和選型

（1）真空泵。真空泵除了真空度需要滿足要求外，還需要考慮抽氣速率和真空度響應(yīng)時(shí)間，可以根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：S為真空泵抽氣速率，L/s；V為真空室容積，L；t為達(dá)到真空度所需時(shí)間，s；p1為初始?jí)簭?qiáng)，Pa；p2為要求壓強(qiáng)，Pa。

考慮成件包裝貨物裝卸效率，將響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為1 s，真空室容積主要影響因素為真空吸盤(pán)體積，另外考慮管路體積，粗略估計(jì)為0.02 L，初始?jí)簭?qiáng)為101 kPa，要求壓強(qiáng)為66 kPa，則真空泵抽氣速率計(jì)算結(jié)果為0.008 5 L/s。在不考慮空氣泄露的情況下，抽吸速率大于31 m3/h 的真空泵即可滿足要求?？紤]到可能的空氣泄露和更高的作業(yè)效率，選取抽吸速率為67 m3/h的真空泵。

（2）真空電磁換向閥。真空電磁換向閥聯(lián)通管路中的壓力低于大氣壓，最基本的要求是保證連接的高度密封性，按照空氣壓力可以分為低、中、高、超高真空換向閥。真空電磁閥通過(guò)交流或者直流電源來(lái)啟閉，利用電磁原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路的真空處理，可以用于真空管路聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)中。在夾持裝置真空回路中，通過(guò)對(duì)電磁鐵進(jìn)行操作，可以控制閥門(mén)啟閉實(shí)現(xiàn)接通或者斷開(kāi)真空壓力源，選擇使用二位三通閥。同時(shí)換向閥的流速和壓力范圍也不得低于真空回路所設(shè)指標(biāo)，流速需要大于67 m3/h，工作壓強(qiáng)需要不小于101 kPa。

（3）真空減壓閥。真空減壓閥通過(guò)控制閥體內(nèi)的啟閉件的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)空氣的流量，將真空度降低，同時(shí)借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開(kāi)度，使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi)，從而使得在進(jìn)口壓力不斷變化的情況下，保持出口壓力在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。就夾持裝置回路來(lái)看，通過(guò)減壓閥的設(shè)定，可以將減壓閥至吸盤(pán)回路中的壓強(qiáng)值控制在一定范圍內(nèi)，增加回路穩(wěn)定性，降低高真空度對(duì)吸附貨物的破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路成件包裝貨物集裝箱智能裝卸系統(tǒng)集機(jī)械、電子、控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，以自動(dòng)化、智能化設(shè)備作業(yè)來(lái)替代裝卸作業(yè)中的人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)鐵路成件包裝貨物智能化裝卸，有效減少勞動(dòng)力數(shù)量，降低人力成本，提高裝卸效率，同時(shí)能夠有效解決鐵路貨運(yùn)人員老齡化加劇、裝卸勞力不足且不斷流失等問(wèn)題。配以科學(xué)合理的成件包裝貨物集裝箱裝卸工藝，在進(jìn)一步提升裝卸作業(yè)效率的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)大進(jìn)箱貨物品類(lèi)，為集裝箱運(yùn)輸發(fā)展提供技術(shù)支持，提高成件包裝貨物的運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量，有利于進(jìn)一步釋放鐵路多式聯(lián)運(yùn)紅利，推動(dòng)鐵路運(yùn)輸供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鐵路貨運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展。