一种储能式卸货系统设计

王元芳， 黄志高

（武汉铁路职业技术学院，武汉430205）

0 引言

众所周知，在快递运输的多级分拣站中，升降设备、手推小车是大中型货车卸货时必不可少的助力设备。而目前助力升降设备多为电动液压式，其体积庞大、移动困难；手推车多为普通平板手推车，无动力输出、助力效果不明显，存在着效率低下、人力物力浪费等问题[1-2,10]。为克服现有助力设备的不足，提高快递运输分拣过程的效率，降低从业人员的劳动力度，设计了一种储能式卸货系统。该系统利用纯机械的结构设计，完成了将货物重力势能向辅助推车前进的机械能的转化。在无需外加动力的情况下，利用系统自身的能量补偿达到助力卸货、助力运货的目的，从而减轻从业人员的劳动和强度，提升了快递分拣站的工作效率。

1 系统的基本结构和工作原理

图1 卸货架结构图

该储能式助力卸货系统主要由2部分构成，即卸货部分和助力部分。卸货部分是由升降架、滑轮组、棘轮机构、转矩输出轴和小车的转矩输出轴连接成为一个系统[3,8]。可以实现辅助卸车和助力运输的功能，如图1、图2所示。

图2 小车与卸货架连接部分

1.1 辅助卸货

该装置的卸货部分能很好地起到辅助卸货的作用。体现在两方面：1）由于卸货台的存在，可以在卸货过程中有效地节省人力，降低劳动强度。2）在卸货过程中，由于整个装置可以将货物下降的重力势能储存在飞轮中，货物下降需要克服飞轮的启动转矩，飞轮启动时产生的阻力可以有效地起到缓冲做用，以保证货物的平稳卸载，区别于传统的暴力人工卸车。此时重力势能转化为飞轮转动的动能，储存能量。

1.2 助力运输

当货物在平台上下降时，滑轮组工作使纺车轮收缩，通过联轴器将动力传输到小车上。动力经由链条、增速轮系传递给飞轮轴，储能飞轮储能。货物下降的同时带动螺杆转动转换成拨叉的直线运动。由于传动比较适当，当货物下降到最低端时，拨叉恰巧拨动滑动齿轮与减速轮系的齿轮啮合，完成飞轮轴向小车后轮的动力传输。而飞轮储能的优势有两点：1）飞轮的大小不仅取决于升降台的纺车轮等组成的卸货台；助力部分是由增速轮系、减速轮系、链轮、飞轮、拨叉、万向轮等组成的助力小车。卸货台和助力小车通过径向联轴器将卸货台的高度，也取决于货物的重量，储能更多。2）飞轮在释放能量时更加平稳，适用于低速重载的场合。

图3 轮系机构图

2 研究方法和技术路线

1）增速减速轮系。整个系统的最重要环节是实现小车的助力运输。卸货架的动力输出轴即小车的动力输入轴与增速轮系相连，目的是增加飞轮的转速，提高其转动惯量。而减速轮系与输出轴相连，目的是使小车在行驶过程中保持低速稳定的状态，如图3所示[3-5]。

2)链传动。由于助力小车的工作环境是低速重载;在同样的使用条件下链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；能保持比较准确的平均传动比，传动效率较高；且能适应各种复杂的环境，故在该装置中使用链传动。

3）螺杆传动考虑到小车的运输环节在卸货环节之后，故小车驱动主轴无法始终与传动齿相连，拟采用离合的形式用螺杆驱动拨叉实现齿轮的滞后啮合。具体过程:当货物下降过程中，纺车轮主轴通过齿轮与螺杆齿轮轴啮合。

3 飞轮设计

3.1 飞轮储能系统的工作原理

系统是利用旋转的飞轮将重力势能以动能的形式存储起来的装置。它有2种工作模式，即卸货蓄能模式和运输释能模式。卸货蓄能模式即飞轮转子将货物从高处下降的重力势能转化为动能使飞轮转速升高，将能量以动能的形式存储起来；运输释能模式即飞轮转子将动能传递通过拨叉带动助力小车水平方向运动，使飞轮的动能转化为助力小车水平方向位移，如图4所示[3-4,11]。

3.2 飞轮材料选择

图4 飞轮能量转换系统工作原理图

由于该飞轮用于卸货时对货物重力势能的储存，综合考虑成本、储能效果、抗腐蚀性等因素，该飞轮材料宜采用灰铸铁（HT250）。

灰铸铁的基体组织及石墨形态与其力学性能紧密相关。灰铸铁的硬度取决于其基体材料，同时，这种基体材料的结构对其力学性能有一定影响。石墨片基体的灰铸铁，其内部石墨片组织粗大，强度和硬度特性较差，较少应用。通过在生产工艺中降低碳和硅元素的含量、引入人工晶核，可大规模细化石墨片及其基体，提高灰铸铁的机械强度和硬度。

3.3 飞轮基本参数的确定

飞轮是一个沿着固定轴做径向运动的圆盘，能量以回转运动的方式储存在转子中[14-15]：

式中：ω为角速度，rad/s；I为质量相对轴心的转动惯量,kg。

固体圆柱的转动惯量为其中：m表示质量，kg；r表示半径,m。所得到的结果会是J。

薄壁空心圆柱转动惯量为I=mr2，厚壁空心圆柱转动惯量为

由以上公式可知，飞轮可储存的能量Ek和转动惯量I成正比，想要增加存储的能量，可通过增加飞轮质量和转动半径实现。为了保证设备的稳定性，飞轮质量不易改变，因此，在设计飞轮时，尽量在不变动质量的条件下通过改变飞轮盘壁的厚度来增加其转动惯量[5,11]。为此，将飞轮中间镂空，将质量集中在飞轮的外围，我们设计的飞轮质量为22.58 kg，转动惯量为0.55 kg·m2。

4 系统预期成果

该系统属于快递载运助力装置，可广泛运用于快递中转站和分拣站。与现有技术相比，该系统功能的有益效果是：1）以机械升降取代人工搬运，完成单人卸货，解放人力；2）储存卸车过程中的重力势能，为小推车的前进提供动力辅助推运，利用纯机械的结构设计，完成了将货物重力势能向辅助推车前进的机械能的转化；3）在无需外加动力的情况下，利用系统自身的能量补偿达到助力卸货、助力运货的目的，减轻从业人员的劳动和强度，提升了快递分拣站的工作效率；4）利用飞轮储能原理，实现了能量的高效转化；5）利用机械式的结构设计能够代替人工，避免出现暴力运输现象。该装置经过简易改装以及小型化后可广泛应用于超市、工厂甚至家庭，有比较广阔的应用前景。

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