升降式多功能搬运装卸车设计
2022-03-24毛晨阳宗荣珍宗劭轩
毛晨阳, 宗荣珍, 宗劭轩
(1.南阳理工学院智能制造学院,河南 南阳 473004;2.中国计量大学,杭州 310018)
0 引言
近年来,搬运小车在商业与人类日常生活中发挥着越来越重要的作用,搬运小车的主要作用为人力推拉小车实现物品的短距离运输,减少人力资源的浪费,适用于快递物流、超市、仓库和商品货物的运输等[1]。当今中国社会已经进入人口老龄化时代,劳动力成本逐年上升,为节省人力资源,顺应时代发展趋势,本文设计了升降式多功能搬运装卸车。升降式多功能搬运装卸车不仅经济适用,而且还可以实现升降平台的自动升降, 一人操作即可装卸货物,因此可以节省人力,降低工作人员的劳动强度,提高整体工作效率,可广泛应用于物流运输或生产车间的货物搬运及装卸。
1 升降式多功能搬运装卸车结构设计和功能实现
1.1 结构设计
本设计主要包括主体结构、行进装置、动力装置、连接装置等结构。考虑到实用性与经济性,小车结构设计尽量简单可靠、易于操作且选材适宜。主体结构包括机架、梁、货叉、支撑架;行进装置主要包括万向轮和尼龙鼓轮两部分;动力装置为电动一体式液压缸结构,主要包括直流电动机、液压泵、双作用单杆活塞式液压缸;连接装置主要位于机架与梁的连接处、机架与液压缸的连接处、机架与支撑架的连接处、支撑架与货叉的连接处、货叉与梁的连接处,以及尼龙鼓轮与机架的连接处。连接装置主要包括导向轴支座、销轴、销轴垫片、开口销,其中导向轴支座要与螺栓与轴A、轴B相互配合,销轴、销轴、销轴垫片则主要安装在两零件的铰接处,构成铰接连接,既可静态固定连接,亦可与被连接件做相对运动。
1.2 功能实现说明
小车最大承重为300 kg,最大举升高度为1.4 m。小车在折叠时的状态如图1所示,当小车工作时,将货物放置于货叉12前端,液压泵推动液压缸活塞向上运动,机架2、梁5、支撑架14与货叉12构成平行四边形结构,保证货物向上的稳定性,手动推动小车调整位置,从而实现货物的搬运与堆垛,如图2所示为小车工作状态。
图1 升降式多功能搬运装卸车折叠状态
图2 升降式多功能搬运装卸车工作状态
2 电动一体式液压缸
2.1 电动一体式液压缸的特点
电动一体式液压缸主要由液压缸、电动机及液压泵组成,与普通液压系统相比稳定性更好,自身质量小、抗撞击、承重性好、搬运货物轻松省力,同时采用一体式密封铸造油泵,内置密封圈,使用起来更加安全。
2.2 液压缸的选型
根据升降多功能搬运装卸车的工作原理,选用的液压缸类型为双作用单杆活塞式液压缸。小车在举升货物时,将液压缸与小车竖直方向的夹角α变化忽略不计,当梁与地面水平时,梁与液压缸活塞连接处b受力最大,受力分析如图3所示。
图3 梁受力分析
设此时各销轴和支座润滑充分,摩擦力忽略,液压缸与小车竖直方向的夹角为α,a点为货叉与梁的连接点,b点为液压缸活塞与梁的连接点,c点梁与机架的连接点,a点所受货叉方向的力为F1,小车最大承重为300 kg,考虑到安全系数为2,将a点所受货叉方向的力F1设为6000 N,b点所受液压缸举升力为F2,a、c两点间的距离为1.22 m,b、c两点间的距离为0.47 m。
根据小车工作原理,得出方程式:F1×Lac=F1cos α×Lbc。
液压缸与小车竖直方向的夹角α为30°,F1=6000 N,Lac=1.22 m,Lbc=0.47 m。得出F2=17 894 N.故小车油缸举升力要大于F2。设额定油压为16 MPa,根据液压系统回路中的额定油压、油缸在小车工作过程中的最大载荷,计算出液压缸的活塞杆直径,然后根据活塞杆直径选择液压油缸的型号,最后根据小车结构尺寸所设计的升降装置而定液压油缸的长度尺寸。举升液压缸选用的型号为HSGL01-40/22E-1701-480,缸径为40 mm,活塞杆直径为22 mm,往返比φ=1.7,推力为20 100 N,最大行程为480 mm[2]。
2.3 电动机和液压泵的选型
根据液压缸的选型及参数,电动机选用500 W/48 V的直流电动机,型号为BM1418ZXF(BLDC)。额定输出功率为500 W,额定电压为48 V,额定转速为2800 r/min,空载转速为3100 r/min,额定电流为13.4 A/10.8 A,空载电流为4.0 A/3.3 A,额定转矩为1.19 N·m,效率≤75%。
液压泵选取为齿轮泵,型号为CBN-F316,采用右旋,花键轴,压力为20 MPa,排量为25 mL/r。
3 主要零部件(梁)的有限元仿真分析
3.1 梁功能
梁在小车中属于主要动力传递零部件,中间连接液压缸活塞,前端连接货叉,后端连接机架,同时配合货叉、机架、梁构成平行四边形结构,能够让货叉能稳步上升,保证小车工作时的稳定性与安全性,是小车的主要承重部分之一。
3.2 梁的有限元仿真分析
1)梁材料主要参数如表1所示。×108
表1 45钢材质参数
2)梁夹具和载荷。根据梁在小车中装配固定方式,在运用有限元软件分析时,对梁与货叉连接处、梁与机架连接处使用固定几何体命令,固定方式在图4中如浅色箭头所示。
梁在小车中主要受到液压缸的推力,根据图3 受力分析,得出梁最大受力为17 894 N,受力在图4中用深色箭头所示。
图4 梁夹具和载荷分布情况
梁表格参数如表2所示。
表2 梁网格主要参数
3)梁施加载荷算例分析结果。
a.梁静力学分析。对梁与液压缸活塞连接部分施加载荷后,通过有限元分析得到其VON:von Mises 应力,最小应力值为1.324×105N/m2,共有4456个节点;最大应力值为1.104×108N/m2,共有281个节点,梁静应力具体分布如图5所示。
图5 梁施加载荷后VON:von Mises应力分布图
b.梁静态位移分析。对梁与液压缸活塞连接部分施加载荷后,通过有限元软件分析得到其URES:合位移,合位移最小值为0,共有281个节点;合位移最大值为0.3145 mm,共有1657个节点,梁网格节点静位移具体分布情况如图6所示。
图6 梁施加载荷后URES:合位移分布图
3.3 对仿真分析结果的总结
通过SolidWorks软件中有限元分析模块Simulation对梁的受力情况进行仿真分析,可以看出,梁满足小车的工作要求,其他零件的分析均用同样的方法,从结果来看,升降式多功能搬运小车的刚度和强度均满足要求[3]。
4 结语
因网络购物的兴起,快递物流行业实现了飞速增长的环境下,升降式多功能搬运装卸车有着巨大的发展空间和发展环境。升降式多功能搬运装卸车可以节省人力、降低工作人员的劳动强度、提高整体工作效率,同时适用于狭小空间的搬运装卸,具有灵活、便捷等特点,将工作人员从简单重复的劳动中解放出来,去处理更高级别的工作,最终起到节省人力的作用。设备使用电能作为唯一能源,相对来说比较环保,转换效率较高,因此,本方案所述的产品对环保、可持续发展有着积极的影响。