孫權(quán)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外高鐵物流發(fā)展迅猛，高鐵物流運(yùn)輸在運(yùn)量、速度、價(jià)格、能耗、準(zhǔn)點(diǎn)、安全等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此利用高鐵進(jìn)行快遞的運(yùn)輸具有很大的市場(chǎng)，呈現(xiàn)出巨大的潛力[1]。目前我國(guó)正在加緊研發(fā)高鐵貨運(yùn)專列，但是阻礙高鐵快遞發(fā)展主要原因是：高鐵客運(yùn)列車車廂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、車門構(gòu)造影響快遞的放置和裝卸；高鐵客運(yùn)列車的停站時(shí)間太短，不能滿足進(jìn)行快遞裝卸的時(shí)間要求，導(dǎo)致高鐵客運(yùn)列車經(jīng)過的中間站點(diǎn)所在城市的高鐵快遞貨運(yùn)需求不能得到充分滿足[2]。我國(guó)在客運(yùn)軌道車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量的研究，也有對(duì)貨運(yùn)軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算[3]。目前車廂內(nèi)部集裝器移載均采用人力的方式進(jìn)行，大大影響了裝貨效率?；谝陨犀F(xiàn)狀，為滿足未來高鐵物流對(duì)快速、自動(dòng)化、低成本移載裝置的需求，急需研制適用于高鐵物流的集裝器快速移載裝置[4]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

物流集裝器的移載裝置可以實(shí)現(xiàn)集裝器在高鐵車廂內(nèi)部的縱向移載及橫向移載。該裝卸系統(tǒng)主要由車廂底部縱向、橫向移載裝置及配套的集裝器組成。集裝器在地板牛眼上運(yùn)動(dòng)，在接受到調(diào)度指令后，縱向移載裝置通過拖拽小車的卡爪固定集裝器，再隨鏈條傳動(dòng)至指定位置。橫向移載裝置利用輪轂電機(jī)外齒嚙合集裝器底部限位槽內(nèi)的軟齒后，接力傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)集裝器的橫向移載，從而實(shí)現(xiàn)高鐵物流集裝器在車廂內(nèi)部的快速移載，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—集裝器；2—橫向移載裝置；3—牛眼；4—縱向移載裝置。圖1 移載裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 集裝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物流集裝器主體框架采用鋁型材焊接而成，外面板鋁板采用鉚接方式與框架連接，底部有長(zhǎng)、寬兩個(gè)方向的叉車槽口。集裝器底部承載框架中央有凹槽梁，梁上安裝軟齒條，軟齒條是聚氨酯材料制造，能隨時(shí)給車廂內(nèi)橫移機(jī)構(gòu)動(dòng)力齒提供可靠的嚙合，使動(dòng)力齒產(chǎn)生可靠的車廂內(nèi)橫移驅(qū)動(dòng)力。集裝器底部凹槽梁兩側(cè)框架可作為縱向移載執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡爪的夾爪處。集裝器底板采用金屬耐磨板材，可以有效降低摩擦損耗和底板受力變形[5]。

1—軟齒條；2—縱移卡爪夾爪處。圖2 集裝器示意圖

2.2 橫向移載裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫向移載裝置由輪轂電機(jī)、動(dòng)力推桿、擺桿機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)桿和底座板構(gòu)成，2個(gè)輪轂電機(jī)外輪緣各有1個(gè)齒圈。其工作原理為：首先電動(dòng)推桿推動(dòng)擺桿機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，由于擺桿機(jī)構(gòu)和1號(hào)輪轂電機(jī)固定架的旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械鎖死，帶動(dòng)1號(hào)輪轂電機(jī)向上升起，同時(shí)2個(gè)輪轂電機(jī)的固定架又通過聯(lián)動(dòng)桿連接在一起，聯(lián)動(dòng)桿的帶動(dòng)使得2號(hào)輪轂電機(jī)隨著1號(hào)輪轂電機(jī)的升起而同步升起。輪轂電機(jī)的降落原理同上。大部分結(jié)構(gòu)均安裝于重新設(shè)計(jì)的底座板上，該底板在保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下，能支撐住2個(gè)輪轂電機(jī)。

電動(dòng)推桿收縮狀態(tài)下輪轂電機(jī)下降，電動(dòng)推桿伸出狀態(tài)下輪轂電機(jī)升起。當(dāng)輪轂電機(jī)升起時(shí)，其外齒與集裝器底部限位槽內(nèi)軟齒嚙合，移載裝置開始工作。橫向移載裝置工作原理如圖3所示。

1—集裝器軟齒條；2—固定架； 3—1號(hào)輪轂電機(jī)；4—聯(lián)動(dòng)桿；5—底座板；6—電動(dòng)推桿；7—擺桿機(jī)構(gòu)；8—2號(hào)輪轂電機(jī)。圖3 橫向移載裝置工作示意圖

2.3 縱向移載裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縱向移載裝置工作原理如圖4所示，移載小車與鏈條之間通過鏈條銷軸相連接，小車上安裝有卡爪、電動(dòng)推桿及計(jì)米輪等裝置。在接到調(diào)度指令后，移載小車通過滑輪在鋁合金導(dǎo)軌內(nèi)直線移動(dòng)，依靠計(jì)米輪反饋的位置距離，運(yùn)動(dòng)到指定的集裝器下方。隨后兩端的電動(dòng)推桿開始工作，推動(dòng)與之相連的卡爪旋轉(zhuǎn)到90°位置，使卡爪能與集裝器底部橫梁夾緊配合。此時(shí)，集裝器可隨移載小車通過鏈條傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)至指定位置。在集裝器到達(dá)目標(biāo)位置后，電動(dòng)推桿收縮，卡爪旋轉(zhuǎn)平放，則移載小車可繼續(xù)隨鏈條進(jìn)行下一次的縱向調(diào)度運(yùn)動(dòng)。移載小車和鏈條均在自行設(shè)計(jì)的鋁合金導(dǎo)軌約束下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣既保證了移載運(yùn)動(dòng)的直線度和平穩(wěn)性，同時(shí)又能起到良好的密封作用，減少后期的維護(hù)工作。每個(gè)集裝器縱向移載時(shí)，均采用兩組移載小車進(jìn)行同步移載，保證了移載的平穩(wěn)性。

1—集裝器；2—電動(dòng)推桿；3—卡爪；4—移載小車；5—導(dǎo)軌；6—計(jì)米輪； 7—鏈條；8—導(dǎo)油槽；9—減速電機(jī)；10—膜片聯(lián)軸器。圖4 縱向移載裝置工作示意圖

3 關(guān)鍵零部件有限元分析

3.1 橫向底座板有限元分析

橫向移載裝置的底座板受載荷比較大，其在豎直方向上的主要受力為輪轂電機(jī)的質(zhì)量，而在水平方向上主要受力為電動(dòng)推桿的水平推力。計(jì)算載荷時(shí)考慮如下工況，兩個(gè)輪轂電機(jī)的壓力為392×2=784N，推桿水平推力為1500N。底座板需施加固定約束，在相關(guān)載荷作用下，橫向移載機(jī)構(gòu)底座板的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 底座板的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

從上述有限元分析可以得出以下結(jié)論：在給定的載荷工況下，底座板的最大位移為0.014mm，最大應(yīng)力為12.66MPa，卡爪材料Q235的屈服應(yīng)力為235MPa，等效應(yīng)力低于許用值，因此底座板的結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2 縱向執(zhí)行機(jī)構(gòu)有限元分析

縱向移載裝置在工作時(shí)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)其他零部件而言，更容易受到載荷的破壞。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括卡爪、連桿、旋轉(zhuǎn)支架、執(zhí)行滑塊及電動(dòng)推桿等，其中卡爪直接和集裝器相連接，是最為關(guān)鍵的零件，需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力分析如圖6所示。

1—卡爪；2—連桿；3—執(zhí)行滑塊；4—旋轉(zhuǎn)支架。圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力簡(jiǎn)圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要將滿載集裝器在1s內(nèi)從靜止到達(dá)最大的拖拽速度0.1m/s，其會(huì)受到一定加速度的沖擊，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，承載極限工作載荷的集裝器質(zhì)量為850kg，且集裝器是在萬向滾珠上進(jìn)行移動(dòng)的，則集裝器所需的啟動(dòng)力為

F1=μmg+ma

(1)

式中：F1為集裝器所需的啟動(dòng)力，N；μ為萬向滾珠的摩擦系數(shù);m為集裝器箱的質(zhì)量，kg;a為集裝器靜止到勻速運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，取μ=0.025，m=850kg，a=0.1m/s2。計(jì)算可得F1=380N，則該啟動(dòng)力對(duì)卡爪產(chǎn)生的縱向載荷為380N。

在建立卡爪模型時(shí)，選擇簡(jiǎn)化處理了倒角和圓角等一些對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響基本可以忽略的細(xì)節(jié)，以減少后續(xù)模型計(jì)算的時(shí)間，提高運(yùn)算效率?？ㄗΣ捎盟拿骟w網(wǎng)格劃分，模型的前處理和后處理通過ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)。離散后卡爪模型總的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為8751、34212。在利用ANSYS/Workbench進(jìn)行的有限元仿真后，其應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

圖7 卡爪的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

從上述有限元分析可以得出以下結(jié)論：在給定的載荷工況下，卡爪的最大位移為0.006 8mm，最大應(yīng)力為26.06MPa，卡爪材料Q235的屈服應(yīng)力為235MPa，等效應(yīng)力低于許用值，因此卡爪的結(jié)構(gòu)是安全的。

3.3 卡爪優(yōu)化設(shè)計(jì)

縱向移載作業(yè)中，原先執(zhí)行機(jī)構(gòu)的卡爪結(jié)構(gòu)在推拉滿載集裝器時(shí)比較不穩(wěn)定，在進(jìn)行有限元仿真時(shí)也只考慮了承受啟動(dòng)時(shí)縱向加速度載荷的情況。卡爪采用Q235材料，雖然經(jīng)靜力學(xué)分析后其應(yīng)力、應(yīng)變均在許可范圍之內(nèi)，但考慮實(shí)際移載情況下的復(fù)雜工況，卡爪機(jī)構(gòu)需要承受縱向±5G、垂直1±2G、側(cè)向±1G的組合加速度(其中G是單個(gè)卡爪所承受的集裝箱重力，G=0.5mg)，在這一載荷的作用下，卡爪機(jī)構(gòu)必須鎖緊集裝器并防止其傾覆。因此需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際移載需求。

在對(duì)卡爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其材料重新選用為40Cr，驗(yàn)算卡爪可能受到的最危險(xiǎn)情況，即縱向和側(cè)向均達(dá)到最大加速度5G和1G。而垂直加速度在達(dá)到-1G時(shí)，將會(huì)在卡爪上產(chǎn)生一個(gè)向上的力，使卡爪更易損壞；垂直加速度達(dá)到3G時(shí)，將在卡爪上產(chǎn)生一個(gè)向下的力，抵消5G縱向載荷產(chǎn)生的向上力，減小了卡爪上的載荷。因此驗(yàn)算時(shí)考慮縱向5G、垂直-1G以及側(cè)向1G的組合加速度載荷，根據(jù)對(duì)各向加速度分析，得到卡爪與集裝器接觸處受水平方向20825N的載荷，垂直方向28092N的載荷以及側(cè)向4165N的載荷。在對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分后，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后卡爪的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)優(yōu)化后卡爪的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D可知，在極限工況下，整個(gè)卡爪的應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在頂部尖角處，其最大的等效應(yīng)力大約為659.7MPa，結(jié)果仍要小于40Cr材料的屈服強(qiáng)度。為了盡可能保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)夾爪結(jié)構(gòu)的安全，可通過添加圓角的方法來改善。夾爪的最大位移為0.8mm，符合要求?？ㄗζ渌糠蛛m有個(gè)別局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其應(yīng)力較小且整體形變量較小，可見優(yōu)化后的卡爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理。在對(duì)卡爪進(jìn)行優(yōu)化后，后續(xù)還需要對(duì)縱向移載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的其余零件進(jìn)行相應(yīng)的配套設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。

4 控制邏輯及效率

集裝器在高鐵內(nèi)部的位置調(diào)整主要是縱向移載及橫向移載。橫向移載相對(duì)縱向移載更為頻繁，同時(shí)，橫向調(diào)整也離不開縱向移載的配合。內(nèi)部位置調(diào)整流程如下：控制系統(tǒng)在接收總調(diào)度臺(tái)指令后，將指令解析為執(zhí)行程序，內(nèi)部位置調(diào)整開始。啟動(dòng)橫向縱向移載裝置移至相應(yīng)集裝器位置后，縱向移載裝置夾爪夾緊集裝器，橫向移載裝置輪轂電機(jī)升起和集裝器底部齒條嚙合，相應(yīng)集裝器鎖定系統(tǒng)解鎖。移載系統(tǒng)按執(zhí)行程序?qū)⒓b器移位至指定位置，鎖定系統(tǒng)鎖定集裝器，移載裝置脫位。完成以上操作后，進(jìn)入下一調(diào)整流程，最后向總臺(tái)上報(bào)任務(wù)執(zhí)行情況。集裝器在高鐵車廂內(nèi)部位置調(diào)整的具體控制邏輯及流程如圖9所示。

由于高鐵列車的停站時(shí)間較短，為滿足集裝器快速裝卸的時(shí)間要求，需要對(duì)移載效率進(jìn)行計(jì)算。表1是設(shè)計(jì)的移載效率主要計(jì)算參數(shù)。

表1 移載效率核算依據(jù)參數(shù)

集裝器在車廂一側(cè)對(duì)角位置進(jìn)行移載時(shí)耗時(shí)最大，根據(jù)移載流程及裝卸效率計(jì)算參數(shù)可以計(jì)算集裝器在極限位置時(shí)內(nèi)部移載的耗時(shí)，通過計(jì)算其總時(shí)間為110s，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 移載控制邏輯及流程圖

5 結(jié)語

高鐵貨運(yùn)是鐵路向物流轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要舉措，是滿足高端物流市場(chǎng)需求、擴(kuò)大鐵路物流市場(chǎng)份額的重要手段。設(shè)施設(shè)備配置是影響高鐵貨運(yùn)業(yè)務(wù)水平的一項(xiàng)重要因素[6]。物流集裝器移載裝置利用橫、縱向移載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了集裝器在高鐵內(nèi)部移載的全自動(dòng)化，提高了貨物移載效率，節(jié)約了運(yùn)送貨物進(jìn)出站臺(tái)的時(shí)間，更大程度上發(fā)揮出高鐵貨運(yùn)的優(yōu)勢(shì)。