胡曉穎 李洋 高士雅 王新宇

摘?要：為減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)一種可樓梯行走的變?nèi)菔奖銛y物流周轉(zhuǎn)箱，用于末端物流配送環(huán)節(jié)。根據(jù)物流周轉(zhuǎn)箱的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu)及主要機(jī)構(gòu)，包括變?nèi)菖c折疊機(jī)構(gòu)、行星輪組行走機(jī)構(gòu)、拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)裝置主要功能;利用CREO軟件建立模型，并應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行樓梯行走運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)特定功能的物流周轉(zhuǎn)箱。結(jié)果表明，箱體的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足載物要求;變?nèi)輽C(jī)構(gòu)中的限位螺釘作為關(guān)鍵受力部件，強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足使用要求，可承受徑向沖擊力作用;通過(guò)多次運(yùn)動(dòng)仿真確定行星輪組最優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，且滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性要求。該物流周轉(zhuǎn)箱的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多種功能，滿(mǎn)足于末端物流配送環(huán)節(jié)及城市共同配送模式，也可適用于零售業(yè)、家庭等多種使用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：物流周轉(zhuǎn)箱;變?nèi)?樓梯行走;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1006-8023（2021）06-0151-08

Abstract：In order to reduce the labor intensity of staff， a variable volume portable logistics turnover box that can walk on stairs was designed for the terminal logistics distribution. Aiming at the application requirements of logistics turnover box， the box structure and main mechanism were designed， including variable volume and folding mechanism， planetary gear group walking mechanism， rod telescopic and rotating mechanism to realize the main function of the device. The CREO software was used to establish the model， and ANSYS software was used to carry out the structural finite element analysis of the box， and ADAMS software was used to carry out the stair walking motion simulation. A logistics turnover box with specific functions was designed. The results of simulation analysis showed that the strength and stiffness of the box could meet the load requirements. As the key stress components， the strength and stiffness of the limit screw in the variable volume mechanism can meet the use requirements and can withstand radial impact force. The optimal structure size of planetary gear set was determined by multiple motion simulation， and the motion stability requirements were met. The design of logistics turnover box can achieve a variety of functions， which is suitable for the terminal logistics distribution and the urban common distribution mode， as well as a variety of use scenarios such as retail and family.

Keywords：Logistics turnover box; variable volume; walking on stairs; structural design; simulation experiment

0?引言

隨著電商行業(yè)的迅速發(fā)展，快遞量增長(zhǎng)迅速，社會(huì)各界對(duì)物流服務(wù)的需求也日益增長(zhǎng)。物流末端配送環(huán)節(jié)，是物流過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，故提升末端物流配送效率對(duì)于物流業(yè)的發(fā)展十分關(guān)鍵[1]。發(fā)展應(yīng)用智能快遞柜、智能配送機(jī)器人等是末端物流自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的有效方案，但受到成本、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)模式等多方面因素限制，智能化模式的推廣仍需一定時(shí)間，且末端物流配送不能完全依靠自動(dòng)化設(shè)備和顧客自提的方式，高價(jià)值產(chǎn)品及蔬果配送，即時(shí)物流、冷鏈物流行業(yè)等仍然需要門(mén)到門(mén)的人力配送。目前，在物流相關(guān)設(shè)備應(yīng)用方面，未充分考慮末端配送人員作業(yè)需求，在很多未建設(shè)智能快遞柜或代收點(diǎn)的寫(xiě)字樓、社區(qū)及校園，配送人員仍需攜大量物品步行配送，尤其進(jìn)行爬樓梯配送作業(yè)時(shí)，配送效率、服務(wù)質(zhì)量、作業(yè)人員體力均受到一定程度的挑戰(zhàn)。

基于上述需求，考慮設(shè)計(jì)新型的物流周轉(zhuǎn)箱應(yīng)用于末端配送環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)應(yīng)用于門(mén)到門(mén)物流配送、零售行業(yè)或家庭使用等場(chǎng)景的具有樓梯行走功能的、容積可變式便攜物流周轉(zhuǎn)箱，可以提高末端物流配送工作效率，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，周轉(zhuǎn)箱尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適用于新零售環(huán)境下城市配送對(duì)物流周轉(zhuǎn)箱循環(huán)流通等方面的需求，可促進(jìn)城市配送模式的發(fā)展進(jìn)步[2]。

目前周轉(zhuǎn)箱的樓梯行走功能情況：通過(guò)調(diào)查研究了解到，現(xiàn)有對(duì)于爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[3]，其裝置大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景受限[4-6];有針對(duì)樓梯行走功能實(shí)現(xiàn)的爬樓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有輪式、履帶式和步行式的基本結(jié)構(gòu)[7]，能夠滿(mǎn)足大型倉(cāng)庫(kù)等應(yīng)用需求，但其自重大，所占空間大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)便攜功能，不能合理應(yīng)用于末端物流配送環(huán)節(jié)[8];同時(shí)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)市面上現(xiàn)有的輔助爬樓車(chē)存在安全性不好和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

目前物流周轉(zhuǎn)箱箱體的設(shè)計(jì)情況：現(xiàn)有周轉(zhuǎn)箱多為簡(jiǎn)單的儲(chǔ)存箱，功能單一，無(wú)法滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求，行業(yè)針對(duì)性不強(qiáng);部分周轉(zhuǎn)箱為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，承重能力差，不適合堆疊使用;且市場(chǎng)中的物流周轉(zhuǎn)箱仍存在耐腐蝕性、承重性和環(huán)保性等方面差的缺點(diǎn)。應(yīng)用于末端物流環(huán)節(jié)的周轉(zhuǎn)箱多為傳統(tǒng)的一次性瓦楞周轉(zhuǎn)箱，功能性存在不足，不能較好地滿(mǎn)足可持續(xù)利用需求，亟需對(duì)其改進(jìn)。

1?整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1?整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種多功能式物流周轉(zhuǎn)箱，主要由箱體、輪組、拉桿和主體支架組成。箱體與裝置其他部分可分離，整體便于攜帶與存儲(chǔ)，且箱體的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足流通與周轉(zhuǎn)等方面需求，具有較高的強(qiáng)度及承載能力。裝置其他主要功能性機(jī)構(gòu)包括行星輪組機(jī)構(gòu)、箱體變?nèi)菖c折疊機(jī)構(gòu)、拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2?工作原理

該物流周轉(zhuǎn)箱可實(shí)現(xiàn)多種功能，主要包括箱體變?nèi)菖c折疊、樓梯行走、拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)等，基于各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下。

（1）分離式箱體設(shè)計(jì)。箱體底部的定位滑槽與支架的滑軌配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體的連接固定，方便箱體的拆裝;箱體通過(guò)側(cè)板鉸鏈連接的方式，實(shí)現(xiàn)折疊功能;同時(shí)，考慮到循環(huán)流通過(guò)程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，對(duì)箱體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，符合一定的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，可持續(xù)循環(huán)利用，滿(mǎn)足物流周轉(zhuǎn)箱的多方面需求。

（2）箱體變?nèi)輽C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要利用導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)及限位螺釘?shù)葘?shí)現(xiàn)特定功能，使箱體實(shí)現(xiàn)靈活變?nèi)?，且操作穩(wěn)定便捷，在實(shí)際應(yīng)用中便于裝置的攜帶及存儲(chǔ)，增強(qiáng)了裝置的實(shí)用性和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性。

（3）行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、裝置重量、體積、安全性及成本等多方面因素，在設(shè)計(jì)中采用行星輪組機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)省力樓梯行走功能。該機(jī)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)平地行走，又可實(shí)現(xiàn)省力樓梯行走，同時(shí)，在平地非平整路面行走時(shí)具有越障功能，使用者可較為輕松地拉動(dòng)裝置使其運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景需求。一對(duì)輪組設(shè)置于裝置底部側(cè)后方，避免造成運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定。

（4）拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度的伸縮式拉桿，伸縮式設(shè)計(jì)可靈活調(diào)節(jié)拉桿高度且便于收納攜帶，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使拉桿可調(diào)節(jié)一定角度，更適用于樓梯行走、坡路行走等特殊場(chǎng)景，使裝置的應(yīng)用更加方便省力。

2?裝置主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1?箱體結(jié)構(gòu)及變?nèi)菖c折疊機(jī)構(gòu)

箱體作為裝置的主體部分之一，與支架可分離，箱體的底部與支架采用定位滑槽與滑軌連接，支架的底部框架上設(shè)有定位滑軌，箱體底部開(kāi)設(shè)與之相配合的滑槽，使二者可實(shí)現(xiàn)較方便的分離拆卸，同時(shí)支架的底部框架上設(shè)置止擋臺(tái)階，輔助導(dǎo)軌對(duì)箱體進(jìn)行定位并承擔(dān)力的作用。箱體整體采用分體式結(jié)構(gòu)，主要組成部分包括上箱體、下箱體、箱蓋與底座，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。箱蓋頂部設(shè)有與箱體底部尺寸相配合的止擋臺(tái)階，在箱體與支架分離時(shí)，便于對(duì)箱體進(jìn)行堆疊放置，可增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

考慮到在末端配送、城市共同配送等環(huán)節(jié)，以及在倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所的流通周轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，對(duì)物流周轉(zhuǎn)箱的箱體尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。根據(jù)物流標(biāo)準(zhǔn)化的要求及我國(guó)在貿(mào)易流通單元化、標(biāo)準(zhǔn)化方面的政策，提倡在末端物流環(huán)節(jié)使用600 mm×400 mm模數(shù)系列的物流周轉(zhuǎn)箱[1];在該裝置的設(shè)計(jì)中，所采用的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)尺寸為600 mm×400 mm×340 mm，即變?nèi)菹潴w非折疊狀態(tài)下的最小外部尺寸大小。

箱體的變?nèi)莨δ苤饕ㄟ^(guò)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。由圖3可知，上箱體高度略小于下箱體，上下箱體通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)連接，導(dǎo)軌槽設(shè)置于下箱體的側(cè)面四邊處，導(dǎo)軌槽表面設(shè)有限位凹槽，上箱體對(duì)應(yīng)位置設(shè)置可沿導(dǎo)軌槽上下移動(dòng)的滑動(dòng)式導(dǎo)桿，上箱體底部導(dǎo)桿與導(dǎo)軌槽連接處設(shè)置限位用擰緊螺釘，通過(guò)導(dǎo)軌槽上的限位凹槽與擰緊螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)自鎖。通過(guò)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)箱體的多級(jí)變?nèi)荩僮鞅憬?且限位螺釘調(diào)松后，上下箱體可分離，即封閉式箱體可轉(zhuǎn)化為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，即可利用該裝置運(yùn)送形狀不規(guī)則物品;同時(shí)，箱體側(cè)邊的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)除實(shí)現(xiàn)變?nèi)菡{(diào)節(jié)功能，還作為支撐性部件，增強(qiáng)了箱體的強(qiáng)度，保證了箱體整體的穩(wěn)定性。

上下箱體的各側(cè)板連接處，箱蓋、底座與箱體的一側(cè)連接處及圖示中兩側(cè)板的中間位置均為可旋轉(zhuǎn)折疊的鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使上下箱體分離后均可折疊，便于儲(chǔ)存及攜帶，節(jié)省空間。箱體折疊后的效果圖如圖4所示。

此外，考慮到對(duì)箱體的環(huán)保、強(qiáng)度等各方面的要求，需確定物流周轉(zhuǎn)箱的材料[10]。箱體材料需環(huán)保且無(wú)毒無(wú)味，耐腐蝕性、耐沖擊性、耐高溫低溫性及承重性好，強(qiáng)度高，同時(shí)自重相對(duì)較輕，且需控制成本，故該裝置的箱體選用高密度聚乙烯（HDPE）作為主體材料。HDPE韌性、耐磨性等較好，耐酸堿，表面硬度、拉伸強(qiáng)度較高，適用于該裝置箱體，且成本相對(duì)較低[10]。

2.2?行星輪組行走機(jī)構(gòu)

采用三星輪組機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)省力樓梯行走功能，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。一對(duì)行星輪組中主要零部件包括中心軸、三角支架、輪子和軸承等，將小輪中心軸間隔120°設(shè)置于三角支架上，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

支架結(jié)構(gòu)等金屬部件所用主體材料為鋁鎂合金，該材料比強(qiáng)度高，重量輕，抗壓承載能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)[11];輪胎所用主體材料為通用合成橡膠，主要成分為丁苯橡膠，具有較好的彈性及耐磨性能，耐龜裂、抗?jié)窕?，作為輪胎材料使用時(shí)靜音效果及緩沖性能好[12]。

平地行走時(shí)，以任意兩輪作為運(yùn)動(dòng)輪，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，三角支架及另一輪相對(duì)裝置整體靜止，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走;樓梯行走時(shí)，使用者施加較小作用力，使行星輪組發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)爬樓梯的運(yùn)動(dòng)[13]。

行星輪組的具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，影響其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、省力效果及裝置整體性能，故結(jié)合樓梯參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析，并初步確定其結(jié)構(gòu)尺寸。其運(yùn)動(dòng)示意圖如圖6所示。

我國(guó)對(duì)于住宅建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，樓梯踏步寬度不應(yīng)小于260 mm，踏步高度不應(yīng)大于175 mm。結(jié)合實(shí)際的測(cè)量考察，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定樓梯踏步高度a為160 mm，踏步寬度b為260 mm;輪系半徑為R，輪子半徑為r;BC段定義為l1，AB段定義為l2。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)約束，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，可列出如下方程：

由公式（1）可得相應(yīng)尺寸參數(shù)的約束條件：

由計(jì)算結(jié)果可初步確定滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)條件的行星輪組結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定范圍。

2.3?拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

拉桿主要由內(nèi)管、外管、握把、伸縮限位機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，其主要功能性結(jié)構(gòu)如圖7所示。內(nèi)管2可在內(nèi)管1中于豎直方向伸縮調(diào)節(jié)，內(nèi)管1可伸縮置入外管，外管及內(nèi)管1側(cè)面設(shè)置有若干定位槽，對(duì)應(yīng)內(nèi)管1及內(nèi)管2側(cè)面設(shè)置限位扣，對(duì)伸縮拉桿進(jìn)行定位，可調(diào)節(jié)拉桿高度。

位于內(nèi)管1下部分的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)拉桿角度的調(diào)節(jié)，該管段為分體式結(jié)構(gòu)，由上下2部分組成，上部管段與下部管段通過(guò)螺紋桿連接，螺紋桿兩側(cè)上部管段與下部管段之間設(shè)置彈性摩擦片，通過(guò)對(duì)螺母旋鈕的調(diào)緊與放松，可實(shí)現(xiàn)對(duì)拉桿角度的固定及調(diào)節(jié)。整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，操作方便。

拉桿所用主體材料選用鋁鎂合金，該金屬材料強(qiáng)度與韌性高，具有很強(qiáng)的抗壓承載力，不易變形，抗蝕性能好，方便耐用，可有效延長(zhǎng)裝置使用壽命;同時(shí)其自重較輕，且為環(huán)保型材料，適用于該裝置[11]。

3?仿真實(shí)驗(yàn)與分析

3.1?箱體載重有限元分析

箱體的載重與抗壓性能影響其使用穩(wěn)定性，決定其使用效果與使用壽命等，故利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以驗(yàn)證箱體的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足性能要求。

有限元法（Finite element method，F(xiàn)EM）是根據(jù)變分法原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，其基本思想為將連續(xù)體分割為有限且按一定方式連接在一起的單元[14]，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在箱體使用過(guò)程中，所受最大靜態(tài)載荷來(lái)自周轉(zhuǎn)箱載物重量，故對(duì)箱體載物時(shí)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，以反映箱體的載重性能[15]。采用有限元分析的方法進(jìn)行靜態(tài)分析，檢驗(yàn)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

在CREO 3.0中創(chuàng)建簡(jiǎn)化的箱體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件;根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)及問(wèn)題要求定義單元類(lèi)型為十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Solid Brick 10node187。箱體主體材料為HDPE，查閱資料可知其強(qiáng)度極限約為15 MPa，彈性模量約為0.95 GPa，泊松比約為0.3，密度約為0.90 g/cm3，據(jù)此定義模型的材料屬性，利用智能網(wǎng)格劃分工具對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。結(jié)合實(shí)際情況與調(diào)查研究，設(shè)定物流周轉(zhuǎn)箱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的正常工作狀態(tài)下載物質(zhì)量為60 kg，根據(jù)箱體承重時(shí)的實(shí)際受載情況，對(duì)模型施加約束與載荷，定義分析任務(wù)，進(jìn)行分析。分析得到箱體模型的應(yīng)力與位移云圖如圖8和圖9所示。

通過(guò)有限元仿真實(shí)驗(yàn)與分析可知，箱體整體應(yīng)力較小，應(yīng)力集中不明顯，且最大等效應(yīng)力為1.585 7 MPa，小于箱體材料的強(qiáng)度極限值;最大位移為0.751 7 mm，數(shù)值較小，故箱體的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，箱體整體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可有效滿(mǎn)足載物要求。

3.2?關(guān)鍵受力部件力學(xué)性能仿真

在進(jìn)行樓梯行走運(yùn)動(dòng)時(shí)，箱體結(jié)構(gòu)會(huì)承受較大的沖擊力作用，變?nèi)輽C(jī)構(gòu)中的限位螺釘作為關(guān)鍵受力部件，將承受較大的徑向沖擊力，故應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，以驗(yàn)證其強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足使用要求。

利用CREO 3.0創(chuàng)建簡(jiǎn)化的限位螺釘模型，導(dǎo)入ANSYS軟件;定義單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Solid Brick 8 node 185。該部件的主體材料為5052鋁合金，為鋁鎂系合金的一種，其抗拉強(qiáng)度為173～244 MPa，屈服強(qiáng)度約為70 MPa，彈性模量約為40 GPa，泊松比為0.25～0.3，密度為2.68 g/cm3?？啥x模型材料的彈性模量與泊松比，并對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。考慮箱體自重及貨物載重，并假設(shè)樓梯行走運(yùn)動(dòng)中的力作用于限位螺釘，定義分析任務(wù)，對(duì)該部件進(jìn)行仿真分析。得到限位螺釘模型的應(yīng)力與位移云圖如圖10和圖11 所示。

由上述分析結(jié)果可知，該構(gòu)件受到較大沖擊力作用時(shí)，最大等效應(yīng)力為15.38 MPa，小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足使用的強(qiáng)度要求;且結(jié)構(gòu)變形的最大位移約為0.73×10-5 mm，總體形變較小，不影響構(gòu)件使用，滿(mǎn)足使用的剛度要求。

3.3?輪組運(yùn)動(dòng)仿真與分析

行星輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性是影響裝置整體運(yùn)動(dòng)性能的重要因素，因此需要分析行星輪組機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析得到輪系半徑R與輪子半徑r的尺寸設(shè)定范圍，即80≤r≤130、130.64≤R≤176.25;以R與r作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，考慮到后期生產(chǎn)及裝配的便利性，以10 mm為1個(gè)級(jí)別，并排除邊界值，在R與r取值范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)置系列可變參數(shù)，采用不同參數(shù)值，模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)受力情況與運(yùn)動(dòng)環(huán)境，進(jìn)行一系列仿真分析。

設(shè)定關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量初始值為R=140 mm，r=80 mm，根據(jù)該結(jié)構(gòu)尺寸，利用三維建模軟件CREO 3.0建立行星輪組機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化實(shí)體模型，并為各零件設(shè)置相應(yīng)約束，限制其自由度，完成裝配。利用ADAMS軟件對(duì)該模型進(jìn)行樓梯行走運(yùn)動(dòng)仿真[16]，將模型導(dǎo)入ADAMS軟件，如圖12所示。

模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)受力情況與運(yùn)動(dòng)環(huán)境，設(shè)置測(cè)試變量，進(jìn)行仿真分析，觀察輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，整體運(yùn)動(dòng)狀況是否良好，確定機(jī)構(gòu)是否能夠穩(wěn)定完成樓梯行走運(yùn)動(dòng)，并得到后處理曲線圖[17-18]。調(diào)整可變參數(shù)，改變模型尺寸，并導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行多次分析，根據(jù)設(shè)計(jì)變量不同參數(shù)的結(jié)合，共進(jìn)行16次仿真分析。由各次仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)設(shè)計(jì)變量的參數(shù)值大小發(fā)生改變時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能發(fā)生改變，主要體現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)軌跡的波動(dòng)性不同，運(yùn)動(dòng)軌跡的波動(dòng)性可通過(guò)三角支架中心點(diǎn)垂直方向位移曲線反映。根據(jù)多次仿真分析后處理結(jié)果，選擇垂直方向位移曲線波動(dòng)性最小的參數(shù)設(shè)計(jì)作為最優(yōu)化尺寸，即確定行星輪組的相對(duì)最優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸為輪系半徑R=140 mm，輪子半徑r=90 mm。該參數(shù)下通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真得到三角支架中心點(diǎn)的位移及速度曲線，如圖13和圖14所示。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)尺寸的行星輪組機(jī)構(gòu)在進(jìn)行樓梯行走時(shí)位移波動(dòng)較小，且速度連續(xù)，運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定[19]，能夠較好地滿(mǎn)足使用時(shí)的功能性要求。

4?結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能式物流周轉(zhuǎn)箱，能夠?qū)崿F(xiàn)箱體變?nèi)菖c折疊、穩(wěn)定省力的樓梯行走、拉桿伸縮與旋轉(zhuǎn)的功能。針對(duì)各模塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，并確定所選用的主體材料。應(yīng)用CREO軟件建模，并應(yīng)用ANSYS與ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，確定優(yōu)化尺寸，且保證裝置滿(mǎn)足多種性能要求。物流周轉(zhuǎn)箱自重較輕，各機(jī)構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能;箱體載重性能良好，尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足流通周轉(zhuǎn)要求;關(guān)鍵受力部件可有效承受運(yùn)動(dòng)沖擊力，且滿(mǎn)足整體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定要求以及使用的便捷性要求。

該周轉(zhuǎn)箱應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可用于末端物流配送、零售等多種行業(yè)以及日常生活，可有效降低使用者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高便利性。同時(shí)，裝置結(jié)構(gòu)由不同部件組成，便于制造與生產(chǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用與推廣價(jià)值。

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