蔡校宇，胡俊宏，李明鵬，王興隆

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

目前，隨著社會生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展和科技水平的不斷提高，越來越多的倉儲公司開始將自動化設(shè)備應(yīng)用到物流分揀、搬運中來，自動化設(shè)備逐漸在倉儲領(lǐng)域普及開來。目前大多數(shù)企業(yè)卸貨工作仍處于人工搬運的階段，這無疑會消耗大量的人力，制約物流運輸速度的發(fā)展[1]。為了避免非必要的人員接觸，倉儲行業(yè)開始使用自動卸貨設(shè)備來代替人力勞動，降低人力成本和工作強(qiáng)度，提高衛(wèi)生水平[2]。

針對港口集裝箱卸貨工作，本文設(shè)計一種集裝箱自動卸貨系統(tǒng)，可實現(xiàn)對裝滿貨箱的集裝箱的自動卸貨工作。

1 集裝箱自動卸貨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動卸貨車的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由抓取裝置、承料盤、擺臂系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)4部分組成。由于集裝箱內(nèi)貨箱高度不同，所以要求卸貨機(jī)器人的抓取裝置在水平垂直方向都可以自由移動。可通過擺臂調(diào)整承料盤的高度，通過承料盤與擺臂之間的電動推桿可以調(diào)節(jié)承料盤的角度，以便抓取最高層貨箱和最底層貨箱。動力傳遞部分包括減速交流電動機(jī)帶動齒輪副，將動力傳遞到擺臂驅(qū)動軸上，帶動擺臂。考慮貨箱的材質(zhì)、質(zhì)量、體積的不同以及一次作業(yè)可以抓取多個貨箱的工作要求，要求抓取裝置具有較強(qiáng)且穩(wěn)定的抓取能力，故采用氣動控制系統(tǒng)的多個真空吸盤作為拉取貨箱的動力來源。同時自動卸貨系統(tǒng)具有識別貨箱的功能，能夠自動判斷作業(yè)位置，所以在卸貨系統(tǒng)前方安裝了能識別圖像的視覺傳感器。底盤系統(tǒng)采用履帶傳動結(jié)構(gòu)。在底盤兩端分別安裝一個驅(qū)動電動機(jī)，兩個電動機(jī)同時工作實現(xiàn)底盤的前進(jìn)和后退，電動機(jī)單獨工作實現(xiàn)底盤的轉(zhuǎn)向。其三維設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 卸貨系統(tǒng)三維設(shè)計圖

1.2 自動卸貨系統(tǒng)的控制流程

自動卸貨系統(tǒng)的工作順序為：首先通過底盤行車系統(tǒng)將自動卸貨車運動到距集裝箱合適位置，從頂層貨箱開始作業(yè)，伸出氣動吸盤抓取貨箱將其拖到電動托輥組后切斷吸盤動力，通過電動托輥組和續(xù)傳機(jī)構(gòu)將貨箱運輸?shù)娇珊笃诩友b的輸送機(jī)上；每層動作完畢，調(diào)整承料盤和搖擺臂的角度到下一層由高到低作業(yè)。自動卸貨系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

2 有限元靜應(yīng)力分析

有限元的基本原理是將整體模型分解成有限個小單元，小單元彼此連接，通過給每一個小單元假設(shè)一個近似值，從而推導(dǎo)出滿足整體的條件，最終得到正確的解[3]。

2.1 齒輪靜應(yīng)力分析

自動卸貨系統(tǒng)工作時，通過擺臂底座上的減速電動機(jī)帶動齒輪，從而調(diào)整搖擺臂的角度，齒輪所承受的轉(zhuǎn)矩比較大，所以對齒輪的強(qiáng)度要求很高。在工程領(lǐng)域中，通常齒輪傳動的齒輪均為金屬材料的軟齒面齒輪，主、從動齒輪齒面的硬度差一般為30～50 HBS左右[4-5]。本課題主齒輪材料采用40Cr（調(diào)質(zhì)），從動齒輪采用45鋼（調(diào)質(zhì)），兩者硬度差約為40 HBS，符合齒輪傳動齒輪材料選擇的基本原則。

現(xiàn)針對齒輪副的一個嚙合過程（即從主動齒輪齒根與從動齒輪齒頂接觸，運動到主動齒輪齒頂與從動齒輪齒根接觸的過程）進(jìn)行靜應(yīng)力分析。以嚙合過程中一個角度為例，首先將齒輪SolidWorks模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中對其材料屬性進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 材料屬性

ANSYS中通過定義接觸對傳遞動力來模擬真實傳遞情況。其中齒輪與齒輪間接觸類型為無摩擦接觸。由于擴(kuò)展拉格朗日乘子法有良好的特性和靈活性，所以此方法也是最為常用的算法，在該分析中也采用了此方法[6]。設(shè)置完接觸后對齒輪副進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先利用Workbench中的Designmodeler插件對齒輪進(jìn)行切分，將兩齒輪相接觸的輪齒部分切分出來，對其單獨進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，其他部分自動生成網(wǎng)格，這種處理方式可較大程度地提高求解速度和結(jié)果準(zhǔn)確度。對切分后的輪齒部分采用六面體方法并且網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為4 mm，劃分后共形成18 310個單元，48 346 個 節(jié)點，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 齒輪網(wǎng)格模型

對主動齒輪軸面施加圓柱約束，并使其具有周向自由度，施加需要傳遞大小為22 550 N·m的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。對從動齒輪軸面施加固定約束。

定義完約束和載荷后即可對齒輪副的接觸應(yīng)力進(jìn)行求解。由圖4、圖5可知，齒輪嚙合過程中的應(yīng)力分布主要集中于齒面接觸處以及齒輪的齒根處。齒輪根部的應(yīng)力集中將導(dǎo)致齒輪齒根處裂紋和斷裂的發(fā)生，影響齒輪的工作壽命[7]。

圖4 齒輪等效應(yīng)力云圖

圖5 齒面應(yīng)力分布圖

按以上步驟將齒輪的一個嚙合過程拆解為多個角度進(jìn)行靜應(yīng)力分析，近似求解齒輪在一個嚙合過程中的齒輪齒面接觸應(yīng)力變化，得到接觸應(yīng)力隨主動齒輪角度變化的插值曲線（如圖6）。由圖6可知，齒輪副在一個嚙合過程中其齒面接觸應(yīng)力呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢，在主動齒輪轉(zhuǎn)動15°左右位置時，齒面接觸應(yīng)力達(dá)到最大，為602.53 MPa。

圖6 齒面接觸應(yīng)力變化曲線

齒輪許用接觸應(yīng)力公式如下：

式中：σHlim為接觸疲勞極限，N/mm2；SHmin為接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)；ZN為接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)。

經(jīng)過查詢，接觸疲勞極限σHlim1=735 N/mm2，σHlim2=647 N/mm2，取接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)ZN1=ZN2=1，取接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)SHmin=1。

經(jīng)計算：

[σH1]=735×1÷1=735 MPa；[σH2]=647×1÷1=647 MPa。

由圖9可知齒輪的最大接觸應(yīng)力為602.53 MPa，小于齒輪的許用接觸應(yīng)力，無明顯變形，故齒輪副的設(shè)計符合要求，滿足齒輪的剛度要求。

2.2 擺臂機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析

利用SolidWorks軟件對自動卸貨系統(tǒng)進(jìn)行建模，對自動卸貨系統(tǒng)擺臂機(jī)構(gòu)從最低點運動到最高點（如圖7）進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

圖7 擺臂機(jī)構(gòu)極限位置

對擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，以最低位置為例將其SolidWorks模型導(dǎo)入ANSYS Workbench。材料選用系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼。定義完接觸之后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后共形成60 468個單元，118 037個節(jié)點，劃分后的網(wǎng)格如圖8所示。

圖8 擺臂機(jī)構(gòu)網(wǎng)格模型

利用SolidWorks軟件對成效盤和貨箱進(jìn)行質(zhì)量評估，得出其質(zhì)量為436.591 kg，故在前位板施加4279 N方向向下的力，對擺臂底座的12個螺栓孔施加固定約束。

定義完約束和載荷后，對擺臂機(jī)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行求解，得出擺臂機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖和形變云圖如圖9、圖10所示。再添加4個等效應(yīng)力求解，分別得到擺臂底座、搖擺臂、前位板和拉桿的應(yīng)力云圖。

圖9 擺臂機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 擺臂機(jī)構(gòu)形變云圖

按以上步驟對擺臂機(jī)構(gòu)從最低點運動到最高點的過程選取多個角度進(jìn)行靜應(yīng)力分析，近似求解擺臂機(jī)構(gòu)從最低點運動到最高點的應(yīng)力變化，得到擺臂底座、搖擺臂、前位板、拉桿應(yīng)力和形變隨角度變化的插值曲線，如圖11、圖12所示。

圖11 擺臂機(jī)構(gòu)應(yīng)力曲線

由圖11、圖12可知，底座為擺臂機(jī)構(gòu)工作過程中所受應(yīng)力最大的部件，最大接觸應(yīng)力為95.322 MPa。前位板為變形最大的部件，最大形變?yōu)?.83 mm，在可接受的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文以集裝箱自動卸貨系統(tǒng)為研究對象，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。對齒輪一個嚙合過程和擺臂機(jī)構(gòu)從最低點運動到最高點的工作過程選取多個角度進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出相對應(yīng)的插值曲線，通過分析結(jié)果與齒輪的許用接觸應(yīng)力比較驗證，該設(shè)計有效可行，為倉儲行業(yè)實現(xiàn)自動化卸貨奠定了基礎(chǔ)。

圖12 擺臂機(jī)構(gòu)形變曲線