李 博, 喬印虎, 姚智華, 洪 巖, 陳立辛

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100)

0 引 言

我國(guó)人口眾多是一個(gè)超級(jí)糧食大國(guó)，近7年糧食年產(chǎn)量都超過(guò)1.3萬(wàn)億斤[1-2]，糧食運(yùn)輸和儲(chǔ)存都十分重要。隨著“四散化”糧食儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用[3-4]，國(guó)內(nèi)以散糧方式儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)募Z食越來(lái)越多，近年來(lái)已經(jīng)占了儲(chǔ)糧總量的98%左右，比之包裝運(yùn)輸節(jié)省了糧食裝車(chē)時(shí)的裝袋封口以及卸車(chē)時(shí)的拆封倒糧等工序，可以極大的提高工作效率并有效降低成本[5]。在此背景下，集裝箱汽車(chē)成為了散糧運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ撸Z庫(kù)輸出和接收散糧最直接也是最主要的交通工具[6-7]。但是，散糧集裝箱汽車(chē)入庫(kù)卸糧依然存在問(wèn)題，各糧庫(kù)主要通過(guò)人工卸糧再輔以小型卸糧器械完成散糧卸車(chē)工作[8]，工作量大勞動(dòng)強(qiáng)度高，卸糧速度慢用人成本高，易造成糧食谷粒的散落，而且卸糧現(xiàn)場(chǎng)存在大量粉塵嚴(yán)重危害工人健康[9]。此外糧食入庫(kù)時(shí)間受糧食收獲季節(jié)限制較為集中，加之用工荒工人難尋，往往難以及時(shí)完成散糧卸車(chē)工作[10-11]。為了解決散糧集裝箱汽車(chē)卸糧難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)，可以有效的提高散糧集裝箱汽車(chē)的卸糧速度和安全性，減少工人用量和卸糧成本，對(duì)散糧儲(chǔ)運(yùn)和糧庫(kù)自動(dòng)化建設(shè)具有十分重要的積極作用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)主要由底架、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻板平臺(tái)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。底架為整機(jī)提供支撐作用，移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，液壓系統(tǒng)為整機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。卸糧時(shí)，集裝箱汽車(chē)向后倒車(chē)，駕駛到翻板平臺(tái)上，由翻板平臺(tái)托起與水平地面形成一定角度，使車(chē)廂內(nèi)的散糧在重力作用下自動(dòng)流出。

1.1 底架及移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

底架及移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括底架、翻板固定架、前后輪架、驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前后輪升降油缸及液壓馬達(dá)等，如圖1(a)所示。固定架在底架的后端，用以連接安裝翻板平臺(tái)。前后輪架分別布置在底架前后端的兩側(cè)，用于安裝驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪及前后輪升降油缸。卸糧時(shí)，前后輪升降油缸收縮，驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪收縮在輪架內(nèi)，底架與地面充分接觸，為整機(jī)提供穩(wěn)定支撐。移動(dòng)時(shí)，前后輪升降油缸將驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪頂出，底架與地面脫離接觸，由驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪支撐整機(jī)，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)卸糧平臺(tái)的自由移動(dòng)。

1.翻板固定架;2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);3.轉(zhuǎn)向輪;4.升降油缸;5.后輪架;6.底架;7.驅(qū)動(dòng)輪;8.前輪架;9.液壓馬達(dá)

1.2 翻板平臺(tái)設(shè)計(jì)

翻板平臺(tái)主要由人字架、翻板升降油缸、擋輪器及主板構(gòu)成，如圖1(b)所示。人字架布置在主板中部?jī)蓚?cè)，翻板升降油缸活塞桿安裝在人字架上，缸體安裝在底架上，翻板升降油缸采用海沃前頂式油缸，具體參數(shù)如表1所示。翻板平臺(tái)后端鉸接安裝在翻板固定架上，隨著翻板升降油缸活塞桿的伸縮，繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)起降功能。擋輪器對(duì)稱(chēng)布置在主板后端兩側(cè)，當(dāng)翻板平臺(tái)升起時(shí)，在后方擋住集裝箱汽車(chē)輪胎，防止汽車(chē)在卸糧過(guò)程中由于車(chē)體傾斜向后移動(dòng)，且擋輪器與輪胎接觸面是圓弧曲面，不會(huì)對(duì)汽車(chē)輪胎造成損傷。

表1 液壓油缸參數(shù)表

1.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由液壓站、前后輪升降油缸、液壓馬達(dá)、翻板平臺(tái)升降油缸、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及各連接管路組成。其中液壓站包括油箱、電機(jī)、散熱器、手動(dòng)泵、過(guò)濾器、加熱器和各閥組等，如圖2(a)所示。

1.加熱器;2.油箱;3.接線箱;4.加油口;5.手動(dòng)泵;6.電動(dòng)機(jī);7.散熱器;8.過(guò)濾器;9.閥組

電動(dòng)機(jī)是核心動(dòng)力元件，卸糧時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，向兩側(cè)翻板升降油缸同步供油，實(shí)現(xiàn)翻板平臺(tái)的升降動(dòng)作。并且通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)翻板平臺(tái)兩側(cè)角度，隨時(shí)調(diào)整兩側(cè)供油，保證翻板平臺(tái)兩側(cè)平衡。在平臺(tái)移動(dòng)時(shí)，則向前后輪升降油缸以及驅(qū)動(dòng)輪液壓馬達(dá)供油，將平臺(tái)底架頂起，實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。此外為解決移動(dòng)過(guò)程中用電不便的問(wèn)題，還可以由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵進(jìn)行供油，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自由移動(dòng)。為保證車(chē)輛和人員安全，當(dāng)在卸糧過(guò)程中發(fā)生意外斷電等緊急情況時(shí)，翻板平臺(tái)會(huì)立即鎖死保持靜止。此時(shí)則可以使用手動(dòng)泵，人工泵油使翻板平臺(tái)緩慢下降，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。在環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高，不利于液壓設(shè)備運(yùn)行時(shí)，散熱器和加熱器將自行啟動(dòng)調(diào)控油溫到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)后設(shè)備才能運(yùn)行，避免損傷設(shè)備。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用西門(mén)子PLC作為核心控制器，外接傳感器和繼電器，對(duì)油箱電機(jī)、加熱器、散熱器以及各管路電磁閥等元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)卸糧平臺(tái)各種功能。同時(shí)配置人機(jī)交互HMI進(jìn)行功能命令和設(shè)備信息的輸入輸出，控制系統(tǒng)硬件組成如圖2(b)所示。

通過(guò)控制箱可控制卸糧平臺(tái)的前后移動(dòng)、左右轉(zhuǎn)向、翻板升降、油箱加熱冷卻及設(shè)備急停等功能?？刂葡滹@示面板，可以實(shí)時(shí)顯示、查詢(xún)卸糧平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，包括翻板平臺(tái)的起升角度、同步角度、液壓系統(tǒng)的油溫、卸車(chē)次數(shù)等信息，并可進(jìn)行升降角度設(shè)置等。為便于設(shè)備控制操作，控制箱還配有無(wú)線信號(hào)接收器和防爆遙控器，通過(guò)控制箱旋鈕切換控制方式，即可通過(guò)遙控器遠(yuǎn)距離控制卸糧平臺(tái)。此外為避免工作人員操作失誤發(fā)生危險(xiǎn)，翻板平臺(tái)升降功能和移動(dòng)功能不可同時(shí)啟用。卸糧平臺(tái)控制系統(tǒng)還具有故障自診斷功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)卸糧平臺(tái)工作狀態(tài)，對(duì)升降油缸未到位、油溫異常、污染等故障等進(jìn)行報(bào)警顯示。

1.5 承糧料斗

此外，移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)還配有承糧料斗配合卸糧工作。當(dāng)升降油缸將翻板頂起，集裝箱汽車(chē)隨之傾斜，糧食便從車(chē)廂內(nèi)散落到承糧料斗中，從承糧料斗下方的開(kāi)口處流出，落到傳送帶上被輸送到指定位置，進(jìn)一步解放人工，提高散糧卸車(chē)速度。

2 有限元分析

翻板平臺(tái)是最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是受力最大最復(fù)雜的部件，所受載荷主要包括汽車(chē)及散糧的重力、升降油缸和固定架的支撐力等。簡(jiǎn)化受力模型將設(shè)備自重與載荷受力等效合并，其受力如圖2(c)所示，F(xiàn)1是車(chē)輛及散糧重力，F(xiàn)2是液壓油缸支撐力，F(xiàn)3是固定架支撐力。當(dāng)翻板平臺(tái)與水平地面成一銳角α，靜止時(shí)三力達(dá)到平衡，根據(jù)力矩平衡原理可得：

F1cosα×L1=F2cosθ×L2

其中，L1,L2分別是F1和F2受力點(diǎn)與翻板平臺(tái)鉸軸中心的距離。根據(jù)受力平衡原理可得：

F1×cosα=F2×cosθ+F3×cosβ

F3×sinβ=F1×sinα+F2×sinθ

在已知載荷F1的情況下，由此可得：

翻板平臺(tái)設(shè)計(jì)使用45號(hào)鋼，設(shè)計(jì)最大負(fù)載100t，最大升角不低于35°。根據(jù)三角函數(shù)變化特性可知，翻板平臺(tái)在水平，即α=0°時(shí)的法向分力最大，在最高升角，即α=35°時(shí)切向分力最大。為進(jìn)一步評(píng)估結(jié)構(gòu)受力和形變情況，分別在水平和最高升角處按最大負(fù)載對(duì)翻板平臺(tái)進(jìn)行有限元分析。

如圖3所示應(yīng)力和形變均在水平(α=0°)時(shí)達(dá)到最大，最大應(yīng)力285.96MPa，最大形變26.24mm。最大形變發(fā)生在主板尾部，為進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)備安全和使用壽命，對(duì)翻板平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將主板厚度由5mm增加至8mm，加長(zhǎng)底部鋼架至與主板尾部平齊，在主板底部加裝橫梁，并在翻板平臺(tái)兩側(cè)布置加強(qiáng)筋等多處改進(jìn)。優(yōu)化后結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力和形變均顯著減小，最大應(yīng)力減小至178.06MPa，最大型變減小至11.11mm，遠(yuǎn)小于45號(hào)剛屈服強(qiáng)度(355MPa)，滿(mǎn)足使用要求。

(a)α=0°

(a)α=0°

3 卸糧平臺(tái)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)完成后制作了移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行卸糧實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證卸糧平臺(tái)工作性能和可靠性，樣機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 樣機(jī)主要參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)證明外接電源或者啟動(dòng)柴油機(jī)都可以為卸糧平臺(tái)提供充足穩(wěn)定的動(dòng)力，在控制箱或者遙控器的控制下可以平穩(wěn)升起或者降下低架，操控卸糧平臺(tái)前進(jìn)、后退，并自由變化移動(dòng)方向，能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)期實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)功能。

卸糧實(shí)驗(yàn)時(shí)，載滿(mǎn)散糧的汽車(chē)向后倒車(chē)駛上卸糧平臺(tái)，待汽車(chē)后輪與擋輪器充分接觸后停車(chē)制動(dòng)，打開(kāi)車(chē)廂門(mén)進(jìn)行卸糧，當(dāng)糧食自流結(jié)束后，啟動(dòng)翻板平臺(tái)，將車(chē)輛緩緩?fù)衅穑敝良Z食完全流出，操控平臺(tái)下降，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)翻板平臺(tái)升降角度從而控制散糧流速。實(shí)驗(yàn)證明，在安全負(fù)載范圍內(nèi)，翻板平臺(tái)可以按照指令進(jìn)行升降動(dòng)作，最高可升至35°以上，在安全角度范圍內(nèi)任意位置可以保持懸停靜止，主板兩側(cè)始終保持平衡，滿(mǎn)足幾乎所有常見(jiàn)類(lèi)型散糧集裝箱汽車(chē)的卸糧工作，單次卸車(chē)時(shí)間小于15min。卸糧過(guò)程中各零部件工作正常且均無(wú)塑性變形，整機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定，急停等功能安全有效，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié) 論

移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)的設(shè)計(jì)，提供了一種適用于散糧卸車(chē)的自動(dòng)化方法流程，可以有效解決散糧集裝箱汽車(chē)卸糧困難的問(wèn)題，極大的提高散糧集裝箱汽車(chē)卸糧速度，對(duì)促進(jìn)我國(guó)散糧運(yùn)輸儲(chǔ)藏、糧庫(kù)自動(dòng)化建設(shè)具有十分重要的積極作用。移動(dòng)式液壓后翻卸糧平臺(tái)具有以下幾點(diǎn)功能和特點(diǎn)：

1)可以實(shí)現(xiàn)散糧集裝箱汽車(chē)的自動(dòng)化卸糧，極大提高卸糧速度，減少人工用量，降低卸糧成本。

2)功能強(qiáng)悍，適用于各種類(lèi)型和大小的集裝箱汽車(chē)，最高舉升重量達(dá)到100噸。

3)具有故障自診斷功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)升降油缸未到位、油溫異常、污染等故障進(jìn)行報(bào)警顯示。

4)具有很好的通用性，類(lèi)似谷粒的顆粒物如散裝飼料、建筑石子等，都可以通過(guò)這一平臺(tái)完成卸車(chē)工作。