升降式多功能搬运装卸车设计

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。