基于整體自裝卸車運(yùn)輸?shù)亩嗍铰?lián)運(yùn)托盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

彭超 李紅勛 張雨佳

軍事交通學(xué)院 天津 300161

基于整體自裝卸車運(yùn)輸?shù)亩嗍铰?lián)運(yùn)托盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

彭超 李紅勛 張雨佳

軍事交通學(xué)院 天津 300161

以整體自裝卸車運(yùn)輸?shù)哪扯嗍铰?lián)運(yùn)托盤為研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)中存在使用不便的問題部件進(jìn)行了有限元分析，并提出了一種改進(jìn)方案。通過分析可得，改進(jìn)方案能較好地解決出現(xiàn)的問題。

多式聯(lián)運(yùn)托盤 有限元分析 改進(jìn)方案

1 前言

整體自裝卸車運(yùn)輸?shù)亩嗍铰?lián)運(yùn)整裝整卸托盤是在通用整裝整卸托盤的基礎(chǔ)上加裝了導(dǎo)軌系統(tǒng)和限位裝置等，能夠?qū)崿F(xiàn)航空集裝板陸空聯(lián)運(yùn)的快速、無(wú)縫銜接[1]。但是，在實(shí)際使用過程中，多式聯(lián)運(yùn)托盤后擋板的結(jié)構(gòu)型式會(huì)在使用中造成諸多不便。為此，針對(duì)問題部件進(jìn)行有限元分析，并提出了一種改進(jìn)方案，通過分析驗(yàn)證，改進(jìn)方案能較好地解決多式聯(lián)運(yùn)托盤后擋板使用不便的問題。

2 多式聯(lián)運(yùn)托盤裝置結(jié)構(gòu)原理

多式聯(lián)運(yùn)托盤（以下簡(jiǎn)稱托盤裝置）初始設(shè)計(jì)方案是由導(dǎo)軌總成、側(cè)擋板總成、后擋板總成和附件等組成。為滿足對(duì)P1、P2和P6等不同型號(hào)民航標(biāo)準(zhǔn)集裝板的裝卸需求，將該裝置設(shè)計(jì)分為橫向和縱向兩種布置方式[2]。本文僅對(duì)縱向布置進(jìn)行研究。

托盤裝置的三維模型如圖1所示，托盤裝置結(jié)構(gòu)組成示意如圖2所示。托盤裝置上的導(dǎo)軌縱向布置，側(cè)擋板通過擋板限位塊與整裝整卸托盤進(jìn)行定位，壓板由側(cè)擋板上凸塊和彈簧鎖限位，進(jìn)而再對(duì)整裝整卸托盤中部的擋板、導(dǎo)軌總成、前限位裝置（用于對(duì)航空集裝板進(jìn)行限位）和后擋板進(jìn)行限位。

3 關(guān)鍵部件有限元分析

從圖2可知，后擋板通過銷軸固定在限位塊上，與托盤兩側(cè)的側(cè)擋板一起，對(duì)裝載的航空集裝板起固定作用。其中，后擋板尤為關(guān)鍵，不僅起到貨物的前后固定作用，在危險(xiǎn)工況下，還應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度避免斷裂。后擋板的結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際使用過程中尤為不便。首先，其體積較大，質(zhì)量達(dá)到12.5 kg，給裝卸帶來(lái)不便，同時(shí)較大的質(zhì)量影響車輛的運(yùn)輸能力。其次，在實(shí)際使用過程中，后擋板的使用壽命較短。

ANSYS Workbench是一款具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁及其相互耦合分析的工程仿真軟件。為了校核危險(xiǎn)工況下后擋板強(qiáng)度，本文通過ANSYS Workbench對(duì)后擋板進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度校核。

3.1 后擋板建模

首先利用建模軟件Solidworks對(duì)后擋板各部件進(jìn)行實(shí)體建模，再根據(jù)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行虛擬裝配。后擋板的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。圖4為后擋板主要部件的結(jié)構(gòu)尺寸。

3.2 危險(xiǎn)工況選取

多式聯(lián)運(yùn)托盤依靠整體自裝卸車自裝卸結(jié)構(gòu)完成裝卸作業(yè)，裝卸過程在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)描述。整體自裝卸車舉升機(jī)構(gòu)在對(duì)托盤裝置進(jìn)行裝卸過程中，托盤的最大傾斜角度為27°[1]，此時(shí)后擋板承受載荷最大，處于危險(xiǎn)工況，結(jié)合裝載的P6托盤質(zhì)量為6 804 kg，通過計(jì)算公式(1)，可以得出后擋板承受的載荷。

式中，F(xiàn)為后擋板承受的載荷；m為P6托盤質(zhì)量；θ為托盤傾斜角度。

計(jì)算可得，后擋板承受的載荷F=30272 N。

3.3 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

有限元分析軟件ANSYS Workbench靜力學(xué)分析的一般步驟為：建立模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加載荷與約束及結(jié)果后處理，下面對(duì)后擋板進(jìn)行靜力學(xué)分析。

首先啟用Workbench的靜力學(xué)分析模塊，通過外部路徑，將Solidworks模型導(dǎo)入Ansys Workbench中。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)[1]，如表1所示，在材料庫(kù)中定義材料類型。

表1 材料屬性

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取正六面體、正四面體等規(guī)整度高的網(wǎng)格，本文選擇六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

由圖2可知，后擋板裝在限位塊上，而限位塊固定在托盤裝置上，P6托盤重力的分力作用在后擋板上。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)部件添加相應(yīng)的載荷及約束：對(duì)限位塊底部進(jìn)行約束，在后擋板受力面上加上垂向載荷，載荷取危險(xiǎn)工況下的30 272 N。

3.4 仿真分析

前處理完成后進(jìn)行仿真分析，在Workbench的后處理模塊中選擇求解等效應(yīng)力，可以得到危險(xiǎn)工況下部件的等效應(yīng)力云圖，如圖6所示。

由分析結(jié)果可得，在后擋板的上下?lián)醢邈q接點(diǎn)附近，應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力為1 155.5 MPa。后擋板材料采用HG70高強(qiáng)度鋼板，其屈服極限為590 MPa，后擋板所受應(yīng)力大于材料的屈服極限，其在強(qiáng)度上的設(shè)計(jì)上是不合理的，存在安全隱患。

4 改進(jìn)研究

4.1 改進(jìn)方案

貨物的約束方法有很多，主要有鎖止、阻擋、捆綁等，托盤裝置后擋板總成的設(shè)計(jì)屬于阻擋約束方法，不僅不能確保貨物的有效固定，也不能滿足使用中的強(qiáng)度要求。

由于捆綁法在日常生活中應(yīng)用最為廣泛，本文選擇捆綁法約束航空集裝板。捆綁法使用的捆綁帶，一般為扁平編織帶，是由人造纖維，如尼龍、膨脹尼龍、聚酯、纖維或它們的混合物通過加工編織而成。不同規(guī)格的捆綁帶極限工作載荷也不相同。捆綁器工作時(shí)，織帶所受載荷小于其極限工作載荷時(shí)，織帶將發(fā)生彈性變形，不會(huì)發(fā)生捆綁失效；當(dāng)工作載荷超過其極限工作載荷，而小于其破斷載荷時(shí)，織帶將發(fā)生塑性變形，貨物將發(fā)生散包，即捆綁失效；當(dāng)工作載荷超過破斷載荷時(shí)，織帶將發(fā)生斷裂。

由于目前我國(guó)還沒有捆綁器的使用標(biāo)準(zhǔn)，所以只能依據(jù)國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定捆綁器的數(shù)量。美國(guó)運(yùn)輸部的相關(guān)條例規(guī)定：要保證貨物不發(fā)生移動(dòng)，捆綁器的極限工作載荷至少是貨物質(zhì)量的1/2[3]。由此可計(jì)算所需捆綁器數(shù)量。

本文選取捆綁帶的極限載荷為2 500 kg，同時(shí)托盤裝置裝載的航空集裝板為6 804 kg。根據(jù)式(2)可得，捆綁器的數(shù)量應(yīng)該為兩個(gè)。

裝載物的捆綁方式主要分為摩擦捆綁和直接捆綁，直接捆綁又可分為幾種捆綁方式。由于采用摩擦捆綁時(shí)，在車輛行駛過程中可能引起裝載物豎直跳動(dòng)，當(dāng)與接觸面脫離時(shí)，摩擦力會(huì)消失，導(dǎo)致捆綁失效。故結(jié)合托盤裝置實(shí)際情況，本文采用直接捆綁法的傾斜捆綁方式。

傾斜捆綁示意如圖7所示，對(duì)托盤的左右方向進(jìn)行傾斜捆綁，托盤一側(cè)使用兩個(gè)捆綁帶，在另一側(cè)也使用相同數(shù)量的捆綁帶，且對(duì)應(yīng)的兩捆綁帶保持平行，兩側(cè)的捆綁帶豎向角相同[4]。

在建筑建設(shè)中對(duì)質(zhì)量安全的嚴(yán)格監(jiān)督，不僅僅是對(duì)施工材料以及人員進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)建筑本身也是要加強(qiáng)監(jiān)督，進(jìn)行及時(shí)的記錄。對(duì)周圍環(huán)境要詳細(xì)記錄，在不同的周邊環(huán)境下，建筑施工的技術(shù)是不同的，施工方案也要有一定的針對(duì)性。特別在實(shí)際施工中地基與基礎(chǔ)分部工程的要加強(qiáng)監(jiān)督力度，不僅僅是對(duì)施工單位的施工過程進(jìn)行監(jiān)督[5]。也是要對(duì)勘察單位的勘察成果及設(shè)計(jì)單位的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)深度等各方面情況展開監(jiān)督，一切對(duì)質(zhì)量安全造成影響的因素都是要進(jìn)行監(jiān)督的內(nèi)容，在建筑工程竣工驗(yàn)收合格后，還要對(duì)建筑物竣工后的合理沉降期限進(jìn)行觀測(cè)，合格后方可進(jìn)行下一步的交房。

根據(jù)傾斜捆綁有效固定的相關(guān)要求，當(dāng)采用圖7所示橫向捆綁時(shí)，需要在集裝板后側(cè)加上限位塊。

本文在原后擋板的限位塊進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)后，去掉限位塊的銷孔，改進(jìn)后限位塊如圖8所示。改進(jìn)后的限位塊在傾斜捆綁時(shí)，起到了避免車輛行駛過程中產(chǎn)生縱向慣性力時(shí)導(dǎo)致裝載物的縱向滑移和傾翻的作用。

4.2 改進(jìn)后方案有限元分析

對(duì)改進(jìn)后的限位塊進(jìn)行強(qiáng)度校核，在危險(xiǎn)工況，即托盤的最大傾斜角度為27°下進(jìn)行有限元分析，根據(jù)多式聯(lián)運(yùn)托盤結(jié)構(gòu)形式，通過計(jì)算公式(3)，可以得出單個(gè)限位塊所受的載荷。

式中，Q為限位塊承受的載荷；m為P6托盤質(zhì)量；θ為托盤傾斜角度；n為后擋板個(gè)數(shù)，取n=4。

計(jì) 算可 得 ， 單個(gè) 限 位 塊所 受 的 載荷 為7 568 N。

通過分析可得，不計(jì)捆綁帶作用的情況下，限位塊承受的最大等效應(yīng)力為152.09 MPa，小于限位塊的屈服極限590 MPa。

綜上所述，改進(jìn)方案通過傾斜捆綁以及限位塊，能夠有效確保航空集裝板在運(yùn)輸或裝卸過程中固定可靠，同時(shí)通過有限元分析，校核了該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的合理性，采用捆綁法替代后擋板，還使得后擋板總成達(dá)到減重效果，有效地提高了運(yùn)力，節(jié)約了成本。改進(jìn)前后對(duì)比如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某多式聯(lián)運(yùn)托盤試驗(yàn)過程中，后擋板質(zhì)量過大且強(qiáng)度不足的問題進(jìn)行了優(yōu)化，通過改進(jìn)限位塊和采用傾斜捆綁方式替代原后擋板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貨物的有效固定，同時(shí)通過有限元分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

表2 改進(jìn)前后對(duì)比

[1] 李紅勛,賈英杰,李立順.某多式聯(lián)運(yùn)整裝整卸托盤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2016(01):37-39.

[2] 李立順,孟祥德,詹雋青等.基于SolidWorks的整體自裝卸車虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2007(03):21-23.

[3] 汪一立.車輛貨物約束系統(tǒng)側(cè)翻力學(xué)特性的研究[D].武漢理工大學(xué),2010.

[4] 汪小玲.基于安全機(jī)制的車輛貨物約束系統(tǒng)啟停過程的力學(xué)特性分析 [D].武漢理工大學(xué),2011.

Structure Improvement Research Based on Multimodal Transport Tray of Self-loading/unloading Vehicle

PENG Chao et al

This paper takes multimodal transport pallet of overall self-loading and unloading vehicle as the research object, finite element analysis is carried out on the existed problems in the test of components, and an improved scheme is put forward.Through the analysis, improvement scheme can better solve the problems.

multimodal tray device; finite element analysis;improvement research

彭超，男，1993年生，碩士研究生，現(xiàn)從事特種車輛仿真研究。

U469.4.03

A

1004-0226(2017)07-0095-04

2017-03-13