一種儲(chǔ)能式卸貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王元芳， 黃志高

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430205）

0 引言

眾所周知，在快遞運(yùn)輸?shù)亩嗉?jí)分揀站中，升降設(shè)備、手推小車是大中型貨車卸貨時(shí)必不可少的助力設(shè)備。而目前助力升降設(shè)備多為電動(dòng)液壓式，其體積龐大、移動(dòng)困難；手推車多為普通平板手推車，無動(dòng)力輸出、助力效果不明顯，存在著效率低下、人力物力浪費(fèi)等問題[1-2,10]。為克服現(xiàn)有助力設(shè)備的不足，提高快遞運(yùn)輸分揀過程的效率，降低從業(yè)人員的勞動(dòng)力度，設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)能式卸貨系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用純機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了將貨物重力勢能向輔助推車前進(jìn)的機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。在無需外加動(dòng)力的情況下，利用系統(tǒng)自身的能量補(bǔ)償達(dá)到助力卸貨、助力運(yùn)貨的目的，從而減輕從業(yè)人員的勞動(dòng)和強(qiáng)度，提升了快遞分揀站的工作效率。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 卸貨架結(jié)構(gòu)圖

該儲(chǔ)能式助力卸貨系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成，即卸貨部分和助力部分。卸貨部分是由升降架、滑輪組、棘輪機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩輸出軸和小車的轉(zhuǎn)矩輸出軸連接成為一個(gè)系統(tǒng)[3,8]?？梢詫?shí)現(xiàn)輔助卸車和助力運(yùn)輸?shù)墓δ?，如圖1、圖2所示。

圖2 小車與卸貨架連接部分

1.1 輔助卸貨

該裝置的卸貨部分能很好地起到輔助卸貨的作用。體現(xiàn)在兩方面：1）由于卸貨臺(tái)的存在，可以在卸貨過程中有效地節(jié)省人力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。2）在卸貨過程中，由于整個(gè)裝置可以將貨物下降的重力勢能儲(chǔ)存在飛輪中，貨物下降需要克服飛輪的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，飛輪啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力可以有效地起到緩沖做用，以保證貨物的平穩(wěn)卸載，區(qū)別于傳統(tǒng)的暴力人工卸車。此時(shí)重力勢能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，儲(chǔ)存能量。

1.2 助力運(yùn)輸

當(dāng)貨物在平臺(tái)上下降時(shí)，滑輪組工作使紡車輪收縮，通過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳輸?shù)叫≤嚿?。?dòng)力經(jīng)由鏈條、增速輪系傳遞給飛輪軸，儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能。貨物下降的同時(shí)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成撥叉的直線運(yùn)動(dòng)。由于傳動(dòng)比較適當(dāng)，當(dāng)貨物下降到最低端時(shí)，撥叉恰巧撥動(dòng)滑動(dòng)齒輪與減速輪系的齒輪嚙合，完成飛輪軸向小車后輪的動(dòng)力傳輸。而飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢有兩點(diǎn)：1）飛輪的大小不僅取決于升降臺(tái)的紡車輪等組成的卸貨臺(tái)；助力部分是由增速輪系、減速輪系、鏈輪、飛輪、撥叉、萬向輪等組成的助力小車。卸貨臺(tái)和助力小車通過徑向聯(lián)軸器將卸貨臺(tái)的高度，也取決于貨物的重量，儲(chǔ)能更多。2）飛輪在釋放能量時(shí)更加平穩(wěn)，適用于低速重載的場合。

圖3 輪系機(jī)構(gòu)圖

2 研究方法和技術(shù)路線

1）增速減速輪系。整個(gè)系統(tǒng)的最重要環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)小車的助力運(yùn)輸。卸貨架的動(dòng)力輸出軸即小車的動(dòng)力輸入軸與增速輪系相連，目的是增加飛輪的轉(zhuǎn)速，提高其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而減速輪系與輸出軸相連，目的是使小車在行駛過程中保持低速穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖3所示[3-5]。

2)鏈傳動(dòng)。由于助力小車的工作環(huán)境是低速重載;在同樣的使用條件下鏈傳動(dòng)的整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊；能保持比較準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率較高；且能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，故在該裝置中使用鏈傳動(dòng)。

3）螺桿傳動(dòng)考慮到小車的運(yùn)輸環(huán)節(jié)在卸貨環(huán)節(jié)之后，故小車驅(qū)動(dòng)主軸無法始終與傳動(dòng)齒相連，擬采用離合的形式用螺桿驅(qū)動(dòng)撥叉實(shí)現(xiàn)齒輪的滯后嚙合。具體過程:當(dāng)貨物下降過程中，紡車輪主軸通過齒輪與螺桿齒輪軸嚙合。

3 飛輪設(shè)計(jì)

3.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)的飛輪將重力勢能以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來的裝置。它有2種工作模式，即卸貨蓄能模式和運(yùn)輸釋能模式。卸貨蓄能模式即飛輪轉(zhuǎn)子將貨物從高處下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能使飛輪轉(zhuǎn)速升高，將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來；運(yùn)輸釋能模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動(dòng)能傳遞通過撥叉帶動(dòng)助力小車水平方向運(yùn)動(dòng)，使飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為助力小車水平方向位移，如圖4所示[3-4,11]。

3.2 飛輪材料選擇

圖4 飛輪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作原理圖

由于該飛輪用于卸貨時(shí)對(duì)貨物重力勢能的儲(chǔ)存，綜合考慮成本、儲(chǔ)能效果、抗腐蝕性等因素，該飛輪材料宜采用灰鑄鐵（HT250）。

灰鑄鐵的基體組織及石墨形態(tài)與其力學(xué)性能緊密相關(guān)?；诣T鐵的硬度取決于其基體材料，同時(shí)，這種基體材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能有一定影響。石墨片基體的灰鑄鐵，其內(nèi)部石墨片組織粗大，強(qiáng)度和硬度特性較差，較少應(yīng)用。通過在生產(chǎn)工藝中降低碳和硅元素的含量、引入人工晶核，可大規(guī)模細(xì)化石墨片及其基體，提高灰鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。

3.3 飛輪基本參數(shù)的確定

飛輪是一個(gè)沿著固定軸做徑向運(yùn)動(dòng)的圓盤，能量以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子中[14-15]：

式中：ω為角速度，rad/s；I為質(zhì)量相對(duì)軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg。

固體圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為其中：m表示質(zhì)量，kg；r表示半徑,m。所得到的結(jié)果會(huì)是J。

薄壁空心圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I=mr2，厚壁空心圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

由以上公式可知，飛輪可儲(chǔ)存的能量Ek和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I成正比，想要增加存儲(chǔ)的能量，可通過增加飛輪質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑實(shí)現(xiàn)。為了保證設(shè)備的穩(wěn)定性，飛輪質(zhì)量不易改變，因此，在設(shè)計(jì)飛輪時(shí)，盡量在不變動(dòng)質(zhì)量的條件下通過改變飛輪盤壁的厚度來增加其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[5,11]。為此，將飛輪中間鏤空，將質(zhì)量集中在飛輪的外圍，我們?cè)O(shè)計(jì)的飛輪質(zhì)量為22.58 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.55 kg·m2。

4 系統(tǒng)預(yù)期成果

該系統(tǒng)屬于快遞載運(yùn)助力裝置，可廣泛運(yùn)用于快遞中轉(zhuǎn)站和分揀站。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該系統(tǒng)功能的有益效果是：1）以機(jī)械升降取代人工搬運(yùn)，完成單人卸貨，解放人力；2）儲(chǔ)存卸車過程中的重力勢能，為小推車的前進(jìn)提供動(dòng)力輔助推運(yùn)，利用純機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了將貨物重力勢能向輔助推車前進(jìn)的機(jī)械能的轉(zhuǎn)化；3）在無需外加動(dòng)力的情況下，利用系統(tǒng)自身的能量補(bǔ)償達(dá)到助力卸貨、助力運(yùn)貨的目的，減輕從業(yè)人員的勞動(dòng)和強(qiáng)度，提升了快遞分揀站的工作效率；4）利用飛輪儲(chǔ)能原理，實(shí)現(xiàn)了能量的高效轉(zhuǎn)化；5）利用機(jī)械式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠代替人工，避免出現(xiàn)暴力運(yùn)輸現(xiàn)象。該裝置經(jīng)過簡易改裝以及小型化后可廣泛應(yīng)用于超市、工廠甚至家庭，有比較廣闊的應(yīng)用前景。

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