集装箱自动卸货系统的设计与有限元分析

蔡校宇，胡俊宏，李明鹏，王兴隆

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

0 引言

目前，随着社会生产力的进一步发展和科技水平的不断提高，越来越多的仓储公司开始将自动化设备应用到物流分拣、搬运中来，自动化设备逐渐在仓储领域普及开来。目前大多数企业卸货工作仍处于人工搬运的阶段，这无疑会消耗大量的人力，制约物流运输速度的发展[1]。为了避免非必要的人员接触，仓储行业开始使用自动卸货设备来代替人力劳动，降低人力成本和工作强度，提高卫生水平[2]。

针对港口集装箱卸货工作，本文设计一种集装箱自动卸货系统，可实现对装满货箱的集装箱的自动卸货工作。

1 集装箱自动卸货系统的结构设计

1.1 整体结构设计

自动卸货车的机械结构主要由抓取装置、承料盘、摆臂系统、底盘系统4部分组成。由于集装箱内货箱高度不同，所以要求卸货机器人的抓取装置在水平垂直方向都可以自由移动。可通过摆臂调整承料盘的高度，通过承料盘与摆臂之间的电动推杆可以调节承料盘的角度，以便抓取最高层货箱和最底层货箱。动力传递部分包括减速交流电动机带动齿轮副，将动力传递到摆臂驱动轴上，带动摆臂。考虑货箱的材质、质量、体积的不同以及一次作业可以抓取多个货箱的工作要求，要求抓取装置具有较强且稳定的抓取能力，故采用气动控制系统的多个真空吸盘作为拉取货箱的动力来源。同时自动卸货系统具有识别货箱的功能，能够自动判断作业位置，所以在卸货系统前方安装了能识别图像的视觉传感器。底盘系统采用履带传动结构。在底盘两端分别安装一个驱动电动机，两个电动机同时工作实现底盘的前进和后退，电动机单独工作实现底盘的转向。其三维设计图如图1所示。

图1 卸货系统三维设计图

1.2 自动卸货系统的控制流程

自动卸货系统的工作顺序为：首先通过底盘行车系统将自动卸货车运动到距集装箱合适位置，从顶层货箱开始作业，伸出气动吸盘抓取货箱将其拖到电动托辊组后切断吸盘动力，通过电动托辊组和续传机构将货箱运输到可后期加装的输送机上；每层动作完毕，调整承料盘和摇摆臂的角度到下一层由高到低作业。自动卸货系统的控制流程如图2所示。

图2 控制流程图

2 有限元静应力分析

有限元的基本原理是将整体模型分解成有限个小单元，小单元彼此连接，通过给每一个小单元假设一个近似值，从而推导出满足整体的条件，最终得到正确的解[3]。

2.1 齿轮静应力分析

自动卸货系统工作时，通过摆臂底座上的减速电动机带动齿轮，从而调整摇摆臂的角度，齿轮所承受的转矩比较大，所以对齿轮的强度要求很高。在工程领域中，通常齿轮传动的齿轮均为金属材料的软齿面齿轮，主、从动齿轮齿面的硬度差一般为30～50 HBS左右[4-5]。本课题主齿轮材料采用40Cr（调质），从动齿轮采用45钢（调质），两者硬度差约为40 HBS，符合齿轮传动齿轮材料选择的基本原则。

现针对齿轮副的一个啮合过程（即从主动齿轮齿根与从动齿轮齿顶接触，运动到主动齿轮齿顶与从动齿轮齿根接触的过程）进行静应力分析。以啮合过程中一个角度为例，首先将齿轮SolidWorks模型导入ANSYS Workbench中对其材料属性进行定义，如表1所示。

表1 材料属性

ANSYS中通过定义接触对传递动力来模拟真实传递情况。其中齿轮与齿轮间接触类型为无摩擦接触。由于扩展拉格朗日乘子法有良好的特性和灵活性，所以此方法也是最为常用的算法，在该分析中也采用了此方法[6]。设置完接触后对齿轮副进行网格划分，首先利用Workbench中的Designmodeler插件对齿轮进行切分，将两齿轮相接触的轮齿部分切分出来，对其单独进行网格加密处理，其他部分自动生成网格，这种处理方式可较大程度地提高求解速度和结果准确度。对切分后的轮齿部分采用六面体方法并且网格单元尺寸设置为4 mm，划分后共形成18 310个单元，48 346 个 节点，划分后的网格如图3所示。

图3 齿轮网格模型

对主动齿轮轴面施加圆柱约束，并使其具有周向自由度，施加需要传递大小为22 550 N·m的电动机转矩。对从动齿轮轴面施加固定约束。

定义完约束和载荷后即可对齿轮副的接触应力进行求解。由图4、图5可知，齿轮啮合过程中的应力分布主要集中于齿面接触处以及齿轮的齿根处。齿轮根部的应力集中将导致齿轮齿根处裂纹和断裂的发生，影响齿轮的工作寿命[7]。

图4 齿轮等效应力云图

图5 齿面应力分布图

按以上步骤将齿轮的一个啮合过程拆解为多个角度进行静应力分析，近似求解齿轮在一个啮合过程中的齿轮齿面接触应力变化，得到接触应力随主动齿轮角度变化的插值曲线（如图6）。由图6可知，齿轮副在一个啮合过程中其齿面接触应力呈现先上升、后下降的趋势，在主动齿轮转动15°左右位置时，齿面接触应力达到最大，为602.53 MPa。

图6 齿面接触应力变化曲线

齿轮许用接触应力公式如下：

式中：σHlim为接触疲劳极限，N/mm2；SHmin为接触强度最小安全系数；ZN为接触强度寿命系数。

经过查询，接触疲劳极限σHlim1=735 N/mm2，σHlim2=647 N/mm2，取接触强度寿命系数ZN1=ZN2=1，取接触强度最小安全系数SHmin=1。

经计算：

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

由图9可知齿轮的最大接触应力为602.53 MPa，小于齿轮的许用接触应力，无明显变形，故齿轮副的设计符合要求，满足齿轮的刚度要求。

2.2 摆臂机构静应力分析

利用SolidWorks软件对自动卸货系统进行建模，对自动卸货系统摆臂机构从最低点运动到最高点（如图7）进行静应力分析。

图7 摆臂机构极限位置

对摆臂机构进行简化，以最低位置为例将其SolidWorks模型导入ANSYS Workbench。材料选用系统默认的结构钢。定义完接触之后对模型进行网格划分，划分后共形成60 468个单元，118 037个节点，划分后的网格如图8所示。

图8 摆臂机构网格模型

利用SolidWorks软件对成效盘和货箱进行质量评估，得出其质量为436.591 kg，故在前位板施加4279 N方向向下的力，对摆臂底座的12个螺栓孔施加固定约束。

定义完约束和载荷后，对摆臂机构的应力进行求解，得出摆臂机构的应力云图和形变云图如图9、图10所示。再添加4个等效应力求解，分别得到摆臂底座、摇摆臂、前位板和拉杆的应力云图。

图9 摆臂机构应力云图

图10 摆臂机构形变云图

按以上步骤对摆臂机构从最低点运动到最高点的过程选取多个角度进行静应力分析，近似求解摆臂机构从最低点运动到最高点的应力变化，得到摆臂底座、摇摆臂、前位板、拉杆应力和形变随角度变化的插值曲线，如图11、图12所示。

图11 摆臂机构应力曲线

由图11、图12可知，底座为摆臂机构工作过程中所受应力最大的部件，最大接触应力为95.322 MPa。前位板为变形最大的部件，最大形变为3.83 mm，在可接受的范围之内，符合设计要求。

3 结语

本文以集装箱自动卸货系统为研究对象，对其结构进行了设计。对齿轮一个啮合过程和摆臂机构从最低点运动到最高点的工作过程选取多个角度进行静应力分析，得出相对应的插值曲线，通过分析结果与齿轮的许用接触应力比较验证，该设计有效可行，为仓储行业实现自动化卸货奠定了基础。

图12 摆臂机构形变曲线