新型连杆压紧货架式运输固定机构设计分析

新型连杆压紧货架式运输固定机构设计分析

马逢全

身份证：312430198210061015

摘要：随着机械制造工业的迅速发展，机械设备的智能化、自动化程度越来越高，自动化生产线与装配系统的应用也越来越多，其中最重要的就是物流运输。物流运输系统中，由于货物的种类和数量越来越多，对其安全、可靠、快速、高效运行提出了更高的要求。自动化物流运输系统中，货叉/小车需要在流水线上完成货物从起始位置到终点位置的移动，即货物移动。目前大多数物流运输系统中采用人工驾驶或自动驾驶方式进行货物移动，存在成本高、效率低等缺点。为了解决这些问题，本文提出了一种新型连杆压紧货架式运输固定机构，该固定机构采用四连杆结构设计，在货叉上配备连杆装置与压紧块连接，形成固定结构。当货叉离开输送带时，压紧块与货叉之间产生压紧力，实现货叉与小车之间的固定。同时在小车运行时，压紧块与小车之间产生摩擦力，实现小车的稳定运行。

关键词：货物固定；连杆；压紧机构

   随着工业化进程的不断发展，物流运输行业也得到了快速的发展，尤其是近几年自动化物流运输系统的应用越来越广泛。传统物流运输系统中，需要人工驾驶或者自动驾驶方式完成货物移动，人工驾驶的效率较低，成本较高，自动化程度较低；而自动驾驶存在很多问题，如安全隐患、工作效率低下等。该机构采用四连杆结构设计，通过在货叉上配备连杆装置与压紧块连接形成固定结构；通过在小车上安装传感器等装置实现对货物位置的实时监控；采用自动驾驶方式实现小车的稳定运行。该机构具有结构简单、成本低、效率高等特点，能够提高货物移动的稳定性和安全性。目前该机构已应用于多个物流运输系统中，解决了人工驾驶效率低、成本高等问题。

1.机构介绍

在自动化物流运输系统中，货物移动通常由小车和货叉完成，为了提高货物的稳定性，一般将小车安装在货叉上，使用四连杆结构实现货物的稳定移动。四连杆结构具有以下优点：（1）提高货物移动的稳定性和安全性，四连杆结构通过在货叉上配备连杆装置与压紧块连接形成固定结构，利用四个连杆实现了对货物的固定和支撑；（2）提高车辆行驶的稳定性和安全性，在小车上安装传感器等装置实现对货物位置的实时监控，从而控制货叉进行精准定位，保证货物的稳定移动；（3）降低了人力成本，货叉上配备连杆装置与压紧块连接形成固定结构，不需要再使用人工进行操作，节约了人力成本。该机构包括连杆装置、压紧块、货架、小车、传感器等部件。其中压紧块和货架通过铰链连接固定在货叉上，压紧块内部设有压紧块螺栓和连杆螺栓等部件，这些部件通过连杆机构连接在一起形成了固定结构；货叉上配备有四个压紧块和一个货架，四个压紧块分别位于四个货叉上，货架通过铰链与货叉相连形成固定结构。

1.1工作原理

在实际应用中，货物由小车运输到固定位置后，通过连杆装置与固定结构连接，形成货物与固定结构之间的固定连接；小车由自动驾驶系统控制，小车与固定机构之间通过无线通讯实现信息传输，实现自动驾驶的目的。具体工作原理如下：1)将固定结构安装在货叉上，通过连杆装置将货叉与压紧块连接成整体结构；2)将货叉、连杆装置安装在小车上，通过无线通讯方式将小车和固定结构连接起来，实现信息的传输；3)当货物由小车运输到固定位置后，固定机构通过连杆装置与货物进行连接；4)压紧块内的弹簧通过压缩行程产生压缩力，将货叉与压紧块连接在一起，当货叉压紧时，弹簧将货叉与压紧块连接在一起形成一个整体结构。为了进一步提高机构的稳定性和可靠性，将压紧块安装在连杆上。在实际应用中，为了减小压紧块的应力集中现象，降低疲劳破坏风险，压紧块由四个方向上均具有一定厚度的钢板制成。由于连杆上的螺栓和螺母具有较高的强度和硬度，且连杆相对于压紧块可以做得很薄，因此连杆的刚度和强度足够满足压紧的要求。在实际应用中需要注意保证连杆装置与固定结构的连接强度足够满足压紧需求。

1.2结构分析

本文介绍的新型连杆压紧货架式运输固定机构，是一种将传统的四连杆结构与货架式的固定方式相结合的新型货架式运输固定机构，通过在货叉上配备连杆装置与压紧块连接形成固定结构，货叉上设有2个连杆装置，通过连杆与压紧块连接形成四个桁架结构。货叉通过在桁架结构上进行移动，使得货叉能够在不同的位置进行升降。当货叉上升时，压紧块被弹簧压紧；当货叉下降时，弹簧被拉伸。货叉叉体和压紧块通过两个销轴连接在一起，销轴上设有2个限位孔，以保证在运动过程中货叉不会产生位移。在小车行走时，货叉通过弹簧固定在小车上，货物通过连杆与压紧块连接形成固定结构，使得小车能够按照既定路线进行行驶。

2.机构设计方案

本文所设计的新型连杆压紧货架式运输固定机构，主要由四个连杆和压紧块组成。在四个连杆之间，安装有一组杠杆机构，通过杠杆机构可以调节压紧块与货叉之间的距离，进而调节货物在货架上的位置。本文所设计的新型连杆压紧货架式运输固定机构的主要作用是：当货叉离开输送带时，货叉与压紧块之间产生压力，将货叉固定在货架上；当小车运行时，压紧块与小车之间产生摩擦力，实现小车的稳定运行。在该机构中，由于货叉与压紧块之间的距离固定在一定范围内，所以该机构不需要在货叉上安装限位装置。但考虑到结构的复杂程度和安全性等因素，本文采用连杆机构的形式来实现对货叉与小车之间距离的调节。即连杆机构主要由三个杆件组成：连杆1、连杆2、连杆3。其中，连杆1、连杆2是由两个销轴连接并固定在一起；连杆3与杆2之间通过销轴连接并固定；杆件2通过连接螺栓与螺母固定在一起。该结构的主要优点是结构简单、传动可靠、制造容易且成本较低。

2.1连杆

连杆1、连杆2、连杆3的主要作用分别是将货叉与小车之间的距离调节到一定范围内，且连杆1、连杆3之间的连接销轴的长度应符合一定的要求。同时，连杆1和连杆2之间连接销轴需要保证一定的刚性，从而保证货叉在运行过程中不会产生移动和晃动。因此，在进行设计时，需考虑到以上因素对连杆结构的影响。根据以上要求，本文选取具有较高强度和刚性的材料作为连杆结构的主要材料。为方便计算，本文取两个销轴作为连杆1、连杆2、连杆3之间的连接销轴。在实际生产中，若销轴采用碳钢材料，则需要对其进行热处理来消除其冷作硬化现象。热处理后的销轴由锻件加工而成，其直径为14mm。

2.2压紧块

压紧块是在货叉与压紧块之间，增加了一道支撑的结构。压紧块通过螺栓与货叉连接，并通过压紧块上的销轴与连杆固定。压紧块安装在货叉的头部，其形状为圆柱体。为了保证货叉与压紧块之间的距离在一定范围内，压紧块的长度应尽量短，而长度过短将会导致压紧块与货叉之间的摩擦力较小。因此，需要对压紧块的长度进行设计。本文以压紧块长度为100mm为例进行分析。考虑到压紧块的长和宽尺寸均大于货叉直径，因此其总长度为100mm，宽度为50mm。其中，压紧块与货叉之间的间隙为10mm，为了保证小车在运行时压紧块端部始终与货叉保持一定距离，需要设计一套机构来保证其距离在10mm~100mm之间。根据上述分析可知，为了使货叉能够正常运行，压紧块与货叉之间的距离应该尽量短；而要保证小车能够正常运行，则需要设计一套机构来保证距离在10mm~100mm之间。考虑到制造成本、使用寿命以及结构简单等因素，本文最终选择了以下三种方案：一是将压紧块设计成圆形；二是设计一套压紧块与货叉之间的间隙为10mm；三是设计一套压紧块与小车之间的间隙为10mm。

2.3杠杆机构

在该机构中，当连杆1与连杆2之间通过销轴连接时，连杆1与杆2之间也通过销轴连接；当连杆3与杆3之间通过销轴连接时，连杆3与杆2之间也通过销轴连接。在实际应用中，为了方便安装、拆卸，将连杆3设置为两个销轴。由于连杆3与杆件2之间通过销轴连接，因此当杆件2向外移动时，如果货叉与压紧块之间的距离发生变化，则需要改变连杆3与杆件2之间的连接方式。因此在设计中，需要将连杆3设置为两个销轴。其中，杆1通过两个销轴与连杆1进行连接；杆2通过一个销轴与连杆3进行连接。这样可以减少不必要的操作步骤。

3.结构尺寸及重量计算

货叉长度为3m，宽度为1m，高度为1m；小车长度为6m，宽度为1.5m，高度为2m。根据《GB/T4251-2016自动化立体仓库设计规范》规定，仓储货架的总高度可采用1.70~1.95m。综合考虑各方面因素，确定货架的总高度为1.50~1.95m。选择货叉的重量作为本设计中的主要部分。考虑到制作成本和运输成本等因素，通过有限元计算软件进行计算得到各部件所需的重量。因此货叉和小车所需重量分别为：0.66~0.95kg、0.29~0.33kg。压紧块、连杆等部件在设计时需要考虑其强度和刚度，其中压紧块最大抗弯强度不小于815MPa、最大抗压强度不小于448MPa；连杆最大抗弯强度不小于730MPa438MPa；其他零部件设计时需要考虑其强度和刚度。通过有限元分析软件进行仿真计算，得到各零部件所需重量：压紧块重量为0.58kg、连杆重量为0.52kg、连杆与压紧块连接处的橡胶垫重量为0.28kg。压紧块重21.98kg、连杆重28.96kg、连杆与压紧块连接处橡胶垫重16.12kg；其他零部件所需重量为0.65kg。因此，本设计中压紧块的重量为25.44kg，连杆的重量为24.4kg，橡胶垫的重量为8.23kg，连杆与压紧块连接处橡胶垫的重量为16.4kg。

4.受力分析

由于本文研究的是四连杆结构，所以将四连杆视为一个整体，货物在离开货叉后，货叉受到的重力和摩擦力均小于小车的重力和摩擦力。由于货叉与小车之间有滑道，故摩擦力远大于重力和摩擦力。此时如果施加一个较大的力使小车停止移动，那么可以得出：（1）在满足小车与货叉之间的距离小于等于两个滑道的间距时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动；（2）在满足小车与货叉之间的距离大于两个滑道间距时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动；（3）在满足小车与滑道之间距离大于两个滑道间距时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动。

4.1静摩擦力

根据静摩擦力的定义，可知静摩擦力与物体的质量、接触面的粗糙程度、静摩擦系数有关。在小车与货叉之间存在一条滑道，该滑道与货叉之间没有接触。当小车与货叉受力方向相同时，小车受到的摩擦力最大，对于四连杆结构，当货叉和小车之间有一个很小的接触面时，则可以根据力的合成定理：F=ma得出：F=ma,m为连杆长度。

4.2静摩擦力与作用力的关系

静摩擦力是一个大小与受力物体的质量成正比的力，与距离成反比。在本文中，由于小车与货叉之间没有滑道，因此只有在小车移动过程中才有静摩擦力。假设在小车与货叉之间距离为d，且当小车移动速度为v时，两个滑道间距为a，此时可以得出：（1）当小车移动速度v=2×d/a时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动；（2）当小车移动速度v=3×d/a时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动；（3）当小车移动速度v=5×d/a时，可以产生一个很大的静摩擦力使小车停止运动。由以上分析可知，由于滑道间距较小且两个滑道间存在着一定的间隙，所以可以在距离较小的滑道间产生一个很大的静摩擦力。为了验证上述分析的正确性，我们用数值模拟软件对小车与货叉之间的距离进行模拟计算。取滑道间距为a=3×d/a=0.8m。当小车移动速度为v时，滑道间距为a=1m。

5.强度校核

连杆压紧货架式运输固定机构中，货叉的压紧块与小车之间通过连杆相连，在连杆机构的设计过程中，需要考虑到强度的校核。根据各零部件的受力情况，并结合所选材料的屈服极限和拉伸极限，对整个结构进行强度校核，确保整个结构强度满足使用要求。得到以下几点结论：（1）当压紧块与货叉之间存在法向压力时，当压紧块的质量为105.75kg时，最大压紧力为29974N。此时连杆机构能承受的最大载荷为29974N。（5）该连杆压紧货架式运输固定机构能够满足使用要求。通过对整个结构进行校核计算可知，当压紧块与小车之间存在法向压力时，货叉在最大载荷下发生形变，不会影响整个结构的稳定性；当连杆机构与压紧块之间存在法向压力时，连杆机构发生形变但不会影响整个结构的稳定性。同时在压紧块与小车之间存在法向压力时，在施加载荷后也不会影响整个结构的稳定性。

5.1设计依据

从上述设计说明和结构分析可知，连杆压紧货架式运输固定机构可以将货物通过货架固定在车架上，但在运输过程中会发生一些不稳定因素。针对这一问题，对传统的运输固定机构进行了改进设计，使用新型的连杆压紧货架式运输固定机构。该机构结构简单，布置灵活，可以对货物进行更好的保护。此外，该机构可以与整车一起使用，增加了整车的空间利用率。根据《GB/T6753.1-2009汽车零部件金属材料和热处理》中规定的“压紧块”、“拉杆”和“固定架”的要求，选取连杆材料为Q235-A；根据《GB/T6753.2-2009汽车零部件金属材料和热处理》中规定的“拉杆”和“固定架”的要求，选取拉杆材料为Q235-A；根据《GB/T6753.4-2009汽车零部件金属材料和热处理》中规定的“压紧块”和“拉杆”的要求，选取压紧块材料为Q235-A；根据《GB/T6753.5-2009汽车零部件金属材料和热处理》中规定的“压紧块”和“拉杆”的要求，选取压紧块材料为Q235-A。

5.2技术参数

通过对现有货叉的研究分析，结合目前常用的货叉结构，设计一款新型连杆压紧货架式运输固定机构。该机构主要由压紧块、连杆、小车、货叉四个部分组成。其中，货叉和小车是主要的受力部件，连杆和压紧块是主要的受力部件。（1）连杆与压紧块之间通过铰接点连接，为了方便研究，将其简化为两个零件组成的连杆机构。（3）压紧块与货叉之间的连接为三点式连接，在工作时，三点式连接通过连杆进行固定。（4）小车是主要的受力部件，在工作时，小车的两个车轮分别固定在货叉上并与货叉通过连杆进行连接。（5）其结构主要由前后车门、车顶、行李箱和尾门组成。前车门与后车门通过铰接点进行固定；车顶通过固定在车身上的拉杆与尾门相连；行李箱通过固定在车身上的拉杆与尾门相连；尾门通过固定在车身上的拉杆与后车门相连。其中，货叉与小车之间是通过铰接点连接，货叉和小车之间是通过连杆进行连接。在工作时，货叉和小车之间是通过铰接点进行固定的。

5.3产品特点

（1）该机构不需要对叉车进行重新安装，可直接使用叉车在工厂进行安装和调试，减少了制造成本；同时，采用液压系统的操作方式，便于操作和维护。（2）该机构主要由压紧块、连杆机构和小车组成，其主要的作用是在货叉与小车之间施加法向压力。其中，压紧块采用了优质的铝合金材料制作，其表面进行了阳极氧化处理。同时，在货叉与小车之间还设置了加强板。这样就有效地避免了压紧块和小车之间由于距离过小而产生的运动干涉，保证了整个机构的稳定性。（3）该机构采用了液压系统的操作方式，可实现在不需要对叉车进行重新安装的情况下直接对货叉进行加载、卸载和制动。同时，采用液压系统还可以实现对整个机构的实时监控。（4）该机构通过连杆机构将货叉和小车相连，实现了货叉与小车之间的位置变换和方向变换，使货叉可以在各种复杂工况下工作。（5）该机构采用液压缸作为驱动源，在不需要对叉车进行重新安装的情况下就可以实现货叉与小车之间的位置变换和方向变换，使叉车的工作效率得到极大提高。

结束语：
综上所述，本文主要从以下几个方面进行了分析：1)对货物移动过程进行分析，得到货物在整个过程中的受力情况。2)根据结构分析得到货叉与小车之间的受力情况本文通过设计新型连杆压紧货架式运输固定机构，提高了货叉/小车在物流运输系统中的稳定性和可靠性，为以后的物流运输提供了新的方法和思路。

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