运用三维软件优化设计行李分拣系统论文_黄林

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司 610100

摘要：目的：在相同载荷条件下寻求民航机场某种高效行李分拣系统的运输机构的最佳结构。方法：以科研项目的运输机构为例，利用PRO/E［1］、Admas［2］软件对其进行了仿真分析，结合检测单位的分析报告，并对分析结果进行对照研究。结果：运输机构需从以下三方面进行优化设计：机头和机尾的材料及加工工艺；机头和机尾的结构；运输机构需绷钢丝绳。结论：为此，采用精密铸钢工艺制造机头和机尾（材质：ZG310-570）；机头采用双面斜拉加强筋，机尾增厚装配部位工艺凸台；运输机构的组装增设一定预紧力的钢丝绳绷紧。

关键词：PRO/E；Admas；优化设计；运输机构

0 引言

行李分拣系统是民航机场重要的设备。其整个组成部份主要由：行李注入系统、行李输送系统、电器驱动系统、PLC控制系统等部分组成。其中，行李输送系统中的运输机构是此行李分拣系统的关键部件，其可靠性将直接影响该系统的应用性能。为此我们应用了相关的软件Adams对运输机构进行了仿真分析，并结合专业检测单位的测试结果，优化其设计方案，通过样机测试验证，确保此型行李分拣系统设备运行的可靠性。

1 运输机构简介

运输机构是民航机场某种高效行李分拣系统的关键部件之一，由若干个运输机构连接成环状后，用于承载行李，通过滚轮在钢轨上运行，将行李送往预先设定的出口滑槽。它主要由三部分组成：机头、机身及机尾。机头和机尾零件开模成型，机身由铝合金挤压成型。机头和机尾零件分别嵌入机身型材内腔，用螺栓螺母紧固。

2 故障现象

过去运输机构在运行过程中经常出现机头、机尾断裂，给此高效行李分拣系统的使用造成了重大影响，为此引起我们研发人员的高度重视，认真去思考解决方案。

3 原因分析

我们采取了理论和实际相结合的办法来处理此事。一方面我们请相关专业检测单位对运输机构实物做了受力测试；另一方面我们也进行了理论计算和仿真分析。通过两者相结合，查明造成运输机构故障的主要原因有以下三方面：机头和机尾的材料和加工工艺、机头和机尾的结构、运输机构需绷钢丝绳。详细情况如下：

3.1 检测单位测力分析

3.1.1机头和机尾材质分析

表1

由表1可知：机头和机尾的材料是不符合标准要求的，考虑到实际使用情况，还应更换相应强度更好的材料。

3.1.2机头和机尾测力试验

由检测单位的测力机试验得到：机头和机尾的最大抗拉强度为69.8KN，即当外力超过此值时，将会发生机头和机尾断裂。而实际设计的运输机构总的承载负苛为80 KN，由此可知，原运输机构的设计不能满足使用要求。

初步分析，应改变机头和机尾的材料及加工工艺，推荐其材料为：ZG310-570，并采用精密铸钢加工工艺（注：原为压力铸造铝合金工艺）；另外，结构上将机头单面直筋改为双面斜筋，并加大机尾装配销孔处工艺凸台的厚度尺寸。

3.2 理论计算分析

运输机构主要受力零件为：机头、机尾、钢丝绳（增设，铺在车身型腔中，两端缠绕车头和车尾）。由于篇幅所限，且前面检测单位已对机头、机尾做了充分的力测试，得出了相关的结论。故现我们对需要增设钢丝绳的绷紧力值进行重点分析。

3.2.1 钢丝绳问题分析

运输机构增设钢丝绳后结构如图1所示，在此结构中，钢丝绳和螺栓都起到联接车头、车身、车尾三部分的作用，相当于对运输机构设置双保险的结构紧固措施，但在批量生产过程中需要对钢丝绳选取预紧力，过大会对运输机构零部件产生一定程度的破坏，过小会使运输机构结构松散，起不到应有的作用，为此需要对钢丝绳设置一个最佳预紧力，使得运输机构三部件之间不会松散，亦不会使其被拉坏，所以需要解决的问题是求出这个预紧力至少要多大。

图1

3.2.2 钢丝绳预紧力理论分析

要研究钢丝绳至少要多大预紧力，首先我们用最坏的情况来假设，就是螺栓全部失效，运输机构只受钢丝绳预紧力固定；那么钢丝绳预紧力为唯一阻止运输机构松动的力，如果预紧力不够大，则外力会克服预紧力做功，使得运输机构三个部件之间产生相对移动，从而使运输机构变得松散。因此，我们需要求运输机构所受的外力的极大值。

所以我们需要分析出这些轨道上的运输机构，在什么情况下会受到最大外力的作用。因此要求得到运输机构所受的最大外力，首先要知道运输机构的运动形式。下面以科研项目的运输机构案例分件如下：

运输机构每台长1.25m，排满在365m的轨道上，共292台，运输机构两两之间相互使用铰链连接，轨道内安装有直线电机作为动力源，一共22台，轨道上只有在动力源驱动点的运输机构会被驱动。当运输机构朝某一个方向运动的时候，由于轨道上的运输机构同时被这些动力源在驱动点所驱动，所以我们可以将轨道划分为22段，每一段的起止位置为相邻的动力源驱动点，在理想的情况下，每一段最末端的运输机构，是和下一段第一台运输机构的速度以及加速度是一样的，它们互相之间没有力的作用，也就是说每一段运输机构都是独立的。因此，我们可以提取出任意一段运输机构来研究，每段运输机构只有第一台运输机构受到驱动力的作用，后面的运输机构是被它牵引而运动。所以第一台运输机构所受的外力必然是最大的。而这个外力，在不加载荷的状态下，就是第一台运输机构对后面运输机构的牵引力。所以求最大的外力，也就是求在驱动点位置运输机构受到的拉力（对此段后面所有运输机构的牵引力）。

3.2.3 运输机构拉力计算分析

根据能量守恒的原理，直道和弯道基于能量的分析结果是一样的，因此我们这里可以用直道来代替弯道，，使得计算更为简便，已知运输机构段只有两种情况，第一种是包络在弯道的运输机构段，另一种是只分布在直道的运输机构段。所以在运输机构的受到的拉力也有两种情况，根据运输机构的分布和数量可以列出方程。

直道：式（1）

弯道：式（2）

其中，m为一个运输机构连同翻转机构总质量，a为运输机构加速度，为在弯道运输机构所受到的侧向摩擦力，为每个运输机构由重力产生的摩擦力，弯道段最大拉力在，，时存在，直道段最大拉力在，时存在。直道中的拉力为直道倒数第1台运输机构所收到的拉力，弯道段中的为弯轨中倒数第二台运输机构所受到的拉力。

显而易见，弯道段运输机构的最大拉力是大于直道段运输机构的最大拉力的。所以问题简化为求弯道段的最大拉力，也就是求出当时，式（2）中的。中的未知项为第二项，也就是侧向摩擦力部分，图2中为弯道中运输机构的受力情况，为运输机构所受前面运输机构的拉力，为运输机构所受后面运输机构的拉力，，，分别为和的相对于运输机构与弯道接触点的法线方向的矢量力分解：

为这个运输机构的侧向摩擦力，为运输机构的离心力。由于运输机构是紧贴内表面的，因此可以求出摩擦力为：

式（3）

式中：为摩擦系数，为运输机构质点运动在此点的曲率半径，为运输机构此时的速度。

式中：F1 =sin20°.F F =Ti 式（4）

F'1 =sin20°.F' F' =Ti-1 式（5）

将式（3）、式（4）和式（5）带入式（2）中化简可得到：

式（6）

由动力学理论可以得出进入轨道第一个运输机构所受的拉力

式（7）

从式（6）中可以知道：要得到的结果，需要知道和的数据，并且当最大时，加速度取最大值，速度取最小值。

图2

由已知的速度和时间的关系，导入Matlab进行多项式曲线拟合，得到：

图3

Goodness of fit：

SSE：17.51

R-square：0.9921

Adjusted R-square：0.9921

RMSE：0.03993

如图3，横轴为时间，单位为，纵轴为速度，单位为，其中R-square值为拟合和方差，大于0.99，因此拟合曲线可以信耐。

其中R-square值为拟合和方差，大于0.99，因此拟合曲线可以信耐。

由速度和时间的函数关系得出：

Linear model Poly7：

式（8）

p1 = -1.798e-34 （-2.311e-34，-1.286e-34）

p2 = 6.4e-29 （4.424e-29，8.376e-29）

p3 = -8.069e-24 （-1.11e-23，-5.033e-24）

p4 = 3.148e-19 （7.848e-20，5.512e-19）

p5 = 1.989e-14 （1.008e-14，2.971e-14）

p6 = -2.486e-09 （-2.694e-09，-2.277e-09）

p7 = 0.000101 （9.903e-05，0.000103）

p8 = -0.07402 （-0.07998，-0.06805）

为运输机构加速度，最大加速度当时间

x =3.6732e-05 式（9）

fval =-1.0100e-04 式（10）

式子的单位换算为

即当 t=3.6732e-05的时候，取得最大值0.101，此时的速度几乎为0。

可以将此将时间和加速度取上面这两个值，带入式（6）中，设滚动摩擦因数为，通过迭代运算，可以求得：

式（11）

式（12）

式（13）

即当滚动摩擦因数为时，最大拉力为。可以知道，侧向摩擦力对最大拉力影响很小，运输机构压力产生的摩擦力却对拉力影响很大，已知实际拉力为470N，此时可以将侧向摩擦力作为常值带入，求得实际的滚动摩擦因数。得到运动方程

式（14）

其中：是弯道最大摩擦力；为驱动力；为运输机构数量，带入数据

可得到：，已知可求出第一个运输机构所受到的拉力：

式（15）

式（16）

得出的作为拉力，带入弹簧机构模型，就可以得到运输机构钢丝绳的受力图。

3.3 三维软件仿真分析

3.3.1 模型1的建立

三台运输机构模型1如图4所示，模型1轨道建立为直轨道模型，模型1中建立三台运输机构，后17台运输机构的质量加载在第三台运输机构上，其中车头为铸钢材料，其他部件按实际对应的材料添加。由于软件里的摩擦只是轮子和钢轨之间的滚动摩擦，不能体现实际的摩擦损耗，需要额外增加阻力F1，使运行时运输机构的加速度在0.1m/s2，通过计算得出：

式（17）

模型1建立的目的是为了计算第一台运输机构车尾所受拉力。

图4

仿真后得到：计算出车尾处受力T的平均值为461N。由于得到的结果（461N）大于理论值（447.65N），分析其原因可以知道，在模型1中，车轮与车轨的滚动，其摩擦力很小，系统需要达到0.1m/s2加速度，第一台运输机构的摩擦力被加入到T中体现，而一台运输机构的摩擦力：

式（18）

式（19）

其中△F为除去第一台运输机构的实际拉力与理论值接近，所以T取446N，作为模型2的车尾处拉力。

3.3.2 模型2的建立

在知道运输机构所受最大拉力后，我们可以将其模型缩小如图5所示，在Adams中导入一台运输机构的模型，并加入弹簧，与模型1不同，模型2定义的车身与钢轨的滑移副而不是直接定义接触副，这种方法有利于减小多个接触物体间的无规律干扰，使结果更为准确。模型2中以弹簧力来模拟钢丝绳拉力，给弹簧施加不同预紧力来观察的弹簧受力变化并确定使运输机构在运行中结构达到稳定状态的最小力，这个力就是所需弹簧的最佳预紧力。