鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統設計

汪正義，劉 飛，趙有國，馬玉坤

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司運輸及經濟研究所，北京 100081；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司貨運部，遼寧 沈陽 110000)

目前我國鐵路運輸糧食、化肥等成件包裝貨物仍以鐵路棚車為主，在運輸、倉儲等物流環節中需要對貨物進行多次倒裝作業。與國外發達國家相比，我國鐵路成件包裝貨物裝卸機械有著較大差距，存在設備適應性差、自動化及智能化程度低等問題，需要配備一定數量的人工進行裝卸。裝卸人員需要克服作業環境惡劣、勞動強度大且高重復性的作業條件，導致年輕人員從業意愿低、招工困難，作業人員老齡化嚴重，尤其是鐵路貨運人員，平均年齡達45 歲，每年凈流失4 000 人，人力資源不足。倒裝作業存在作業方式落后、作業效率低下、人工成本高、貨損貨差等問題，影響著鐵路運力的進一步釋放和貨運服務質量的提升[1]。集裝箱運輸是打通全程運輸各環節、提高裝運效率、解決“最后一公里”問題的有效手段。相比采用棚車裝運成件包裝貨物，集裝箱裝運成件包裝貨物可以有效避免多次倒裝，減少貨損貨差，更有利于機械化、智能化裝卸作業，提升車輛運轉效率[2]。因此，研究鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統(以下簡稱“智能裝卸系統”)，不僅可以提升裝卸作業效率，還可以擴大進箱貨物品類，對集裝箱運輸發展具有重要意義。

1 鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統總體方案設計目標和設計要求

1.1 設計目標

智能裝卸系統適用于裝卸集裝箱內成件包裝貨物，用于具有集裝箱作業的貨運站、物流園區、集裝箱中心站、專用線及企業作業場。結合常用的皮帶傳輸裝置，可以實現成件包裝貨物由汽車、堆場和庫房等裝至集裝箱內，也可以由集裝箱內卸至汽車、堆場和庫房內。智能裝卸系統需要達到以下設計目標。

（1）安全。暴露在外的運動構件需要配以防護網，容易造成人身傷害的部位需要配備安全聯鎖裝置或實施遠距離操縱。電氣元件、導線的規格和安裝需要符合安全標準。另外，為了保護設備，還應設置保險銷、安全閥等過載保護裝置以及紅燈、警鈴等警示裝置。

（2）可靠。在預定的使用期限內不發生或極少發生故障。大修或更換易損件的周期不宜太短，以免經常停機影響生產。

（3）適用范圍廣。智能裝卸系統主要應用于集裝箱成件包裝貨物裝卸，需要進入集裝箱內工作，因而其外形尺寸、作業環境溫度、設備最大允許質量及走行輪壓需要滿足集裝箱相關要求。此外，其工作對象應包括常見的袋裝、箱裝成件包裝貨物[3]。

1.2 設計要求

智能裝卸系統需要對集裝箱內的成件包裝貨物進行裝卸作業，根據其工作場景以及工作對象，分析設計要求。

（1）智能裝卸系統作業效率。智能裝卸系統主要是為了實現成件包裝貨物在集裝箱與汽車、堆場、庫房內的裝卸，為了滿足現場作業要求，提升作業效率，因此設定智能裝卸系統在連續作業時，平均5 s完成1件成件包裝貨物的裝卸。

（2）智能裝卸系統最大外形尺寸。智能裝卸系統與集裝箱規格和貨物規格密切相關，其中鐵路通用集裝箱為ISO 標準20 ft 和40 ft。集裝箱門開口、內寬尺寸與智能裝卸系統總體方案密切相關，根據集裝箱尺寸[4]，智能裝卸系統最大高度不超過2 350 mm，最大寬度不超過2 330 mm。

（3）成件包裝貨物最大允許尺寸及質量。鐵路成件包裝貨物品類繁多，但包裝形式大致可以分為軟包裝、半硬包裝及硬包裝，主要以袋裝和箱裝為主。根據《糧食銷售包裝》和《水泥包裝袋》可知[5-6]，袋裝貨物最大質量不超過50 kg，長度一般不大于800 mm。箱裝貨物尺寸種類繁多，分郵政標準紙箱和企業自備紙箱，企業自備紙箱一般由生產企業根據貨物形狀自行設計。按照《機械設計手冊》第42 篇“造型設計”和人機工程中人的肌體用力限度可知，手的拉力不超過567 N、提力不超過400 N(從地面算起高度0.8 m)，考慮到單人連續裝卸，預計箱裝貨物質量不超過50 kg，長度不超過800 mm。由此可知，智能裝卸系統應滿足質量不超過50 kg、最大長度不超過800 mm的成件包裝貨物裝卸。

（4）智能裝卸系統作業環境溫度。按照《鐵道貨車通用技術條件》3.1 條款可知，貨車應能適應-40 ℃～+40 ℃運用環境溫度。集裝箱裝卸作業環境與貨車運用環境條件一致，裝卸作業環境不應小于該范圍，考慮到更大范圍的適用性，智能裝卸系統設定允許作業環境溫度為-40 ℃～+80 ℃。

（5）設備最大允許質量及走行輪壓限制。智能裝卸系統需要在集裝箱內部行駛，集裝箱箱底需要承受設備產生的集中載荷，為保證裝卸作業后集裝箱底部的完整性，需要對設備自重或者載重進行限定。按照《系列1集裝箱技術要求和試驗方法第一部分：通用集裝箱》中對集裝箱底部強度試驗要求可知[7]，使用1輛輪胎式試驗車輛進行試驗，后軸負荷為5 460 kg，每個車輪與箱底面的接觸點應在185 mm×100 mm所形成的矩形范圍內，每個車輛與底板的接觸面積不得超過142 cm2，輪胎寬度為180 mm，輪距為760 mm。因此可知，智能裝卸系統走行機構為兩軸設計時，單軸質量不得超過5 460 kg，輪距不小于760 mm，輪胎寬度不小于180 mm，輪胎與底板接觸面積不得小于142 cm2。

綜上所述，智能裝卸系統具體技術目標設計要求如表1所示。

表1 智能裝卸系統具體技術目標設計要求Tab.1 Design requirements for specific technical objectives of intelligent handling system

2 鐵路集裝箱成件包裝貨物智能裝卸系統總體方案及組成部分

2.1 總體方案

智能裝卸系統由人工輔助操控，通過機械臂及夾持裝置，配合皮帶機完成成件包裝貨物的堆碼、卸貨工作[8]。總體方案系統主要由機械主體結構、機械臂、末端執行機構(夾持裝置)、傳輸裝置、人工輔助操作臺和控制系統組成，可以按不同的物料包裝、質量、工序、裝卸要求進行參數設置，實現成件包裝貨物的碼垛、拆垛裝卸作業。智能裝卸系統總體方案示意圖如圖1所示。

圖1 智能裝卸系統總體方案示意圖Fig.1 General scheme of intelligent handling system

2.2 組成部分

（1）機械結構主體。機械結構主體為傳輸裝置的支撐件，同時也為機械臂及夾持裝置的基座。通過對機械主體結構的合理設計，可以將傳輸裝置、氣動源元件、驅動電機等設計為機械臂基座的一部分。利用主體結構上部框架結構的移動，可以有效縮短機械臂長度、降低機械臂自重、提高機械臂承載，實現機械臂的高負載/自重比。

（2）機械臂。碼、拆垛機械臂以人的手臂為原型進行仿生設計[9]，主要包括機械臂本體結構和控制柜，通過預設好的路徑對箱裝貨物進行抓取、搬運、裝配等操作，通過人機交互系統，由工作人員實時操控對袋裝貨物進行抓取、搬運、裝配等操作。機械臂的設計則采用CAD 和FEM 有限元技術進行結構上的優化，使其具有比較強的抗震能力和機械性能。采用基于PC 的開放式控制系統，更有利于機械臂運行平穩、快速和準確。

（3）夾持裝置。集裝箱裝卸環境下，夾持裝置以側面或頂面抓取的方式進行成件包裝貨物裝卸[10]。大部分鐵路運輸成件包裝貨物為袋裝或箱裝，在實際裝卸過程中，無法依靠一種夾持裝置完成所有工作，因而，應設計合適的夾持裝置，最大化滿足裝卸需求。相比機械式夾持裝置，吸附式夾持裝置除了能實現機械式夾持裝置的碼垛功能外，還具有拆垛功能，而且更能適應多形狀包裝[11]。為最大化滿足裝卸需求，夾持裝置采用吸附式[12]。考慮到成件包裝貨物中袋裝貨物具有變形量大、規格不一的特點，將夾持裝置設計為多吸盤分散式結構，以增加成件包裝貨物規格的適應性。

（4）傳輸裝置與人工輔助操作臺。傳輸裝置采用傳統的皮帶機結構，根據裝卸工況，可以與其他傳輸機構配合使用。人工輔助操作臺主要用于袋裝貨物的裝卸，通過人機交互系統，采用人工輔助方式，實現對貨物的自動吸附、起升、搬運和釋放，完成貨物的碼垛及卸垛作業。

（5）控制系統。控制系統主要由主控制器、從控制器和用戶終端等組成，主控制器與從控制器之間采用實時通信，主要控制智能裝卸系統的運動狀態以及夾持裝置的動作[13]。

3 夾持裝置設計計算

夾持裝置作為智能裝卸系統最重要的執行“元件”，無論是裝箱還是卸箱作業，夾持裝置所需要的動作是一樣的，通過對貨物吸附—起升—搬運—釋放動作的不斷循環，完成裝、卸箱作業。

3.1 功能原理

根據夾持裝置的動作要求，設計氣動系統原理圖如圖2所示，氣動系統元器件明細如表2所示。在真空回路中，真空減壓閥用于將起源的壓力降到較低的穩定值向系統供氣(由于減壓閥處于真空管路中，因而使用真空減壓閥)。真空泵處于工作狀態時，利用機械臂將真空吸盤移至貨物上方，通過電磁閥將真空吸盤與真空泵回路聯通，當真空壓力達到真空開關設定壓力時，開關處于接通狀態，發出電信號指揮真空吸附夾持結構及機械臂執行下一步動作。1 個真空吸盤配置1 個止回閥，止回閥可以防止未接觸貨物的吸盤或者突然脫離貨物的吸盤對其他真空吸盤造成影響，能有效降低真空管路泄漏量，確保吸盤正常工作，并且內置濾網，能夠有效保持真空回路的空氣清潔度。將貨物移動至相應位置后，通過操作電磁閥，將真空泵與吸盤回路斷開，吸盤內的真空狀態失效，使貨物脫離吸盤。

圖2 氣動系統原理圖Fig.2 Principle of pneumatic system

表2 氣動系統元器件明細Tab.2 Details of components of pneumatic system

3.2 真空吸盤及吸附所需真空度

真空吸盤是真空系統中的執行元件，考慮到貨物表面不平整、彎曲和傾斜，同時在吸附貨物的過程中有較好的緩沖性能，宜選用波紋型(風琴型)吸盤。吸盤的理論吸吊力是吸盤內的真空度p與吸盤的有效吸著面積A的乘積，吸盤的實際吸吊力除了應考慮被吸吊工件的質量及搬運過程中的運動加速度外，還應給予足夠的余量(安全系數)，以保證吸吊的安全。裝卸、搬運過程中的加速度應考慮啟動加速度、停止加速度、平移加速度和轉動加速度(包括搖晃)。

針對面積大的吸吊物、重的吸吊物、有振動的吸吊物或要求快速搬動的吸吊物，為防止吸吊物脫落，通常使用多個吸盤進行吸吊，這些吸盤應合理配置，以使吸吊合力作用點與被吸吊物的中心盡量靠近。

由上述氣動系統描述可知，采用n個同一直徑D的吸盤吸附物體，則吸附所需真空度可以按下式選定。

式中：p為吸盤真空度，MPa；W為吸吊物的重力，N；ns為安全系數；D為吸盤直徑，mm；n為吸盤數量，個。

當安全系數取為4，吸盤數量為6 個，吸吊物重為500 N，預選吸盤直徑為80 mm，則吸吊所需真空度計算結果為0.066 MPa。選用真空度為92%的真空泵可以滿足使用要求。夾持裝置示意圖如圖3所示。

圖3 夾持裝置示意圖Fig.3 Clamping device

3.3 氣動元件計算和選型

（1）真空泵。真空泵除了真空度需要滿足要求外，還需要考慮抽氣速率和真空度響應時間，可以根據以下公式進行計算。

式中：S為真空泵抽氣速率，L/s；V為真空室容積，L；t為達到真空度所需時間，s；p1為初始壓強，Pa；p2為要求壓強，Pa。

考慮成件包裝貨物裝卸效率，將響應時間設置為1 s，真空室容積主要影響因素為真空吸盤體積，另外考慮管路體積，粗略估計為0.02 L，初始壓強為101 kPa，要求壓強為66 kPa，則真空泵抽氣速率計算結果為0.008 5 L/s。在不考慮空氣泄露的情況下，抽吸速率大于31 m3/h 的真空泵即可滿足要求。考慮到可能的空氣泄露和更高的作業效率，選取抽吸速率為67 m3/h的真空泵。

（2）真空電磁換向閥。真空電磁換向閥聯通管路中的壓力低于大氣壓，最基本的要求是保證連接的高度密封性，按照空氣壓力可以分為低、中、高、超高真空換向閥。真空電磁閥通過交流或者直流電源來啟閉，利用電磁原理，實現對管路的真空處理，可以用于真空管路聯動控制系統中。在夾持裝置真空回路中，通過對電磁鐵進行操作，可以控制閥門啟閉實現接通或者斷開真空壓力源，選擇使用二位三通閥。同時換向閥的流速和壓力范圍也不得低于真空回路所設指標，流速需要大于67 m3/h，工作壓強需要不小于101 kPa。

（3）真空減壓閥。真空減壓閥通過控制閥體內的啟閉件的開度來調節空氣的流量，將真空度降低，同時借助閥后壓力的作用調節啟閉件的開度，使閥后壓力保持在一定范圍內，從而使得在進口壓力不斷變化的情況下，保持出口壓力在一個比較小的范圍內波動。就夾持裝置回路來看，通過減壓閥的設定，可以將減壓閥至吸盤回路中的壓強值控制在一定范圍內，增加回路穩定性，降低高真空度對吸附貨物的破壞。

4 結束語

鐵路成件包裝貨物集裝箱智能裝卸系統集機械、電子、控制與計算機技術于一體，以自動化、智能化設備作業來替代裝卸作業中的人工作業，實現鐵路成件包裝貨物智能化裝卸，有效減少勞動力數量，降低人力成本，提高裝卸效率，同時能夠有效解決鐵路貨運人員老齡化加劇、裝卸勞力不足且不斷流失等問題。配以科學合理的成件包裝貨物集裝箱裝卸工藝，在進一步提升裝卸作業效率的基礎上，可以擴大進箱貨物品類，為集裝箱運輸發展提供技術支持，提高成件包裝貨物的運輸服務質量，有利于進一步釋放鐵路多式聯運紅利，推動鐵路運輸供給側結構性改革和鐵路貨運高質量發展。