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一种新型的可拆装式围栏自动拾放机的设计研究

添加时间:2020/08/29 来源:哈尔滨商业大学 作者:杨军福
论文结合课题合作企业的技术需求,提出一种新型的可拆装式围栏,并开展可拆装式围栏自动拾放机的设计及关键技术的研究。
以下为本篇论文正文:

摘要

  公路的养护、升级、扩建施工等施工区域需布设围护警示装置,以警示和保护行人及驾驶员,保护生产作业现场。常用围护警示装置可采用路锥的形式,路锥已能实现设备的自动布放,但路锥的阻隔性差,人员可以随意进出施工现场;也可采用水马、铁马、彩钢围栏等形式,但这类设施的布设费时费力、不易回收。

  论文结合课题合作企业的技术需求,提出一种新型的可拆装式围栏,并开展可拆装式围栏自动拾放机的设计及关键技术的研究。论文的主要研究内容如下:

  1. 深入分析现有围护警示装置及自动布放机构的优缺点,结合现代路桥养护规范,提出一种新型的可拆装式围栏形式。新型围栏主要由围栏布、围栏杆、围栏座及装配机构等组成,可以快速的装拆,适用于城市等需快速施工的场合。

  2. 结合可拆装式围栏的拆装工艺流程的分析,研发了一种新型围栏自动拾放机的总体设计方案。新型围栏拾放机主要由围栏提升部件、围栏杆拆装转送部件、围栏座解码垛部件、围栏杆仓储部件、围栏座仓储部件等组成,可快速地安装在施工车上,实现施工现场可拆装式围栏的快速布放与回收。

  3. 基于风场流体分析理论,建立了可拆装式围栏的风场受力模型、围栏的倾覆力学模型与滑移力学模型;采用流体力学分析软件 CFX,优化了可拆式围栏的结构尺寸与围栏座结构。

  4. 采用图解法与机构分析理论,完成围栏座解码部件、围栏座垛层提升机构、围栏座垛层定位机构等典型机构的优化设计。结合 Solidworks 建模与 Ansys Workbench 的有限元分析,实现围栏拆装转送机械手的优化与结构轻量化设计。

  关键词: 可拆装式围栏;围栏拾放机;围栏座解码垛;机械手;有限元分析

可拆装式围栏自动拾放机

abstract

  In the construction areas such as highway maintenance, upgrading and expansion, enclosure warning devices should be set to warn and protect pedestrians and drivers, and protect the production site. The common enclosure warning devices can be in the form of road cones, which can realize the automatic layout of equipment, but the barrier of road cones is poor, and personnel can enter and leave the construction site at will; water horse, iron horse, color steel fence and other forms can also be used, but the layout of such facilities is time-consuming, laborious and difficult to recover.

  According to the technical requirements of the cooperative enterprises, this paper proposes a new type of removable fence, and carries out the design and key technology research of the removable fence automatic picking and placing machine. The main contents of this paper are as follows:

  1. Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the existing enclosure warning device and automatic placement mechanism, combined with the modern road and bridge maintenance specifications, a new type of removable fence is proposed. The new type of fence is mainly composed of fence cloth, fence pole, fence seat and assembly mechanism, which can be quickly assembled and disassembled, and is suitable for urban and other occasions requiring rapid construction.

  2. Combined with the analysis of the disassembly process of removable fence, the overall design scheme of a new type of fence automatic picking and placing machine is developed. The new type of fence picking and placing machine is mainly composed of fence lifting parts, fence rod disassembly and transfer parts, fence base decoding stack parts, fence pole storage parts, fence base storage parts, etc., which can be quickly installed on the construction vehicle to realize the rapid placement and recycling of removable fences on the construction site.

  3. Based on the theory of wind field fluid analysis, the wind field stress model, overturning mechanical model and sliding mechanical model of detachable fence are established; the structure size and fence base structure of detachable fence are optimized by using fluid dynamics analysis software CFX.

  4. The graphic method and mechanism analysis theory are used to complete the optimization design of typical mechanisms, such as the decoding part of the fence base, the lifting mechanism of the stack layer of the fence base, and the positioning mechanism of the stacking layer of the fence base. Combined with Solidworks modeling and ANSYS Workbench finite element analysis, the optimization and lightweight design of fence disassembly and transfer manipulator are realized.

  Key words: detachable fence; picker; decoder stack; manipulator; finite element analysis

目录

  1 绪论

  1.1 课题背景与意义

  本课题来源于课题组与北京路桥瑞通养护中心有限公司联合开展的横向课题,根据北京路桥瑞通养护中心有限公司给出的具体技术要求,结合现代路桥养护规范,设计开发一种能实现对施工现场进行自动围护的公路围栏自动拾放机。

  1.1.1 研究背景

  高速公路是现代经济发展的必然产物,高速公路的建设不仅体现了一个国家的交通发达程度,也体现了经济发展的整体水平[1].高速公路建设作为我国经济建设的一项重要支撑设施,在国民经济发展中起着举足轻重的作用,自改革开放以来,我国公路建设用 20 年的时间走完了发达国家 40 年的才走完的进程,总体上实现了持续、快速和有序发展[2].2018 年末,全国公路总里程达到 484.65 万公里,是 1949 年的 60 倍,高速公路总里程 14.3 万公里,总里程居世界第一位[3].我国更是创造性的完成青岛海湾大桥、杭州湾大桥和珠港澳大桥等伟大的路桥工程。根据交通运输行业发展统计公报的数据统计,如图 1.1 所示,2018 年末年末全国公路总里程 484.65 万公里,比上年增加 7.31 万公里,公路密度 50.48 公里/百平方公里,增加 0.76 公里/百平方公里,公路养护里程475.78 万公里,占公路总里程 98.2%,伴随着公路里程数增加的同时,我国机动车数量也出现大幅增长[4].

  随着经济的快速发展,中国成为全球汽车量增长最快的国家之一,如图 1.2 所示,我国汽车保有量连续 10 年呈线性增长,截至 2018 年底,我国机动车保有量更是达到3.27 亿辆,如此大规模的机动车队伍,不仅给公路保畅养护带来了巨大压力,也直接导致了在养护或城市施工过程中二次交通事故率的增加[5].除此之外,随着科学技术的发展和出行方式的多样化,如图 1.3 所示自动驾驶和共享单车等状况已成为传统的公路养护作业不能忽视的问题,公路养护保畅的压力变得越来越大。

  为了保证公路的建设质量以及人们的安全有序出行,各有关部门和相关责任人越来越重视公路养护保畅问题,尤其是公路养护作业区的安全状况一直倍受社会各界的广泛关注,公路养护施工作业区的安全保障策略成为公路运营中亟待解决的一个问题[6-7].较之与普通公路城市轨道交通工程建设和日常养护施工,城市中的占道施工对道路交通产生的负面影响更为严重,占道施工作业具有道路的施工通常要进行封闭作业、施工人员众多、施工时间紧张、占道面积大等的特点[8],常见的占道施工形式如图 1.4 所示,占道施工时,由于部分道路封闭,道路条件发生变化,车辆需要经过合流、分流, 车速也需要在短时间内不断地发生变化,车辆之间交通冲突增加,导致交通拥堵、交通事故等问题的发生,施工安全隐患较大,因此在公路占道施工过程中,科学、安全和高效的道路养护管理及围护技术就显得十分必要[9].

  1.2 城市占道施工特性的分析与研究

  1.2.1 占道施工区分类

  占道施工是指需要占用道路的工程施工、道路养护、设施维修、交通管理、路政管理、环卫清洁以及绿化等活动[10-11].

  占道施工区是指为保障占道施工现场工作人员和设备、车辆、行人的交通安全而用交通安全设施围起来的交通控制区域[12].

  占道施工区分类:

  (1) 依据占道情况,占道施工分为:完全占道施工和部分占道施工。

  (2) 依据施工区所在位置,占道施工分为:路段上的、交叉口处的和特殊区域(桥梁、隧道等)的占道施工。

  (3) 依据施工方式,占道施工分为:定点施工和移动施工两种形式。

  依据占道时间,占道施工分为:长期占道施工作业(一年及以上)、中期占道施工作业(三个月以上,六个月以内)、短期占道施工作业(三个月以内)和临时占道施工作业。本论文中占道施工区主要是指城市道路上、临时定点占道施工项目区域[13-15].

  1.2.2 占道施工区交通事故的影响因素

  结合国内外交通事故分析数据,通过分析可知造成占道施工区交通事故的主要因素有[16-29]:

  (1)施工区域未设置相关的警示引导标志。在占道施工区域未设置、设置不全或者设置不规范交通标志,是导致交通事故的一大主要因素,在施工区域外设置交通警示标志可以使驾驶员提前反应,提高警惕以应对复杂的驾驶情况,避免驾驶员在高速行驶时来不及反应,而直接冲撞入施工作业区内,发生严重的交通事故;在夜间施工时,由于光线不足,驾驶员可视距离缩短,施工区域应当设置具有反光特性或者安装有警示灯的交通标志,以此来减少占道施工区域事故的发生。

  (2)驾驶员违章驾驶。有关研究结果表明,交通事故中由人直接引发的约占 70%,其中由不良的驾驶习惯引起的占比又远高于其他原因,疲劳驾驶、驾驶时与他人交谈、接听电话和醉酒驾驶等不良驾驶习惯都会使驾驶员注意力分散,无法准确判断路况,在占道施工区域由于路况复杂,不良的驾驶习惯往往直接成为交通事故诱因。

  (3)速度差。美国的 Glennon 和 Joyner 曾深入分析了车速与事故率关系的影响。

  在该研究成果基础上形成了 1964 年由 Solomon 起草的报告,该报告提供了不同平均车速对应的事故数据,并得出结论:车辆之间的车速差值越大,车辆发生交通事故的可能性就越大。

  从施工方的角度,根据以上造成事故因素,为减少施工作业区事故的发生率,应当在施工作业区设置正确显眼的交通标志、必要的隔离设施和防撞设施,实施限速策略[18].

  1.2.3 工作区围护方式分类

  在占道施工时要封闭管制交通,考虑施工作业区及行车的安全,需要在施工现场外围布放路障和交通警示标志,引导车辆行驶。作业区一般划分为:警告区、过渡区、缓冲区、工作区和终止区,如图 1.5 所示,工作区即施工作业区域,除了需要在警告区布置必要的施工警示外,在工作区布置渠化设施和路障是降低交通事故率最重要的手段,随着科技的进步,在工作区外布放的渠化设施及路障的形式及种类也一直在改变和丰富,以此来适应不同的施工环境[16].

  (1)路锥

  路锥是施工现场或道路上一种常见警示安全设施[30].如图 1.6 所示,路锥有多种不同的形式,按形状分方锥和圆锥,按材质分为橡胶路锥和塑料路锥,路锥的颜色主要有红,黄,蓝三种,红色主要用在室外交通、城市路口车道、室外停车场、人行道和建筑物之间的隔离警示,黄色主要用在室内的停车场等光线暗淡的地方,蓝色主要用在一些特殊的场合,路锥外表面大多贴有高反光材料,让警示更明显。路锥具有良好的柔韧性、抗撞性能、抗汽车车轮冲击的优点,即使车辆碾过也不会碎裂,此外客户还可以根据要求进行定制。由于路锥的制作材料多为塑料或橡胶,使其质量轻、体积小,在车辆撞击时几乎没有阻挡能力,路锥布放时有一定的间隔,若中间空隙大,人或车辆可以随意穿梭,阻隔性十分差。

  (2)水马围挡

  如图 1.7 所示,水马围挡是一种内部中空的体积较大的塑料壳体,其上开有注水口,在使用时将水马布放在工作区周围,形成水马组,从注水口注入一定量的水,防止其在风力或外力作用下发生倾覆,水马的体积较大,能起到警示作用要强于路锥,水马之间彼此没有间隙,阻隔性较好,但由于其体积较大,在进行运输和安装时会十分麻烦,外壳破损时会漏水,使得施工地面湿滑,造成意外事故。

  (3)施工铁马

  施工铁马又称为铁马、施工铁护栏、施工护栏、市政铁马等如图 1.8 所示,是经无缝铁管折弯,焊接,打磨抛光,高压喷涂等一些列工艺制成,用于施工场所的隔离与警示,也可用作工厂、车间、仓库、停车场、商业区、公共场所的安全防护。具有款式简单大方,移动灵活,无需任何地面安装就可使用,产品可以回收,无污染,警示效果好的特点,此外侧面具有挂钩,铁马与铁马之间可以相互连接,使得受力,承受能力更强。

  与水马和路锥相比,铁马的阻拦能力更强,警示性介于路锥与水马之间,但铁马也因此显得格外笨重,在布放和回收时更费人力,只适用于需要长久进行阻隔的场所。

  (4)彩钢围栏

  彩钢围栏常见于长期施工工地周边,如地铁修建、水暖管道铺设、楼房施工等现场,、如图 1.9(a)所示的支架形式的彩钢围栏主要由彩钢面板及支架组成,面板固定安装在支架上,在安装时需要在支架上安装配重物,用来稳固围栏,以防止围栏发生倾覆,支架一般为三角形结构,故所需的安装面积较大;如图 1.9(b)所示的彩钢围栏的布设需要有地面安装,一般都采取在地面挖掘坑洞,然后插入安装立柱并浇筑混凝土或者用膨胀螺丝直接固定在地面的架设方式,安装好立柱之后还需等混凝土凝结后再进行彩钢面板的安装工作,彩钢面板通过固定装置安装在两个立柱之间,以上两种彩钢围栏阻隔性与警示性是以上围挡设施中最好的,但其缺点也非常明显,由于其体积大、重量大、安装工艺复杂,因此也是布放安装最费时费力、占地面积最大、最不便于回收的围挡形式。

  1.3 施工路障自动收放的系统国内外研究概况
  1.3.1 施工路障自动收放的系统国外研究概况
  1.3.2 施工路障自动收放的系统国内研究概况
  1.4 论文主要研究内容

  2 围栏拾放机的总体设计
  2.1 可拆式围栏
  2.1.1 现有围栏的局限性
  2.1.2 占道施工区围栏的工况分析
  2.1.3 可拆式围栏组成
  2.1.4 可拆式围栏的优点
  2.1.5 可拆式围栏拆装工艺
  2.2 围栏拾放机总体设计方案
  2.2.1 围栏拾放机的设计原则
  2.2.2 围栏拾放机设计的技术要求
  2.2.3 围栏拾放机总体组成
  2.2.4 围栏拾放工艺流程
  2.3 围栏拾放提升部件
  2.3.1 围栏拾放提升部件组成原理

  2.4 围栏杆仓储系统
  2.4.1 围栏杆仓储系统的组成原理
  2.5.2 围栏杆仓储系统的工艺流程
  2.6 围栏底座仓储系统
  2.6.1 围栏底座仓储系统组成与工作原理
  2.6.2 围栏底座出入库工艺流程
  2.6.3 解码垛工艺流程
  2.7 本章小结

  3 围栏受风流场仿真与围栏座设计
  3.1 围栏受力分析与结构布局设计
  3.1.1 重力载荷力矩
  3.1.2 风载荷力矩
  3.1.3 不同孔径围布布局设计
  3.2 流体仿真基本原理与仿真软件
  3.2.1 CFX 介绍
  3.2.1 流体基本公式
  3.3 流体域计算

  3.4 围挡流体仿真
  3.4.1 边界条件
  3.4.2 仿真结果分析
  3.5 围挡支撑结构设计
  3.5.1 底座受力分析
  3.5.2 围栏质量校核
  3.5.3 围栏底座设计
  3.6 本章小结

  4 围栏座垛型的解码部件设计
  4.1 围栏座的垛型结构
  4.2 围栏座垛型的解码方案选型
  4.2.1 直角坐标机器人系统
  4.2.2 码垛机器人
  4.3 围栏座解码部件的组成原理
  4.3.1 围栏座解码部件的组成
  4.3.2 围栏座解码部件工艺流程
  4.4 围栏座垛层提升装置设计
  4.4.1 围栏座垛层提升装置组成
  4.4.2 围栏座垛层提升装置工作原理
  4.4.3 提升装置传动机构选型

  4.5 围栏座垛层定位机构设计
  4.5.1 围栏座垛层定位机构组成
  4.5.2 围栏座垛层定位机构工作原理
  4.5.3 连杆设计
  4.6 本章小结

  5 拆装转送机械手有限元分析
  5.1 有限元分析理论概述
  5.1.1 有限元法分析原理
  5.1.2 有限元分析流程
  5.1.4 Ansys Workbench 软件简介
  5.2 拆装转送机械手有限元分析前处理
  5.2.1 拆装转送机械手基本结构
  5.2.2 机械手仿真模型简化
  5.2.3 结构材料属性设定
  5.2.4 网格划分
  5.2.5 边界条件设置

  5.3 模态仿真结果分析
  5.4 静力学仿真结果分析
  5.5 机械手轻量化设计
  5.6 本章小结

结论

  论文结合课题合作企业的技术需求,针对大城市道路施工仅能晚上施工、施工时间短、工作任务重的特点,开展可拆装式围栏及围栏自动拾放机设计及关键技术的研究,取得以下结论:

  1. 结合现代路桥养护规范,研发了一种新型的可拆装式围栏,新型围栏主要由围栏布、围栏杆、围栏座及装配机构等组成,可以快速的装拆,适用于城市等需快速施工的场合。围栏的高度为 1600mm,单节围栏的长度在 2500-3200mm 范围可调。

  2. 研发一种新型的可拆式围栏自动拾放机,新型围栏拾放机主要由围栏提升部件、围栏杆拆装转送部件、围栏座解码垛部件、围栏杆仓储部件、围栏座仓储部件等组成,可快速地安装在施工车上,实现施工现场可拆装式围栏的快速布放与回收。围栏的自动布放最大速度 45 个/分钟,回收的最大速度为 28 个/分钟。

  3. 基于风场流体理论和流体力学分析软件 CFX 的分析,优化了可拆式围栏的结构尺寸与围栏座结构,以开孔占比面积的 50%为衡量条件,确定了围栏布上 90mm 孔径的开孔方案。

  4. 采用理论分析与 Ansys 有限元仿真分析,优化了围栏座解码部件、围栏座垛层提升机构、围栏座垛层定位机构等典型机构,完成围栏杆拆装转送机械手的优化与结构轻量化设计。

  论文目前已完成可拆式围栏自动拾放机的前期设计,后期课题要进行关键部件的优化设计与实验研究,研发可拆式围栏自动拾放机样机并推广应用

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致谢

  逝者如斯,不舍昼夜,来哈求学已逾七载,期间务求对人、对事不敢有丝毫懈怠,怎奈才疏,难有建树,贵在能遇良师益友,聊以慰藉。

  感谢导师晏祖根再造之恩。生其骨血、饲其五谷为父母恩,可使其立于天地,增强筋骨,而充盈其思想,增长其见识技艺,为人铸魂者是谓其再造。与恩师共度时日感悟良多,成事实难,贵在争取,生活实苦,贵在乐观。从师期间,谆谆教诲,以身立德,必时时感念,谨记教导,在以后生活中,立人必要稳重靠谱、立事须严谨尽职。

  感谢董静、赵丽丽老师。在繁复的研究生管理工作中,一丝不苟、兢兢业业为我们解决问题,关怀我们的生活。

  感谢一起陪我度过研究生三年求学生涯的师兄、师弟,在生活中一起玩乐,在学业上共同进步,为这段时光增彩。

  感谢审阅及答辩的各位专家教授,谢谢您们提出的宝贵建议,使这篇论文更加完善周祥。

  感谢学校及轻工学院学院为我们提供良好的学习环境、完备的生活设施,使我能够愉快顺利的在商大度过我的七年大学求学之旅!

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