可楼梯行走的变容式便携物流周转箱设计

胡晓颖 李洋 高士雅 王新宇

摘 要：为减轻工作人员劳动强度，本文设计一种可楼梯行走的变容式便携物流周转箱，用于末端物流配送环节。根据物流周转箱的应用需求，设计箱体结构及主要机构，包括变容与折叠机构、行星轮组行走机构、拉杆伸缩与旋转机构，以实现装置主要功能;利用CREO软件建立模型，并应用ANSYS软件对箱体进行结构有限元分析，应用ADAMS软件进行楼梯行走运动仿真，设计出可实现特定功能的物流周转箱。结果表明，箱体的强度与刚度满足载物要求;变容机构中的限位螺钉作为关键受力部件，强度与刚度满足使用要求，可承受径向冲击力作用;通过多次运动仿真确定行星轮组最优化结构尺寸，且满足运动稳定性要求。该物流周转箱的设计可实现多种功能，满足于末端物流配送环节及城市共同配送模式，也可适用于零售业、家庭等多种使用场景。

关键词：物流周转箱;变容;楼梯行走;结构设计;仿真实验

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0151-08

Abstract：In order to reduce the labor intensity of staff， a variable volume portable logistics turnover box that can walk on stairs was designed for the terminal logistics distribution. Aiming at the application requirements of logistics turnover box， the box structure and main mechanism were designed， including variable volume and folding mechanism， planetary gear group walking mechanism， rod telescopic and rotating mechanism to realize the main function of the device. The CREO software was used to establish the model， and ANSYS software was used to carry out the structural finite element analysis of the box， and ADAMS software was used to carry out the stair walking motion simulation. A logistics turnover box with specific functions was designed. The results of simulation analysis showed that the strength and stiffness of the box could meet the load requirements. As the key stress components， the strength and stiffness of the limit screw in the variable volume mechanism can meet the use requirements and can withstand radial impact force. The optimal structure size of planetary gear set was determined by multiple motion simulation， and the motion stability requirements were met. The design of logistics turnover box can achieve a variety of functions， which is suitable for the terminal logistics distribution and the urban common distribution mode， as well as a variety of use scenarios such as retail and family.

Keywords：Logistics turnover box; variable volume; walking on stairs; structural design; simulation experiment

0 引言

隨着电商行业的迅速发展，快递量增长迅速，社会各界对物流服务的需求也日益增长。物流末端配送环节，是物流过程关键环节之一，故提升末端物流配送效率对于物流业的发展十分关键[1]。发展应用智能快递柜、智能配送机器人等是末端物流自动化转型的有效方案，但受到成本、技术和经济模式等多方面因素限制，智能化模式的推广仍需一定时间，且末端物流配送不能完全依靠自动化设备和顾客自提的方式，高价值产品及蔬果配送，即时物流、冷链物流行业等仍然需要门到门的人力配送。目前，在物流相关设备应用方面，未充分考虑末端配送人员作业需求，在很多未建设智能快递柜或代收点的写字楼、社区及校园，配送人员仍需携大量物品步行配送，尤其进行爬楼梯配送作业时，配送效率、服务质量、作业人员体力均受到一定程度的挑战。

基于上述需求，考虑设计新型的物流周转箱应用于末端配送环节。本文设计应用于门到门物流配送、零售行业或家庭使用等场景的具有楼梯行走功能的、容积可变式便携物流周转箱，可以提高末端物流配送工作效率，减轻工作人员劳动强度。同时，周转箱尺寸的标准化设计，适用于新零售环境下城市配送对物流周转箱循环流通等方面的需求，可促进城市配送模式的发展进步[2]。

目前周转箱的楼梯行走功能情况：通过调查研究了解到，现有对于爬楼机器人的设计与研究[3]，其装置大多结构复杂，成本高，同时应用场景受限[4-6];有针对楼梯行走功能实现的爬楼机结构设计，主要有轮式、履带式和步行式的基本结构[7]，能够满足大型仓库等应用需求，但其自重大，所占空间大，无法实现便携功能，不能合理应用于末端物流配送环节[8];同时，调查发现市面上现有的辅助爬楼车存在安全性不好和运动稳定性差等问题。

目前物流周转箱箱体的设计情况：现有周转箱多为简单的储存箱，功能单一，无法满足多样化的应用需求，行业针对性不强;部分周转箱为敞开式结构，承重能力差，不适合堆叠使用;且市场中的物流周转箱仍存在耐腐蚀性、承重性和环保性等方面差的缺点。应用于末端物流环节的周转箱多为传统的一次性瓦楞周转箱，功能性存在不足，不能较好地满足可持续利用需求，亟需对其改进。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构设计

设计一种多功能式物流周转箱，主要由箱体、轮组、拉杆和主体支架组成。箱体与装置其他部分可分离，整体便于携带与存储，且箱体的设计能够满足流通与周转等方面需求，具有较高的强度及承载能力。装置其他主要功能性机构包括行星轮组机构、箱体变容与折叠机构、拉杆伸缩与旋转机构。总体结构如图1所示。

1.2 工作原理

该物流周转箱可实现多种功能，主要包括箱体变容与折叠、楼梯行走、拉杆伸缩与旋转等，基于各项功能实现的机构设计方案如下。

（1）分离式箱体设计。箱体底部的定位滑槽与支架的滑轨配合，实现对箱体的连接固定，方便箱体的拆装;箱体通过侧板铰链连接的方式，实现折叠功能;同时，考虑到循环流通过程中对标准化的要求，对箱体进行标准化改造，符合一定的尺寸标准，可持续循环利用，满足物流周转箱的多方面需求。

（2）箱体变容机构设计。主要利用导轨机构及限位螺钉等实现特定功能，使箱体实现灵活变容，且操作稳定便捷，在实际应用中便于装置的携带及存储，增强了装置的实用性和应用场景的多样性。

（3）行走机构设计。考虑运动的稳定性、装置重量、体积、安全性及成本等多方面因素，在设计中采用行星轮组机构，实现省力楼梯行走功能。该机构既可实现平地行走，又可实现省力楼梯行走，同时，在平地非平整路面行走时具有越障功能，使用者可较为轻松地拉动装置使其运动，满足不同场景需求。一对轮组设置于装置底部侧后方，避免造成运动的不稳定。

（4）拉杆伸缩与旋转机构。设计可旋转调节角度的伸缩式拉杆，伸缩式设计可灵活调节拉杆高度且便于收纳携带，旋转机构使拉杆可调节一定角度，更适用于楼梯行走、坡路行走等特殊场景，使装置的应用更加方便省力。

2 装置主要机构设计

2.1 箱体结构及变容与折叠机构

箱体作为装置的主体部分之一，與支架可分离，箱体的底部与支架采用定位滑槽与滑轨连接，支架的底部框架上设有定位滑轨，箱体底部开设与之相配合的滑槽，使二者可实现较方便的分离拆卸，同时支架的底部框架上设置止挡台阶，辅助导轨对箱体进行定位并承担力的作用。箱体整体采用分体式结构，主要组成部分包括上箱体、下箱体、箱盖与底座，其结构如图2所示。箱盖顶部设有与箱体底部尺寸相配合的止挡台阶，在箱体与支架分离时，便于对箱体进行堆叠放置，可增强其稳定性。

考虑到在末端配送、城市共同配送等环节，以及在仓库等场所的流通周转过程中对标准化的要求，对物流周转箱的箱体尺寸进行标准化设计。根据物流标准化的要求及我国在贸易流通单元化、标准化方面的政策，提倡在末端物流环节使用600 mm×400 mm模数系列的物流周转箱[1];在该装置的设计中，所采用的标准模数尺寸为600 mm×400 mm×340 mm，即变容箱体非折叠状态下的最小外部尺寸大小。

箱体的变容功能主要通过导轨机构实现，如图3所示。由图3可知，上箱体高度略小于下箱体，上下箱体通过调节导轨机构连接，导轨槽设置于下箱体的侧面四边处，导轨槽表面设有限位凹槽，上箱体对应位置设置可沿导轨槽上下移动的滑动式导杆，上箱体底部导杆与导轨槽连接处设置限位用拧紧螺钉，通过导轨槽上的限位凹槽与拧紧螺钉的配合实现自锁。通过该机构的设计，实现箱体的多级变容，操作便捷;且限位螺钉调松后，上下箱体可分离，即封闭式箱体可转化为敞开式结构，即可利用该装置运送形状不规则物品;同时，箱体侧边的导轨机构除实现变容调节功能，还作为支撑性部件，增强了箱体的强度，保证了箱体整体的稳定性。

上下箱体的各侧板连接处，箱盖、底座与箱体的一侧连接处及图示中两侧板的中间位置均为可旋转折叠的铰链式机构，该机构的设计使上下箱体分离后均可折叠，便于储存及携带，节省空间。箱体折叠后的效果图如图4所示。

此外，考虑到对箱体的环保、强度等各方面的要求，需确定物流周转箱的材料[10]。箱体材料需环保且无毒无味，耐腐蚀性、耐冲击性、耐高温低温性及承重性好，强度高，同时自重相对较轻，且需控制成本，故该装置的箱体选用高密度聚乙烯（HDPE）作为主体材料。HDPE韧性、耐磨性等较好，耐酸碱，表面硬度、拉伸强度较高，适用于该装置箱体，且成本相对较低[10]。

2.2 行星轮组行走机构

采用三星轮组机构实现省力楼梯行走功能，其结构如图5所示。一对行星轮组中主要零部件包括中心轴、三角支架、轮子和轴承等，将小轮中心轴间隔120°设置于三角支架上，整体结构相对简单。

支架结构等金属部件所用主体材料为铝镁合金，该材料比强度高，重量轻，抗压承载能力强，使用寿命长[11];轮胎所用主体材料为通用合成橡胶，主要成分为丁苯橡胶，具有较好的弹性及耐磨性能，耐龟裂、抗湿滑，作为轮胎材料使用时静音效果及缓冲性能好[12]。

平地行走时，以任意两轮作为运动轮，发生转动，三角支架及另一轮相对装置整体静止，可实现平稳行走;楼梯行走时，使用者施加较小作用力，使行星轮组发生翻转，即可实现爬楼梯的运动[13]。

行星轮组的具体结构尺寸设计，影响其运动的稳定性、省力效果及装置整体性能，故结合楼梯参数与实际应用场景，对机构进行运动参数分析，并初步确定其结构尺寸。其运动示意图如图6所示。

我国对于住宅建筑的设计规范规定，楼梯踏步宽度不应小于260 mm，踏步高度不应大于175 mm。结合实际的测量考察，在进行结构设计时设定楼梯踏步高度a为160 mm，踏步宽度b为260 mm;轮系半径为R，轮子半径为r;BC段定义为l1，AB段定义为l2。

根据运动特点及结构约束，根据设计参数，可列出如下方程：

由公式（1）可得相应尺寸参数的约束条件：

由计算结果可初步确定满足运动条件的行星轮组结构尺寸设定范围。

2.3 拉杆伸缩与旋转机构

拉杆主要由内管、外管、握把、伸缩限位机构和旋转机构组成，其主要功能性结构如图7所示。内管2可在内管1中于竖直方向伸缩调节，内管1可伸缩置入外管，外管及内管1侧面设置有若干定位槽，对应内管1及内管2侧面設置限位扣，对伸缩拉杆进行定位，可调节拉杆高度。

位于内管1下部分的旋转机构可实现对拉杆角度的调节，该管段为分体式结构，由上下2部分组成，上部管段与下部管段通过螺纹杆连接，螺纹杆两侧上部管段与下部管段之间设置弹性摩擦片，通过对螺母旋钮的调紧与放松，可实现对拉杆角度的固定及调节。整体结构相对简单可靠，操作方便。

拉杆所用主体材料选用铝镁合金，该金属材料强度与韧性高，具有很强的抗压承载力，不易变形，抗蚀性能好，方便耐用，可有效延长装置使用寿命;同时其自重较轻，且为环保型材料，适用于该装置[11]。

3 仿真实验与分析

3.1 箱体载重有限元分析

箱体的载重与抗压性能影响其使用稳定性，决定其使用效果与使用寿命等，故利用有限元分析软件ANSYS对箱体进行结构分析，以验证箱体的强度与刚度满足性能要求。

有限元法（Finite element method，FEM）是根据变分法原理求解数学物理问题的一种有效的数值计算方法，其基本思想为将连续体分割为有限且按一定方式连接在一起的单元[14]，对真实系统进行模拟。在箱体使用过程中，所受最大静态载荷来自周转箱载物重量，故对箱体载物时在运动状态下的受力状态进行仿真实验研究，以反映箱体的载重性能[15]。采用有限元分析的方法进行静态分析，检验箱体结构设计的合理性。

在CREO 3.0中创建简化的箱体模型，将模型导入ANSYS软件;根据其几何结构及问题要求定义单元类型为十节点四面体实体结构单元Solid Brick 10node187。箱体主体材料为HDPE，查阅资料可知其强度极限约为15 MPa，弹性模量约为0.95 GPa，泊松比约为0.3，密度约为0.90 g/cm3，据此定义模型的材料属性，利用智能网格划分工具对模型进行有限元网格划分。结合实际情况与调查研究，设定物流周转箱在运动过程的正常工作状态下载物质量为60 kg，根据箱体承重时的实际受载情况，对模型施加约束与载荷，定义分析任务，进行分析。分析得到箱体模型的应力与位移云图如图8和图9所示。

通过有限元仿真实验与分析可知，箱体整体应力较小，应力集中不明显，且最大等效应力为1.585 7 MPa，小于箱体材料的强度极限值;最大位移为0.751 7 mm，数值较小，故箱体的强度与刚度满足设计要求，箱体整体在运动过程中可有效满足载物要求。

3.2 关键受力部件力学性能仿真

在进行楼梯行走运动时，箱体结构会承受较大的冲击力作用，变容机构中的限位螺钉作为关键受力部件，将承受较大的径向冲击力，故应用ANSYS软件对其进行力学分析，以验证其强度与刚度满足使用要求。

利用CREO 3.0创建简化的限位螺钉模型，导入ANSYS软件;定义单元类型为八节点六面体实体结构单元Solid Brick 8 node 185。该部件的主体材料为5052铝合金，为铝镁系合金的一种，其抗拉强度为173～244 MPa，屈服强度约为70 MPa，弹性模量约为40 GPa，泊松比为0.25～0.3，密度为2.68 g/cm3。可定义模型材料的弹性模量与泊松比，并对模型进行有限元网格划分。考虑箱体自重及货物载重，并假设楼梯行走运动中的力作用于限位螺钉，定义分析任务，对该部件进行仿真分析。得到限位螺钉模型的应力与位移云图如图10和图11 所示。

由上述分析结果可知，该构件受到较大冲击力作用时，最大等效应力为15.38 MPa，小于铝合金材料的屈服强度，满足使用的强度要求;且结构变形的最大位移约为0.73×10-5 mm，总体形变较小，不影响构件使用，满足使用的刚度要求。

3.3 轮组运动仿真与分析

行星轮组机构运动的平稳性是影响装置整体运动性能的重要因素，因此需要分析行星轮组机构的运动学与动力学特性。

根据结构分析得到轮系半径R与轮子半径r的尺寸设定范围，即80≤r≤130、130.64≤R≤176.25;以R与r作为关键设计变量，考虑到后期生产及装配的便利性，以10 mm为1个级别，并排除边界值，在R与r取值范围内预先设置系列可变参数，采用不同参数值，模拟实际应用时受力情况与运动环境，进行一系列仿真分析。

设定关键设计变量初始值为R=140 mm，r=80 mm，根据该结构尺寸，利用三维建模软件CREO 3.0建立行星轮组机构，简化实体模型，并为各零件设置相应约束，限制其自由度，完成装配。利用ADAMS软件对该模型进行楼梯行走运动仿真[16]，将模型导入ADAMS软件，如图12所示。

模拟实际应用时受力情况与运动环境，设置测试变量，进行仿真分析，观察轮组机构运动轨迹，整体运动状况是否良好，确定机构是否能够稳定完成楼梯行走运动，并得到后处理曲线图[17-18]。调整可变参数，改变模型尺寸，并导入ADAMS软件进行多次分析，根据设计变量不同参数的结合，共进行16次仿真分析。由各次仿真分析结果可知，当设计变量的参数值大小发生改变时，机构的运动性能发生改变，主要体现为运动轨迹的波动性不同，运动轨迹的波动性可通过三角支架中心点垂直方向位移曲线反映。根据多次仿真分析后处理结果，选择垂直方向位移曲线波动性最小的参数设计作为最优化尺寸，即确定行星轮组的相对最优化结构尺寸为轮系半径R=140 mm，轮子半径r=90 mm。该参数下通过运动仿真得到三角支架中心点的位移及速度曲线，如图13和图14所示。

由仿真结果可见该结构尺寸的行星轮组机构在进行楼梯行走时位移波动较小，且速度连续，运动较稳定[19]，能够较好地满足使用时的功能性要求。

4 结束语

本文设计的多功能式物流周转箱，能够实现箱体变容与折叠、稳定省力的楼梯行走、拉杆伸缩与旋转的功能。针对各模块机构，进行结构设计与计算，并确定所选用的主体材料。应用CREO软件建模，并应用ANSYS与ADAMS软件进行仿真分析，确定优化尺寸，且保证装置满足多种性能要求。物流周转箱自重较轻，各机构可有效实现设定功能;箱体载重性能良好，尺寸的标准化设计，使其满足流通周转要求;关键受力部件可有效承受运动冲击力，且满足整体的运动稳定要求以及使用的便捷性要求。

该周转箱应用场景广泛，可用于末端物流配送、零售等多种行业以及日常生活，可有效降低使用者的劳动强度，提高便利性。同时，装置结构由不同部件组成，便于制造与生产，具有较强的实际应用与推广价值。

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