堆垛機立柱的優(yōu)化設計

聶學俊，岳森峰，雷培莉

（1.北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048；2.北京起重運輸機械設計研究院，北京 100007；3.北京化工大學 經(jīng)濟管理學院，北京 100029）

1 引言

堆垛機是自動化立體倉庫中應用最廣泛的貨物搬運設備，是物流倉儲系統(tǒng)中最重要的設備之一。它在立體倉庫高層貨架的巷道內(nèi)來回運行，將位于巷道口的貨物存入貨架的貨格，或者取出貨格內(nèi)的貨物運送到巷道口。目前國內(nèi)堆垛機存在質(zhì)量較重、結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定、立柱變形較大、啟動制動不平穩(wěn)等結(jié)構(gòu)方面的問題。這些問題會導致堆垛機存取貨定位精度不準，輕則影響出入庫的準確度，重則引起貨架或者堆垛機的倒塌，造成嚴重的后果[1]。

本文利用力學理論計算和有限元分析對堆垛機運行時立柱結(jié)構(gòu)的應力應變進行了分析，保證立柱在堆垛機各種工作工況下變形符合國家標準的基礎上，對立柱截面形狀進行了改進設計，提出了一種直角梯形截面的優(yōu)化方案。此結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可以減輕立柱的重量，既能使堆垛機快速輕便地工作，又能降低堆垛機工作過程中的能耗，綠色環(huán)保。

2 堆垛機立柱的理論分析

某型號堆垛機受力分析如圖1所示，圖1（a）中：G0為立柱重量，G1為載貨臺重量，G2為貨叉重量，G3為垂直驅(qū)動裝置重量，G4為水平驅(qū)動系統(tǒng)重量，G5為電器控制柜重量，Q為載荷重量，T為 提升力。圖（b）為堆垛機立柱剛度分析圖。

當載貨臺滿載且處于立柱最高位置時，在偏心力矩M的作用下，堆垛機立柱頂部的撓度主要有三部分疊加而成[2]：

（1）在頂部作用力矩M作用下，立柱端部水平位移 f0；

（2）在力矩M的作用下，下滾輪截面轉(zhuǎn)角θ1引起的端部水平位移 f1；

（3）下橫梁和立柱連接處的截面轉(zhuǎn)角θ2引起的頂部水平位移 f2。

堆垛機立柱頂部的總撓度 f=f0+f1+f2，其中，f0按式（1）計算。

圖1 堆垛機力學計算簡圖

M為載貨臺偏心力矩，單位是N·m；

H為立柱高度，單位是m；

h是載貨臺至立柱底端的距離，單位是m；

E為材料的彈性模量，單位是Pa；

Ⅰ柱為立柱界面垂直縱向平面的慣性矩，單位是m4；

a,b分別為立柱底部到下橫梁前后端的距離，單位是m；

Ⅰ梁為下橫梁界面垂直縱向平面周的慣性矩，單位是m4；

B是立柱下橫梁輪組之間的距離，單位是m。

f1按式（2）計算。

其中下滾輪截面轉(zhuǎn)角θ1按（3）計算。

f2按式（4）計算。

下橫梁和立柱連接處的截面轉(zhuǎn)角θ2按式（5）計算。

式（5）中：

G代表下橫梁支承上部的總重量，單位是N；

I梁代表下橫梁界面的慣性矩，單位是m4。

已知，堆垛機載荷質(zhì)量Q=500kg,立柱質(zhì)量m0=4900kg,載貨臺質(zhì)量m1=605.7kg，貨叉機構(gòu)質(zhì)量m2=372.1kg，垂直驅(qū)動裝置m3=705.9kg，水平驅(qū)動裝置m4=1434kg，電氣控制柜m5=482.1kg，上下輪組間距s=0.82m，貨物質(zhì)心與立柱中心間距l(xiāng)1=0.985m，繩組與立柱中心間距e=0.13m。經(jīng)過計算可得，f0=1.331mm，f1=0.228mm，f2可以忽略。總撓度 f=f0+f1+f2≈1.559mm。

參照《堆垛機實用設計手冊》引用的經(jīng)驗公式，堆垛機的許用撓度[f]一般在（H/2000～H/1000）之間（H為立柱高度，單位是m），本型號堆垛機的立柱高度為20m，所以該堆垛機的許用撓度值為10mm～20mm之間，而實際撓度遠小于許用值可能達到的最小值，所以該設計不僅符合要求的，而且是相對保守的[3]。

3 堆垛機立柱的有限元分析

在ANSYS中對堆垛機立柱進行建模時，考慮其主要的力學特征，簡化結(jié)構(gòu)，以減小計算成本，載貨臺與立柱連接處網(wǎng)格劃分細些。建模采用ANSYS中自底向上的建模方式。載貨臺和立柱的連接關(guān)系選用的是ANSYS的連接關(guān)系中的“glue”選項。在定義立柱約束關(guān)系時將立柱上下端完全約束。當載貨臺滿載處于最高點時，其受到滿載500kg貨物的壓力，以面載荷的形式施加到載貨臺貨叉的下叉表面上，在選擇外力施加形式時，選擇“pressure”，進行計算。

堆垛機立柱有限元分析建模和變形云圖如圖2所示。

圖2 堆垛機立柱有限元分析

在堆垛機滿載情況下，分別對載貨臺在立柱高位、立柱中位和立柱低位時立柱變形進行了計算，計算結(jié)果匯總見表1。

表1 堆垛機立柱變形結(jié)果和應力結(jié)果

需要說明的是：對堆垛機立柱頂部撓度進行理論計算時，將立柱簡化成了懸臂梁結(jié)構(gòu)；而在對堆垛機立柱進行有限元分析時，將立柱的兩端考慮為鉸鏈結(jié)構(gòu)。當堆垛機在不同工作狀態(tài)下工作時，在兩種約束條件下所得到的立柱變形撓度均很小，遠低于設計許用值。說明該型號堆垛機設計相對保守。因此，在保證立柱變形撓度滿足設計要求的前提下，對立柱進行改造，以減輕堆垛機重量，使堆垛機運行快速輕便，節(jié)約能源。

優(yōu)化設計時，立柱的截面采用直角梯形截面，梯形截面上下底邊長分別為500mm和1100mm。再次運用有限元工具對立柱進行分析，改進后堆垛機立柱的有限元分析如圖3所示。

當載貨臺在立柱高位、立柱中位和立柱低位時，進行有限元計算，得到改進后立柱的變形云圖和內(nèi)部的應變、應力云圖，具體計算結(jié)果見表2。

圖3 改進結(jié)構(gòu)后堆垛機立柱有限元分析

由表2可以看出，雖然載貨臺在堆垛機立柱不同位時，所引起立柱的撓度和應力相比優(yōu)化前多了，但增加不大，都在規(guī)定的許用撓度和許用應力范圍之內(nèi)，因此安全性能可以得到保證。但堆垛機的質(zhì)量卻由優(yōu)化前的4900kg減小到3705kg，減重明顯。

4 結(jié)束語

堆垛機設計時，剛度和質(zhì)量是需要重點考慮的因素，在剛度滿足要求的前提之下，堆垛機質(zhì)量應做到盡可能輕，以使堆垛機長期運行時，盡量減少能耗。本文以某型號堆垛機立柱為研究對象，采用理論計算和有限元力學分析的方法相結(jié)合，對其靜剛度進行了校驗，并針對相對保守的設計進行了優(yōu)化。結(jié)果表明優(yōu)化設計的方案是實際可行的，不僅滿足靜剛度的要求，而且大大降低了重量。

表2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后立柱的變形和應力值

[1]徐正林,劉昌祺.自動化立體倉庫實用設計手冊[M].北京:中國物資出版社,2009.

[2]韓紹軍.堆垛機力學計算[J].物流技術(shù),2012,(12):76-82.

[3]吉國宏.自動化倉庫堆垛機設計[M].北京:人民鐵道出版社,1979.

[4]賈爭現(xiàn),曹西京,董良,劉明武.堆垛機鋼結(jié)構(gòu)的強度與剛度設計[J].物流技術(shù),2003,(5):32-33.

[5]孫軍艷,曹西京,張鎖懷.基于ANSYS的堆垛機結(jié)構(gòu)強度分析[J].輕工機械,2005,(1):51-54.