重載AGV高舉升紙卷夾取裝置門架設計研究

張紅衛，趙克欽，劉鳳嘉

（1.常州信息職業技術學院智能裝備學院，江蘇常州，213164；2.江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫，214122）

0 引言

隨著現代物流生產的自動化、智慧化的發展，對于貨物的搬運周轉要求越來越高。傳統的人工物料分揀搬運已無法滿足工業化生產需求，而AGV小車的加入有效地緩解了這一狀況，使得產品的生產和搬運更加便捷迅速，AGV自動導引車被廣泛應用于各種類型的倉庫和車間[1]。

目前國內AGV大多應用在輕載、小體積貨物的搬運，運載質量多在3噸以下，對重載AGV設計理論和方法研究開展并不不多[2]。盡管已有一些研究者采用有限元分析方法對重載AGV車架進行過模態分析和強度校核[3]。但對重載AGV夾取裝置門架結構的模態分析和強度剛度校核方面的研究并不多。

基于上述原因，本文對承載量為5噸的AGV門架結構進行有限元建模分析，對AGV門架的結構設計和優化提供了重要的參考依據。

1 重載AGV門架設計方案

1.1 設計要求

設計參數要求：額定載重量：5000kg;舉升高度：0～7200mm；最大提升速度 ：20mm/s；行走速度 ：0～60m/min。

1.2 門架的設計建模

一般來說，門架有三種級別，如圖1所示。本文需要將5噸紙卷提高至7.2米，因此選用三級門架更加適宜。三級門架由三個門架、兩個液壓缸和板式鏈等組成。首先，三個門架嵌套，在門架內靠近外門架立柱兩邊分別裝有長行程活塞液壓缸，液壓缸底部與外門架下方的橫板連接，液壓缸頂部連接到中門架的上橫梁處，中門架上橫梁處還裝有槽輪，板式鏈一段連接到外門架的橫梁處，繞過槽輪，另一端連接到內門架的下方，在外門架上橫梁上裝有激光導航器。工作時，液壓缸推動中門架上升，同時板式鏈帶動內門架上升，由此達到提升功能。

圖1

門架主要由縱向支撐架和橫梁連接組合而成。根據門架的結構強度和門架機構的加工要求，門架的材料可以選為65Mn鋼。

門架有四種常見的組合方式，包括CC重疊型和CC、CJ、CL并列型，如圖2所示。其中，CC重疊型雖然節省了空間[4]，但是這樣組合導致能夠安裝的滾輪不夠大，門架滑移時不穩定。而CC并列型結構簡單，便于安裝維修；但是門架立柱截面相同導致支撐整體寬度較大，導向不穩定。CJ型和CL型組合的內門架抗彎模量比CC并列型的抗彎模量大，且便于安裝滾輪，提高了門架的導向和支撐作用，CL并列型和CJ并列型是改良型，減小了滾輪的壓力，改善了受力情況，是現有門架立柱截面最合理的組合形式，考慮到滾輪的安裝和參考常用叉車式AGV的門架結構，選用CL并列型作為本次設計的門架。

圖2

門架與門架之間裝有滾輪，有兩種方式，一種是在同時獨立裝有主滾輪和側滾輪，要保證主滾輪和側滾輪之間有一定距離，門架強度足夠，這使得整個門架的升降位移空間受到限制，不便于安裝和維護。另一種是安裝復合滾輪軸承，如圖3所示，復合滾輪軸承將主滾輪和側滾輪很好的結合在一起，極大地節省了內部空間，這種方式要優于上一種方式，在軸頭上打孔，通過螺釘連接在門架上，定位精度高，結構緊湊，安全性好。外門架上方內部，中門架上方內部和下方外部以及內門架下方外部都裝上復合滾輪軸承。

圖3 復合滾輪軸承三維圖

鏈條承載能力強，可以帶動內門架和夾抱機構上下運動，并支撐物料的重量。在本裝置中，紙卷和夾抱機構重量大于5噸，選擇板式鏈來承載重量更加適宜，在中門架兩側靠內處同時放置鏈條和滑輪，內門架和夾抱部分的慣性力Fg1=580N，單根鏈條承受的力為：

式中s:板式鏈的安全系數，s=4；

Gc:內門架和夾抱部分的質量，Gc=800kg；

g:重力加速度，取g=9.8m/s2。

查GB/T 6074-2006，選用LH1634型號的3×4組合的板式鏈，抗拉強度為129kN，如圖4所示。

圖4 板式鏈三維圖

最終設計完成的AGV小車通過外門架、中門架和內門架的相互嵌套，并且采用液壓缸托舉門架，板式鏈連接門架，完成高度的升降作業。

2 重載AGV門架強度和剛度校核

在CREO軟件對門架進行有限元分析[5]，將簡化的門架裝配，使得門架組合狀態是門架提升到額定高度的狀態，此時，門架的受力狀態比較危險，選擇門架材料：彈性模量E=2.1×105Mpa，密度 ρ=7800kg/m3，泊松比 μ=0.3。對模型進行2D網格劃分，網格大小為3mm，劃分完成后檢查網格質量，然后對模型進行分析，最終得到的受力情況圖如圖5所示。

圖5 門架受力圖

將紙卷對門架產生的負載轉換成一對力偶的作用，大小為41527.02N；內門架下橫梁處受到板式鏈的拉力和慣性力，大小為57420N；中門架橫梁下與槽輪連接的部分總共承受兩倍板式鏈的拉力，方向向下，總共為114840N；外門架的上橫梁處受到板式鏈的拉力，也是57420N；門架自身重力，取g為9800mm/s2。此外，外門架下方伸出的圓筒與車體相連，固定了位置，外車架底部置于車體底盤上。然后，建立靜態分析，計算結束后，門架應力圖和位移圖如圖6所示。

圖6

由圖4-5和圖4-6可以看出，門架最大載荷在內門架與中門架連接處，最大載荷為431.73MPa，門架材料為25MnV，屈服強度σsσs86MPa[6]，安全系數大于2時，門架的許用應力小于443MPa，大于最大載荷，滿足要求。最大位移為14.82mm，在內門架上方，符合要求。

3 重載AGV門架模態分析

重載AGV了受到路面激勵的影響，可能導致小車的關鍵機構的固有頻率與外部激勵的頻率相同，引起共振，繼而造成AGV小車的扭轉或彎曲變形，使小車產生疲勞損傷、斷裂等結構破壞，減少夾抱式AGV自動引導車的使用壽命。因此，有必要對夾抱式AGV的關鍵結構進行模態分析。

重載AGV在正常行駛過程中，速度為1m/s，路面產生的激勵為：

式中λ：路面的波長。

不同的路面波長不一樣，將路面主要分為三種，由公式2計算可得，路面激勵產生的頻率如表1所示。

表1 不同路況波長及頻率

對夾抱式AGV自動引導車進行模態分析，前幾步與有限元分析相同，完成網格劃分，施加載荷和約束，建立模態分析，進行計算，得出門架的前六階振型如圖7所示。

圖7

門架的前六階振動頻率如表2所示。

表2 門架前六階振動頻率

由表1和表2對比可得，路面激勵產生的頻率與重載AGV正常行駛時門架產生的頻率不相同，不會產生共振，影響不大。但是要避免重載AGV長期在7～25Hz頻率的激勵下工作，會引起共振。

4 結語

為了驗證設計的合理性，利用CREO對設計的重載AGV門架進行建模設計并進行強度校核，最大載荷小于門架材料的許用應力，結果表明設計的車架符合強度和剛度要求。對門架進行模態分析，門架不會與路面激勵產生共振。