堆垛機起升機構優化設計

岳森峰 張煜哲 張 辰 趙志理 倪志強

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 機械工業物料搬運工程技術研究中心 北京 100007 3 北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

自動化立體倉庫在智能制造物流供應鏈和自動化倉儲領域應用廣泛，堆垛機是自動化立庫的關鍵組成，堆垛機金屬結構中的下橫梁、起升裝置、伸縮叉部件互相配合，可實現堆垛機運行、起升、伸縮叉3 個方向的運動，從而實現自動化立庫貨物的入庫、出庫功能。堆垛機的性能關系著整個立庫的運行性能，起升機構是堆垛機的重要組成部件，通過鋼絲繩與載貨臺、貨叉、貨物連接，故其安全性能對堆垛機的整機安全十分重要。堆垛機在起升過程作業中，由起升機構中的電動機驅動卷筒繞繩，以實現載貨臺貨物升降的功能。

卷筒是堆垛機起升作業過程中的主要受力部件。如圖1 所示，自動化立體倉庫行業內堆垛機起升機構卷筒由卷筒軸、卷筒體、輻板等構成，卷筒軸端與起升機構電動機減速器直接連接，卷筒體通過壓板與鋼絲繩固定端固定，鋼絲繩移動端與載貨臺動滑輪連接。電動機減速器旋轉帶動卷筒軸連同卷筒體旋轉帶動鋼絲繩纏繞，從而實現載貨臺及貨物的升降。

圖1 起升機構卷筒示意圖

目前，行業內在起升機構設計過程中為節約堆垛機巷道寬度空間，在卷筒設計制造時一般直接將卷筒軸、卷筒體、輻板等通過焊接的方式直接連接在一起。由于傳遞扭矩很大，卷筒軸一般選用含碳量較高的高強度40Cr 材質（中碳鋼）；而輻板和卷筒體處的應力較小，一般采用低碳鋼材質即可滿足使用要求。在制造過程中，雖然輻板和卷筒體的焊接性能好，但因40Cr 材質的中碳鋼卷筒軸焊接性能差，焊接工藝涉及焊前預熱，焊后熱處理、保溫工藝較繁瑣，且焊接處理不當易產生裂紋，長期使用可能會出現焊縫開裂現象，嚴重時還會威脅堆垛機的作業安全，故開展堆垛機起升機構優化設計方案對卷筒形式進行改進很有意義。

本文運用機械設計原理，提出一種堆垛機起升機構卷筒的優化設計方案，結合具體工程實例對該方案的設計細節、設計思路、計算過程、材料選型、零件設計進行詳細闡述，并在優化設計完成的基礎上運用經典力學理論和有限元仿真軟件對優化設計方案進行理論力學驗算和有限元模擬論證。優化后的堆垛機起升機構采用鍵連接扭矩傳遞的形式代替了常用的卷筒焊接工藝以傳遞扭矩，并在滿足實際工況使用要求的同時取消了卷筒軸的焊接工藝。優化后的設計方案簡化了堆垛機起升機構卷筒的制造過程，替代了卷筒軸薄弱的焊接位置，大大提升了堆垛機提升過程的安全水平。經實際工程項目驗證，優化后的設計方案滿足堆垛機長期穩定安全運行的使用要求。

1 堆垛機起升機構卷筒優化設計

圖2 為優化后起升機構卷筒示意圖。優化后的起升機構卷筒由卷筒軸、卷筒體、輻板、軸套1、軸套2、平鍵等組成。其中，卷筒軸與軸套1、軸套2 采用過渡配合，軸套1、軸套2 與卷筒體通過輻板焊接在一起，軸套2 與卷筒軸通過平鍵傳遞扭矩。在此結構中，軸套1、軸套2 均承受徑向壓力，軸套2 傳遞扭矩，軸套1 不傳遞扭矩。在優化設計方案中，軸套1、軸套2、卷筒體、輻板均為Q235 材質，卷筒軸為40Cr 材質，鍵為45 號鋼材質。該方案中，Q235 材質的低碳鋼焊接在一起，40Cr 材質的中碳鋼卷筒軸不涉及焊接工藝。因此，優化后的設計方案采用鍵連接取代了卷筒軸的焊接工藝，消除了不同材質鋼材需焊接在一起的問題，簡化了堆垛機卷筒的制造工藝，在保證堆垛機起升機構空間不增加的情況下提升了堆垛機起升機構的安全性。

圖2 優化后起升機構卷筒圖

2 優化設計方案的力學計算

以工程中的實際案例對優化設計后起升機構的卷筒方案進行校驗，堆垛機的各項參數為：總高度H＝29 750 mm，額定載荷Q＝1 035 kg，貨叉凈重Q1＝360 kg，載貨臺凈重Q2＝925 kg，載貨臺起升速度v＝40 m/min，載貨臺起升加速度a＝0.5 m/s2。

堆垛機存取的貨物最高位置標高為27 650 mm，貨物最低位置標高為650 mm，額定起升高度為27 m，起升機構設計采用雙聯卷筒，2 根鋼絲繩同時牽引載貨臺，鋼絲繩繞繩倍率為2，需要纏繞的鋼絲繩總長為54 m。

遵循堆垛機設計標準的要求，鋼絲繩采用抗拉強度等級為1 870 MPa 規格的重要用途鋼絲繩，直徑為10 mm，保證鋼絲繩的安全系數滿足許用要求。設置堆垛機起升機構名義卷筒直徑為520 mm，求得繞繩圈數最小值為35 圈，同時保留至少2.5 圈的富余量，即雙聯卷筒每側至少保證37.5 圈的繩槽。用于傳遞扭矩的鍵采用b＝28 mm、h＝16 mm、L＝180 mm 的平鍵，在卷筒軸和軸套上設計對應鍵槽，按機械設計手冊推薦設計鍵與軸套對應的配合公差，平鍵材料選用抗拉強度不低于590 MPa 性能的45 號鋼材質。結合堆垛機起升貨物的動態參數對堆垛機提升工況進行計算校核，結合堆垛機起升機構的設計方案選型得到堆垛機起升電動機減速器參數為：電動機額定功率P＝11 kW，減速器額定輸出轉速n＝26 rpm，減速器額定輸出扭矩T＝4 110 N·m。

由于優化后的方案平鍵連接處為扭矩傳遞過程中的薄弱點，故采用力學計算的方式進行優化后的連接處的強度校核。根據機械設計原理，對鍵連接的強度校核一般采用連接面的工作擠壓應力來進行核驗。連接面的工作擠壓應力為

式中：σp為鍵、軸、軸套連接面的工作擠壓應力，T為起升機構卷筒的扭矩，d為起升機構卷筒中軸直徑，k為起升機構卷筒鍵與軸套的接觸高度，l為鍵的工作長度。

在優化設計方案中，卷筒軸直徑d＝100 mm；鍵的選型尺寸為b＝28 mm，h＝16 mm，L＝180mm。由機械設計手冊可知，理論計算中的接觸高度k＝6.4 mm，鍵的工作長度l＝152 mm，T與電動機的傳遞扭矩一致，即T＝4 110 N·m。由此，可求得連接面工作擠壓應力σp＝84.5 MPa。

由于堆垛機起升機構卷筒的提升速度為40 m/min，提升加速度為0.5 m/s2，且起升導軌一般為連續焊接后打磨的整根軌道，故起升機構在提升過程中的工況屬于輕微沖擊場景。由機械設計手冊可知，鋼制材料在輕微沖擊下鍵連接的許用擠壓應力為[σp]＝120 MPa。由理論計算結果表明，本方案中鍵連接連接面的工作擠壓應力滿足許用要求。

3 優化設計方案的有限元仿真

本文采用模擬分析軟件Abaqus 來進行堆垛機起升機構卷筒的模擬仿真，Abaqus 功能強大、軟件使用性強，能很好地兼容電腦系統，適配導入的模型。在軟件中還可進行模型的修改和調整，使軟件模型更為真實可靠，其強大的模擬仿真能力可解決手工力學計算工作量大的問題。Abaqus 使用前需要用戶進行定制，對其中的單位進行設置，這樣才能使求解得到的結果與對應的計算結果相匹配，其單位制如表1 所示。

表1 Abaqus 單位制

Abaqus 有限元分析主要分為前處理、模擬分析和后處理等3 部分，前處理為對模型的實體建模、劃分網格、定義連接關系，形成計算前的模型文件；模擬分析是對模型的計算結果進行計算，可在計算機中進行自動進行；后處理則是對求解結果進行觀察分析，形成得到的各種圖表。

3.1 前處理

本文選用國際制單位SI（mm），依據堆垛機的工況和起升機構卷筒的優化設計結果，按照起升機構卷筒設計的參數將堆垛機起升機構卷筒在三維建模軟件中進行模型創建，創建完畢后將起升機構卷筒的模型導入Abaqus 中進行調整，導入后的模型如圖3 所示。由于卷筒體自身不屬于受力過程中的薄弱點，對分析結果無太大影響，且對軸套、輻板、卷筒軸的視覺效果也有遮擋，因而在建模過程中省略了卷筒體，只保留了卷筒軸、輻板、軸套1、軸套2 和鍵。在建模完成后，分別對卷筒軸、輻板、軸套1、軸套2 和鍵不同的材料設置材料屬性（即材料的泊松比、材料的彈性模型、材料的密度等），設置完成后進行堆垛機起升機構卷筒的網格劃分。該模型中的卷筒軸、鍵、軸套1、軸套2、輻板、卷筒體等的形狀均不規則，自由化分網格容易自動化分成雜亂無章的四面體并產生尖角，導致求解過程中應力過分集中，求解結果不準確。為了使分析結果更準確可靠，分析時通過反復調整設置，網格劃分為六面體，減少了尖角，并且在劃分網格時盡量使相鄰零件網格節點相對應，力求做到劃分出的網格為規則的、相鄰網格節點對應的六面體網格。

圖3 堆垛機起升機構卷筒前處理

定義起升卷筒中卷筒軸、鍵、軸套和輻板的連接關系。由于軸套與輻板之間為焊接關系，在Abaqus 中連接關系定義為綁定，直接施加Tie 約束。卷筒軸、鍵、軸套之間無硬性連接，只是在施加轉矩的情況下產生接觸，通過相互間的壓力作用傳遞扭矩，接觸關系設置為Hard Contact，考慮實際情況和計算精度因素，連接關系定義為Interaction 中的面接觸。結合對卷筒受力情況的計算結果，在前處理中施加相應力矩，即在軸端施加由電動機產生的經由減速器放大后的轉矩，轉矩值與減速器的額定轉矩一致。由于堆垛機運行過程中的加速度和卷筒自重對卷筒自身危險情況的分析結果影響微乎其微，且在模擬仿真中對卷筒軸軸端施加扭矩T即可，故在分析求解過程中忽略該部分以簡化求解過程。

3.2 模擬分析

在確認前處理無誤后，對Abaqus 求解器進行設置，Abaqus 中有隱式求解器和顯式求解器2 種求解器，Abaqus/Standard 可適用于大多數情況。本文起升機構力學分析的研究為機械力學問題，選用Abaqus/Standard求解器即可進行準確求解，并將已設置好的前處理文件提交給求解器模塊進行求解即可。

3.3 后處理

在分析計算完成后，開始進行結果分析。如圖4 所示，根據求解得的應力云圖可得到軸套的最大應力值為80.00 MPa，出現于軸套結構中鍵槽位置劃分網格突變的尖角處與鍵接觸的位置。由于扭矩在傳遞過程中通過鍵傳遞給軸套，故應力最大值在此處是合理的。同時，由于不規則軸套在劃分出的網格尖銳部位易發生應力集中，且模型不規則處亦有尖銳角出現，在實際運行過程中此處的真實應力小于模擬仿真值，即真實的應力值小于許用應力值120 MPa，可見有限元分析結果中軸套的設計也同樣滿足使用要求。

圖4 軸套應力求解結果

由圖5 所示求解結果可知，軸的最大應力值為53.38 MPa，最大應力位于軸上鍵槽圓角位置劃分網格突變的尖角與鍵接觸的位置。軸的計算結果同樣顯示由于尖角處的應力集中現象，實際使用過程中真實應力值小于模擬值，小于接觸應力的許用值，故堆垛機起升機構卷筒軸的設計同樣滿足許用要求。

圖5 軸應力求解結果

由圖6 所示求解結果可知，鍵的最大應力值為119.2 MPa，位于平鍵凸緣位置劃分網格突變不規則形狀處?？紤]到劃分網格的尖角位置易出現應力集中及求解值突變增大的現象，實際工況的應力值小于有限元分析最大值。由于擠壓應力許用值為120 MPa，鍵的最大應力小于許用值，故有限元仿真結果證實優化設計后的起升機構卷筒鍵設計方案滿足使用要求。

圖6 鍵應力求解結果

由堆垛機起升機構卷筒的有限元分析可知，無論是卷筒軸、軸套還是平鍵，經有限元分析軟件Abaqus 分析出的應力結果、扭矩傳遞接觸面危險處的應力值均小于接觸應力的許用值，故有限元分析軟件仿真得到的結果證明優化后的設計方案滿足實際使用要求。

4 總結和展望

4.1 總結

本文介紹了行業內普遍采用的起升機構卷筒設計制造方案，并基于機械設計原理，提出了一種起升機構卷筒的新型設計思路，結合實際工程案例的堆垛機需求，對堆垛機起升機構卷筒的設計計算過程、材料選型、零件設計等進行了詳細闡述。本文采用經典力學求解的方式和有限元模擬仿真方式對優化后的設計方案進行力學驗算和模擬論證，計算結果和仿真結論表明經優化后的起升機構卷筒強度滿足要求。

本方案提出的起升機構設計方案以鍵連接形式取代傳統起升機構卷筒中焊接形式，規避了焊接過程中高強度中碳鋼材料的預熱、保溫、調制等繁瑣焊接處理工藝，在簡化堆垛機制造工藝、節約堆垛機制造成本的同時提高了堆垛機設備的安全性和可靠性，可在工程項目中廣泛應用。

4.2 展望

展望未來堆垛機起升機構的發展趨勢，大起重量、高扭矩傳遞是部分細分領域的突出特點，高扭矩場合扭矩傳遞處仍是機構機械最薄弱的危險點。然而，由于大起重量的影響，起升機構此處一旦發生破壞，影響十分惡劣；而這些客觀條件中無論是采用焊接還是鍵連接的起升機構，單提升機構已不能滿足堆垛機起升的扭矩要求。尤其是有10 ～30 t 載荷貨物起重量需求的項目已經頻繁出現，此時再盲目使用焊接的處理方案具有很大的危險性，且使用單起升機構鍵連接的傳遞方案有較大局限性。在這種場合設計采用多電動機驅動、多吊點提升的方案，即同時采用多套堆垛機起升機構同時起升載貨臺和貨物，每個吊點分擔堆垛機的起重量，電氣控制上采用多吊點進行同步控制，減小單個起升機構的扭矩傳遞值的方法可很好地提高機械結構穩定性，解決起升機構扭矩大、扭矩傳遞出強度不足的問題。因此，堆垛機起升機構多驅動機械設計、電氣同步控制是堆垛機起升機構未來研究和發展的方向，在后續工作中也將開展此類方案的設計和研究。