單梁結構在巷道堆垛機中的應用研究

張 辰 岳森峰 張煜哲 趙志理 孫樹峰

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

0 引言

自動化立體倉庫作為物流供應鏈中最核心的周轉體，廣泛應用于自動化倉儲領域。作為自動化立體倉庫核心設備的有軌巷道堆垛機因其穩定性強、作業效率高等特點得到了所屬領域的認可，越來越多地應用到實際項目中。近年來，隨著物流產業的高速發展，自動化立體庫項目逐漸增多，對巷道堆垛機的需求呈現了爆發式的增長。然而，受限于巷道堆垛機的結構，且出于穩定性考慮，其產能受到了極大的限制，致使制造生產無法滿足實際項目所需，制造工期長成為亟待解決的問題。

為了解決上述問題，經過多方調研，并參考多種起重機結構，橋式起重機中的單梁結構可有限度地應用到堆垛機的立柱結構上。在應用過程中，需根據國家標準GB/T 3811—2008《起重機設計規范》的要求對結構進行優化設計，使其在滿足許用要求的情況下提升堆垛機的穩定性和加工效率。另外，還需要考慮堆垛機在制造、安裝與維護成本上同原有結構的差距。

本文基于Ansys 有限元分析方法，在堆垛機的撓度變形許用范圍內，將工字鋼焊接導軌的原有結構使用單梁結構進行替代，為提升堆垛機產能，降低生產成本提供了新的思路和研究方向。

1 單立柱堆垛機結構組成

如圖1 所示，單立柱堆垛機主要由天軌、立柱、載貨臺、貨叉、升降驅動裝置（起升機構）、電控系統（電氣柜）、水平行走驅動裝置、底架（下橫梁）和地軌等組成。升級驅動裝置與載貨臺安裝在立柱上，立柱與電控系統同過法蘭栓接安裝在底架上，天軌與地軌則作為堆垛機的水平運動導向裝置，其余還有各種限位、限速、機械死擋和抱閘鉗等作為堆垛機的安全裝置。

圖1 單立柱堆垛機結構組成

2 堆垛機立柱結構

2.1 工字鋼立柱結構

如圖2 所示，工字鋼原有立柱結構由上法蘭、下法蘭、腹板、側蓋板、導軌、工字鋼等組成，所有結構間均采用焊接連接而成梯形箱式結構，箱體內通過焊接筋板提升整體強度。工字鋼作為立柱結構中的主要承力模塊，其耐老化、使用壽命長、抗沖擊和耐磨損等特性提升了立柱的整體穩定性，從而延長了堆垛機的使用壽命。然而，以工字鋼為主要承力結構的立柱缺點也很明顯。導軌需要通過人工焊接到工字鋼上，焊接對工字鋼力學性能產生的影響即使可以忽略不計，仍會導致導軌的表面產生塑性形變，再加上人工焊接10 ～30 m 長的導軌時很難保證所有焊縫尺寸的一致性。在這種情況下，保證導軌的直線度在許用誤差要求范圍內成為加工的難題，因而會造成載貨臺在垂直巷道方向運行過程中產生摩擦與異響，甚至有脫軌的風險。綜上所述，在工字鋼結構中，保證導軌的直線度基本上完全依靠焊工的技術與經驗，這種方法無法完全保證工人能在任何條件下按照圖紙所要求的尺寸公差與形位公差進行加工。因此，需要改進加工方法，提升加工精度，盡可能地避免環境與人為因素的影響。

圖2 工字鋼結立柱結構示意圖

2.2 單梁立柱結構

傳統橋式起重機的單梁結構是由4 塊鋼板焊接成的矩形梁式結構，內部筋板焊接在矩形內壁上，提升了整體結構強度與穩定性。其整體的焊接工藝均可通過機器人完成，焊縫尺寸均勻，對焊接表面的力學性能產生的影響相對更小。

將單梁結構應用到堆垛機立柱結構的過程中，為了更適合堆垛機運行工況，進行了適應性設計。如圖3 所示，單梁立柱結構由上法蘭、下法蘭、腹板、側蓋板和導軌背板等組成，所有組件均采用焊接連接而成梯形箱式結構，內部通過在2 塊腹板與導軌背板的內壁三面焊接筋板來提升立柱結構的整體強度。

圖3 單梁立柱結構示意圖

相比于工字鋼結構，單梁立柱結構由1 塊導軌背板取代了工字鋼和導軌，其優勢在于該導軌背板作為型材能保證導軌的直線度。另外，在加工過程中減少了一道焊接程序，從而減少了對材料力學性能的影響。作為與橋式起重機單梁結構同源的設計方案，該堆垛機立柱在加工過程中，機器人可完全取代人工完成所有的焊接工藝，在提升加工效率的同時避免了人工操作產生較大誤差的可能性。通過本設計過程可知，單梁立柱結構的缺點很明顯。一整塊鋼板的力學性能明顯低于工字鋼，且在重載、超高等工況下，其在振動和擺幅等方面的劣勢更加明顯。

3 有限元分析對比研究

3.1 Ansys 及有限元分析方法

Ansys軟件是世界上最通用的計算機輔助工程軟件，大多數主流三維設計軟件可與Ansys 實現數據交換，如Inventor、AutoCAD、Creo 等，同時也是在靜態結構、模態分析、液體、核能、電場和等離子場分析等方面最主流的綜合性有限元分析軟件。Ansys 軟件的有限元分析功能涵蓋了機械制造、航空航天、石油工業、汽車交通、土木建造、造船、醫學、水利、生物、鐵路和能源等領域，其以功能強大、界面簡潔、操作簡單方便等優點被國內理工類高校和科研院所作為有限元分析教學與實驗的標準軟件。

使用數學近似的方法模擬真實物理系統的幾何與載荷工況是有限元分析的核心理論，然后將復雜的問題用相對簡單的問題逐次替代并求解，即可實現將無限未知量的現實系統通過有限的未知量進行重現。航空航天領域的航天器結構強度計算最先開始應用有限元分析法，隨著計算機的快速普及和發展，以及有限元分析軟件的紛紛面世，有限元分析法憑借其高效和準確的特點已廣泛應用于幾乎所有的科學技術領域。

3.2 對立柱結構進行力學分析

堆垛機在啟動和停止時，立柱受到來自下橫梁的水平力。同時，起升機構通過鋼絲繩牽引載貨臺在豎直方向上做加、減速運動，此種工況下巷道堆垛機立柱結構承力最大，考慮理論極限情況，對此種工況進行力學分析，其受力情況如圖4 所示。

圖4 立柱結構力學分析示意圖

3.3 工字鋼立柱結構有限元分析

應用三維建模軟件對截面寬度標準為860 mm、高度為10 m 的工字鋼形式立柱進行建模，在建模完成后，應用Ansys 對模型進行分析。

在Ansys 中，將工字鋼賦予為常用結構鋼的材料屬性，將其他部分應用Q235 鋼材屬性，之后對模型進行0.01 mm 為單位大小的均勻矩形網格化劃分。在劃分完成后，按圖4 所示立柱結構受力情況分別對模型施加自重、加速度、載貨臺自身慣性力、立柱自身慣性力、上橫梁對立柱的正壓力、載貨臺對立柱產生的彎矩進行分析。最后，模擬下法蘭固定在下橫梁上的實際情況，限制下法蘭在所有方向上的自由度，使其不能產生位移。

在完成以上步驟后，使用Ansys 進行有限元分析求解，得到圖5 所示結果。由圖5 可知，應力變形主要集中在立柱頂端，方向為朝向載貨臺方向，其變形量為3.112 6 mm，能夠達到GB/T 3811—2008《起重機設計規范》中規定的立柱高度10 m 以內堆垛機撓度不得超過立柱高度的1/1 000 的要求，即10 m 立柱的變形應小于10 mm。然而，在實際工作中，因為堆垛機的特殊性必須滿足定位精確、響應迅速的要求，所以在一般計算過程中會保證其最大撓度不超過立柱高度的1/500，即5 mm。另外，還可得到最大主應力為8.783 2 MPa，遠低于75 MPa 的許用要求。

圖5 工字鋼結構立柱有限元分析結果

3.4 單梁立柱結構有限元分析

單梁立柱結構的三維模型與工字鋼立柱結構截面大小相同，高度為10 m。以相同的網格劃分大小和受力情況對單梁立柱結構進行求解，得到圖6 所示結果。由圖6 可知，單梁立柱結構的撓度變形集中在立柱頂部，其變形量為3.437 5 mm，小于5 mm，滿足許用條件；最大主應力為9.878 MPa，滿足許用條件。對比有限元分析結果可知，單梁立柱結構的力學性能不如工字鋼立柱結構，其撓度形變相差10%，應力亦相差12%。考慮到堆垛機的力學性能對整體系統運行的穩定性與響應的準確性有較大的影響，且實際工況比理論計算更加惡劣的情況，整體性能差距為20%～30%。

圖6 單梁立柱結構有限元分析結果

3.5 優化設計后的有限元分析

根據前述得出的結果，需要對單梁立柱結構整體進行優化設計，減小撓度變形最有效的方法是增加立柱截面大小和更換材料。因此，將860 mm 的標準截面大小提高20%，并取整至1 060 mm，導軌背板的材料由Q235 更換為Q355；其余部件等比例增大，高度不變。

在模型完成并導入Ansys 后，與前2 組有限元分析進行相同大小的網格劃分和受力施加，求解得到圖7所示結果。由圖7 可知，增大后的單梁立柱結構的總形變減小到2.091 4 mm，小于5 mm，滿足許用要求；相比于860 mm 截面的工字鋼立柱機構的總形變量減小了33%。最大主應力為8.522 2 MPa，遠小于許用值75 MPa，對比減小了3%。

圖7 優化后單梁立柱結構分析結果

3.6 模態有限元分析

在完成2 種860 mm 截面和優化后1 060 mm 截面的3 種結構的靜力學有限元分析和動態有限元分析后，再次對這3 種結構進行模態有限元分析，以驗證在模態下這3 種結構的頻率是否滿足要求。

根據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，堆垛機模態的最大頻率應大于1 Hz。在Ansys 的模態有限元分析模塊中，將靜力學結構有限元分析中對這3 種結構所施加的自然條件、力學條件和加速度以同樣大小和方式施加在模態有限元分析中，同時網格劃分的單位尺寸與自由度限制也與靜力學結構有限元分析中的相同，所有條件確認添加完成后對模型進行求解。經過Ansys分析求解，860 mm 工字鋼結構、860 mm 單梁結構、1 060 mm 單梁結構的最大頻率分別為3.011 3 Hz、3.248 4 Hz、2.719 2 Hz，均滿足許用要求1 Hz。

4 Ansys 有限元分析對比

在完成這3 種模型的靜態力學有限元分析和模態有限元分析后，得到表1 所示結果。由表1 可知，在立柱高度同為10 m、除自身重力外其余力學條件全部相同的狀況下，相同截面尺寸的單梁結構立柱的力學性能不如工字鋼結構立柱，但質量有所減輕。另外，工字鋼結構的頻率趨近于1 Hz，優于單梁結構的。

表1 Ansys 有限元分析結果對比表

在靜力學有限元分析中，改進設計后的1 060 mm截面單梁結構數據全面優于860 mm 截面的2 種結構。在模態有限元分析中，其數據也更趨近于1 Hz，說明結構更有優勢。在質量方面，為提升力學性能，保證作業過程安全，增加了200 mm 截面大小，內部筋板由860 mm 截面的7 塊提升到了10 塊，質量相應有所提升。

通過對這3 種模型的有限元分析數據對比可以看出，優化后的1 060 mm 截面立柱是完全可以在10 m左右高度的堆垛機中取代工字鋼結構立柱。但是，需要考慮到截面大小增加后立柱質量的提升會使堆垛機輪組承受的輪壓有所升高，下橫梁整體承受的壓力會有所提升。

5 結論與展望

1）有限元分析數據方面 由前述對比分析可以得出單梁結構完全可以應用到巷道堆垛機中，但出于運行穩定、安全生產和現場工況復雜等方面的考慮，單梁結構要比工字鋼結構的立柱截面提升20%左右，同時部分結構件需要更換材料，而改進性設計之后的單梁結構，整體力學性能完全可以應對各種復雜的工作情況。

2）加工制造方面 單梁結構相比于工字鋼結構去掉了單獨的導軌，用一整塊鋼板型材進行替代，同時所有焊接部位均可用機器人替換人工進行加工，在提升加工效率的同時既減少了焊接所需部位，又減少了因人工焊接導致焊縫尺寸與焊接不均不均勻的情況，保證了立柱結構的各項公差要求。

3）制造成本方面 在相同截面尺寸情況下，單梁結構的質量低于工字鋼結構，制造成本有所降低。然而考慮到整體力學性能、結構穩定性和復雜的實際運行工況等因素，提高整體截面大小，且背板材料由Q235 更換為Q355，致使整體質量上升，相應地制造成本在工字鋼結構的基礎上提高了約8.3%。

綜上所述，單梁結構應用到巷道堆垛機中是完全可行的，不僅可以提升加工效率，還能保證加工質量，可以滿足現今市場對巷道堆垛機的高需求量。當然，在立柱整體截面大小、質量和制造成本方面還有提升的空間和改進的必要。今后的研究方向應會更多地轉向提高立柱的高度，使單梁立柱結構的巷道堆垛機可在20 ～30 m 的常規高度立體庫中得到普及性應用。在提高高度的同時，單梁結構立柱的防搖擺研究也需要同步進行，以保證巷道堆垛機在沿巷道方向上的整體穩定性。

單梁結構的巷道堆垛機目前還處于初始研發階段，并未普及應用，其市場前景廣闊，研究價值極高，隨著物流市場的增長和自動化立體倉庫的增多，憑借其在加工制造和整體性能上的優勢，市場占有率會隨之增加。