面向冷鏈的四向穿梭車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與可靠性分析

張洪鵬 王 成 王子豪 劉 振

（濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，濟南 250022）

冷鏈物資自動化立體倉庫是一種利用高層貨架存儲冷鏈物資的新型倉儲設(shè)施。目前，我國智能立體倉庫的建設(shè)剛剛起步，體系還不完善，特別是適用于冷鏈倉庫的自動化搬運設(shè)備十分匱乏。

PLOEG 等人設(shè)計一種新型的四輪自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV），并對其進(jìn)行系統(tǒng)仿真研究[1]；AMATO 等人對穿梭車的使用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[2]；GUO 等分析了穿梭車自動存取系統(tǒng)的性能[3]；白光利通過調(diào)研目前市場冷庫自動化應(yīng)用案例并通過重點分析四向穿梭車立體庫與堆垛機立體庫，指出自動化立體庫是未來冷庫運營發(fā)展的趨勢[4]。

四向穿梭車具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸方便的特點，雖然其在煙酒等輕載行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是在冷鏈肉類倉儲等方面的應(yīng)用中存在不足。冷凍肉類出入庫的頻次高、吞吐量大，因此要求設(shè)備有較好的可靠性、疲勞壽命，而目前大多數(shù)穿梭車設(shè)備無法滿足需要[5]。因此，自主研發(fā)適用于冷鏈的智能倉儲四向穿梭車，有利于進(jìn)一步推動物流行業(yè)的發(fā)展。

1 傳統(tǒng)四向穿梭車介紹

傳統(tǒng)四向穿梭車的控制系統(tǒng)采用的是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[6]，行走系統(tǒng)采用的是鏈條與鏈輪組合，舉升換向系統(tǒng)采用的是齒輪齒條組合。傳統(tǒng)的四向穿梭車的設(shè)計已不符合當(dāng)下冷鏈倉儲的要求，在機械結(jié)構(gòu)方面主要體現(xiàn)在以下方面。第一，傳統(tǒng)鏈條組合鏈條易松動，漲緊鏈輪易斷裂，導(dǎo)致穿梭車定位不準(zhǔn)確且后期維修保養(yǎng)麻煩。第二，齒輪齒條舉升機構(gòu)僅適用于低載環(huán)境，設(shè)計中將用于冷鏈肉類食品的出入庫，承載質(zhì)量達(dá)1.5 t，因此亟須一種新的舉升換向機構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機構(gòu)。第三，設(shè)計用于-26 ℃冷庫，設(shè)備的泊松比和彈性模量等都會改變，因此需合理設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)及低溫驗證。現(xiàn)有傳統(tǒng)四向穿梭車的組成部分如圖1 所示，部分性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 現(xiàn)有四向穿梭車部分性能指標(biāo)

圖1 現(xiàn)有四向穿梭車

2 四向穿梭車系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的新型四向穿梭車的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括行走機構(gòu)、換向機構(gòu)等。在UG 軟件中建立三維模型，并利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析和關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計。

2.1 X/Y 向行走機構(gòu)設(shè)計

四向穿梭車行走機構(gòu)的主要作用是讓穿梭車沿著子母軌軌跡直線運動，其設(shè)計直接決定穿梭車是否能平穩(wěn)運行。選用齒輪結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鏈輪結(jié)構(gòu)，比鏈輪更穩(wěn)定，使傳動平穩(wěn)、清潔、無摩擦和能耗、無油污、防塵防水，可以大幅降低長期維護(hù)成本，提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。行走機構(gòu)三維圖如圖2 所示。

圖2 四向穿梭車行走機構(gòu)三維圖

2.2 舉升換向機構(gòu)設(shè)計

四向穿梭車采用不完全齒輪加凸輪升降換向機構(gòu)。該機構(gòu)不僅可以實現(xiàn)穿梭車穿越軌道平穩(wěn)、快速的方向切換，而且節(jié)省換向時間。舉升換向機構(gòu)如圖3所示。

圖3 四向穿梭車舉升換向機構(gòu)三維圖

2.3 三維建模與關(guān)鍵零部件的有限元分析

四向穿梭機三維模型的整體外觀如圖4 所示。建立四向穿梭車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的有限元參數(shù)模型，基于ANSYS 軟件分析其在-26 ℃的剛強度校核和疲勞，并進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計。

圖4 四向穿梭車整體三維模型

四向穿梭車的升降機構(gòu)等部件在運行過程中會承受較大的應(yīng)力，其性能將影響存取貨物的效率和工作的可靠性。采用ANSYS 軟件對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，使頂升板等關(guān)鍵部件在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度條件的同時，盡可能節(jié)省材料、降低成本。優(yōu)化前后頂板在-26 ℃條件下的最大應(yīng)力云圖如圖5 所示，優(yōu)化后頂板總變形圖如圖6 所示。

圖5 頂升板優(yōu)化前后的最大應(yīng)力云圖

圖6 頂升板優(yōu)化前后總變形圖

由設(shè)計點可知，該裝置的最小變形為1.657 4 mm，最大變形為3.731 6 mm，最小等效應(yīng)力為275.33 MPa，最大等效應(yīng)力為362.42 MPa。為了更好地選取頂升平板的各項數(shù)據(jù)，需要分析舉升板長D1、寬L1、厚H1與整體變形量和最大等效應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系，其中舉升板的長寬與變形和應(yīng)力的三維響應(yīng)面如圖7 所示。

圖7 D1、L1、H1 與變形、應(yīng)力三維響應(yīng)面

優(yōu)化前頂升板所受最大應(yīng)力為38.5 MPa。經(jīng)過計算設(shè)置優(yōu)化條件與參數(shù)得到頂升板的結(jié)構(gòu)尺寸最優(yōu)解，優(yōu)化后的變形為27.2 MPa，優(yōu)化后的最大變形為2.2 mm。

3 樣機實驗

3.1 性能指標(biāo)設(shè)定

四向穿梭車的性能指標(biāo)如表2 所示。該四向穿梭車的續(xù)航時間為7～8 h，車體高度為140 mm，充電時間為2 h，使用溫度為-26～20 ℃，額定承載質(zhì)量為1 500 kg。

表2 性能指標(biāo)

3.2 整車性能測試

通過以上的研究，制作出面向冷鏈立體倉庫的新型四向穿梭車樣機，如圖8 所示。通過樣機試驗驗證四向穿梭車的行走、舉升方案的可行性，并進(jìn)行可靠性實驗驗證四向穿梭車的可靠性。經(jīng)多個工作任務(wù)與實際測量，驗證該四向穿梭車均滿足各項技術(shù)指標(biāo)，整車在冷庫中運行良好，滿足使用條件。

圖8 四向穿梭車樣機

4 結(jié)語

根據(jù)目前穿梭車存在的不足，針對四向穿梭車的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型四向穿梭車，通過實驗驗證該四向穿梭車達(dá)到了冷庫運行的基本條件，對于冷鏈立體倉庫的穿梭車結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)具有一定的參考價值。