標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)的輕量化與系列化研究*

□ 張 帆 □ 王 杰 □ 方 夏 □ 李秦川 □ 吳承俊

四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 成都 610065

1 研究背景

自動化立體倉庫的高速發(fā)展,使堆垛機(jī)不斷發(fā)展,因此堆垛機(jī)的研究對自動化立體倉庫的發(fā)展具有很大影響[1]。自動化立體倉庫中的標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)主體框架是非常典型的門式框架結(jié)構(gòu),當(dāng)前多數(shù)設(shè)計是為滿足使用強(qiáng)度和剛度。設(shè)計立柱時安全因數(shù)選取過大,造成立柱材料冗余,使立柱結(jié)構(gòu)非常笨重,并且高度系列單一。李巖等[2]通過理論計算和采用ANSYS Workbench有限元軟件,研究了標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)立柱的撓曲變形。王凌琳等[3]通過有限元分析的方法對雙立柱巷道式堆垛機(jī)進(jìn)行了仿真分析,得到立柱所受應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況。王銳等[4]應(yīng)用SolidWorks軟件建模,并通過Simulation插件對臥式加工中心立柱進(jìn)行靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有效提高了立柱靜態(tài)剛度。焦洪宇等[5]通過模型試驗研究,在滿足強(qiáng)度及剛度要求的前提下,采用周期性去除材料的方法,實現(xiàn)了起重機(jī)主梁輕量化的目的。朱強(qiáng)等[6]經(jīng)過有限元分析計算,得到了同時滿足多種工況載荷的起重機(jī)主梁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實現(xiàn)了對偏軌箱形主梁合理減重的目的。張亮有等[7]基于有限元分析,對橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行輕量化設(shè)計,優(yōu)化后主梁質(zhì)量減小了17.14%。筆者基于有限元分析,通過參數(shù)化分析對標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)進(jìn)行系列化設(shè)計,并進(jìn)行試驗驗證,同時基于拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計。在滿足生產(chǎn)要求及裝配要求的前提下,原型號標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)最終實現(xiàn)了質(zhì)量減小16.94%。

2 堆垛機(jī)模型

筆者以DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)為對象,該型號雙立柱堆垛機(jī)整機(jī)高度為9 930 mm,立柱高度為8 946 mm,截面尺寸為300 mm×300 mm,壁厚為10 mm,單根質(zhì)量約為843 kg,兩根立柱中心跨距為2 200 mm,額定載質(zhì)量為1 000 kg,額定加速度為0.3 m/s2。

將DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)的三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件,并進(jìn)行必要的簡化處理,然后再通過SolidWorks軟件插件將簡化后的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,在Geometry模塊內(nèi)對三維模型進(jìn)一步簡化,如刪除多余面、孔等。使用梁單元模擬螺栓連接,使用殼單元代替立柱實體單元,將對仿真結(jié)果影響較小的附件,如爬梯、卷揚機(jī)、各類傳感器等刪除或用等效質(zhì)量代替[8]。最終DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)簡化模型如圖1所示。

▲圖1 DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)簡化模型

3 有限元靜力學(xué)分析

在Workbench軟件中設(shè)置DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)簡化模型的材料參數(shù),見表1,材料為Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼。

表1 DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)模型材料參數(shù)

網(wǎng)格質(zhì)量是影響仿真結(jié)果的重要因素,為保證有限元仿真速度及求解精度,提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量至關(guān)重要。仿真模型采用六面體網(wǎng)格,針對不同部件劃分不同尺寸的單元,最終DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)仿真模型共產(chǎn)生315 409個單元、768 340個節(jié)點。

DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)上橫梁、立柱及下橫梁間采用螺栓連接,因此對模擬螺栓的梁單元施加螺栓預(yù)緊力,以分析連接法蘭應(yīng)力分布情況?；趯ψ钗ｋU工況即工作臺及貨物處于起升最高點且加速度最大狀態(tài)進(jìn)行分析,工作臺及貨物對上橫梁所產(chǎn)生的力以四個等效質(zhì)量點分別擬合在原滑輪軸受力處,對前立柱內(nèi)側(cè)所產(chǎn)生的慣性力以等效力施加在工作臺兩個側(cè)輪與立柱內(nèi)側(cè)接觸區(qū)域,同時對整機(jī)施加標(biāo)準(zhǔn)地球重力加速度9.8 m/s2及沿水平方向加速度。

DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)位移云圖如圖2所示,應(yīng)力云圖如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看到,該型號雙立柱堆垛機(jī)最大位移位于上橫梁滑輪軸支架位置,最大應(yīng)力在立柱與下橫梁螺栓連接處。立柱最大位移位于立柱頂端,最大應(yīng)力在立柱根部。前立柱最大位移為2.584 mm,后立柱最大位移為2.566 mm,前立柱最大應(yīng)力為13.643 MPa,后立柱最大應(yīng)力為25.202 MPa,均小于立柱的許用撓度8.946 mm和許用應(yīng)力158 MPa。因此,該型號堆垛機(jī)立柱的剛度及強(qiáng)度較大,后續(xù)系列化及輕量化設(shè)計存在可提升的空間。

▲圖2 DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)位移云圖

▲圖3 DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)應(yīng)力云圖

4 輕量化及系列化分析

基于DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)有限元仿真結(jié)果,在滿足立柱上導(dǎo)軌、靠板及認(rèn)址片等其余部件裝配要求的基礎(chǔ)上,對立柱截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化,并在對應(yīng)截面尺寸下對立柱高度進(jìn)行系列參數(shù)化分析。將變結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)為分析參數(shù),包括立柱沿水平方向?qū)挾萈1、P2和立柱高度P3,如圖4所示。

▲圖4 分析參數(shù)

將建立的DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,對分析模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。為滿足立柱其余部件裝配要求及載重需求,經(jīng)研究分析,設(shè)定P1、P2下限值為220 mm,上限值為300 mm,尺寸梯度為20 mm,P3下限值為10 m,上限值為18 m,仿真分析參數(shù)見表2。

表2 仿真分析參數(shù)

將仿真參數(shù)在Excel軟件中繪制成表格,再導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件參數(shù)分析界面[9]。經(jīng)ANSYS計算求解,得到標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)立柱在不同參數(shù)下的最大撓度分析結(jié)果,如圖5所示。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的立柱最大許用撓度不大于P3/1 000[10],在每組系列下,立柱高度P3最大仿真尺寸所得到的立柱最大撓度均略大于許用撓度。根據(jù)工程經(jīng)驗,撓度符合生產(chǎn)要求。

▲圖5 不同參數(shù)下立柱最大撓度

同時,對DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)進(jìn)行仿真計算,得到標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)尺寸優(yōu)化后的立柱最大撓度為4.84 mm,如圖6所示。立柱最大撓度符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),并且實現(xiàn)立柱減重16.94%,有效減小立柱質(zhì)量,達(dá)到輕量化的目的。

▲圖6 尺寸優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)位移云圖

5 立柱頂端撓度試驗

筆者以DSZ1J1-18標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)為試驗對象,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)立柱頂端撓度測試試驗。該型號標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)在系列化及輕量化分析中P1、P2為300 mm,P3為18 m。通過對該型號標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)進(jìn)行立柱頂端撓度試驗分析,驗證有限元仿真過程的正確性。試驗時,將加速度傳感器及信號發(fā)射裝置通過電磁鐵吸附在立柱頂端,通過加速度傳感器記錄雙立柱堆垛機(jī)運行過程中加速度變化,并對每次采樣進(jìn)行積分得到每個采樣周期的立柱頂端撓度。試驗設(shè)備安裝如圖7所示。

▲圖7 試驗設(shè)備安裝

將計算機(jī)采集到的試驗數(shù)據(jù)以表格形式導(dǎo)出,并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化處理,繪制出立柱頂端撓度變化曲線,如圖8所示。

▲圖8 立柱頂端撓度變化曲線

由圖8可知,DSZ1J1-18標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)立柱頂端撓度最大值為21.13 mm,與有限元模型仿真計算所得的撓度最大值19.49 mm基本相符,驗證了標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)有限元仿真模型的正確性及施加邊界條件的合理性。試驗結(jié)果的差異可能是由堆垛機(jī)在非理想環(huán)境下使用所造成的,使數(shù)據(jù)偏大。

6 結(jié)束語

筆者使用SolidWorks軟件對DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)進(jìn)行三維模型優(yōu)化,通過ANSYS Workbench軟件建立有限元仿真模型,對原模型及系列化模型進(jìn)行有限元計算分析。對DSZ1J1-18標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)實際使用場景搭建試驗平臺,對立柱頂端撓度進(jìn)行測試,并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比,兩者結(jié)果基本一致,驗證了仿真過程的可靠性。

有限元仿真結(jié)果表明,通過改變DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)立柱截面尺寸,可以實現(xiàn)單根立柱減重16.94%,實現(xiàn)輕量化的目的。同時,通過對DSZ1J1-1標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)進(jìn)行系列化研究,得到標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)在不同立柱截面尺寸、不同立柱高度下的立柱最大撓度,為標(biāo)準(zhǔn)雙立柱堆垛機(jī)的后續(xù)設(shè)計及研究奠定了基礎(chǔ)。