單立柱堆垛機的載貨臺輕量化設(shè)計

文/蔣晶

堆垛機是自動化立體倉庫中的核心物流設(shè)備，常用的堆垛機包括單立柱堆垛機和雙立柱堆垛機。單立柱堆垛機由一根立柱和下橫梁組成，相比雙立柱堆垛機，單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)剛性更弱。載貨臺相對于單立柱為懸臂結(jié)構(gòu)，載貨臺自重的增加不僅會增加堆垛機立柱的擾度，使貨叉端部擾度增加，而且會增加堆垛機立柱啟停時的晃動幅值和振蕩時間，使堆垛機貨叉開始工作的等待時間延長，降低堆垛機的工作效率[1]。

本文分析了單立柱堆垛機載貨臺輕量化設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)和評價指標(biāo)，結(jié)合單立柱托盤堆垛機載貨臺設(shè)計，提出了具體的輕量化設(shè)計方法，并通過計算其自重與承重比值、導(dǎo)向輪輪壓、強度和變形來驗證了輕量化的評價指標(biāo)。

一、單立柱堆垛機載貨臺輕量化關(guān)鍵參數(shù)分析

單立柱堆垛機的載貨臺的基本結(jié)構(gòu)，包括水平框架、垂直框架、鋼絲繩滑輪、X方向?qū)蜉啞方向?qū)蜉?、防墜落裝置等。其中，水平框架用于安裝貨叉，為懸臂結(jié)構(gòu)，垂直框架用于安裝鋼絲繩滑輪、X方向與Z方向?qū)蜉喓头缐嬄溲b置。

堆垛機工作時，載貨臺主要承受X方向和Z方向的交變彎曲應(yīng)力作用。實踐證明，提高水平框架的抗彎能力、垂直框架的抗扭能力，對提高載貨臺的強度、降低其變形有較大作用。X方向和Z方向的彎矩通過導(dǎo)向輪保持平衡，為了保證導(dǎo)向輪的輪壓滿足最大靜強度和疲勞強度的要求，需要合理設(shè)計導(dǎo)向輪間距。

載貨臺輕量化設(shè)計就是在滿足其強度、變形和導(dǎo)向輪輪壓的前提下，盡量使自重更輕。為此，將與載貨臺強度、變形和導(dǎo)向輪輪壓相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)提取出來，通過優(yōu)化這些參數(shù)，來達到輕量化載貨臺的目的。這些關(guān)鍵參數(shù)包括：負載距導(dǎo)軌中心間距Lp，提升滑輪距導(dǎo)軌中心間距Le，導(dǎo)向輪間距Sx，Sy，水平框架抗彎截面系數(shù)Wh，垂直框架抗扭截面形式Wv。關(guān)鍵參數(shù)如圖1所示，各參數(shù)詳細說明如表1所示。

圖1 單立柱堆垛機載貨臺輕量化關(guān)鍵參數(shù)

表1 單立柱堆垛機載貨臺輕量化關(guān)鍵參數(shù)分析

二、載貨臺輕量化評價指標(biāo)

載貨臺的輕量化設(shè)計完成后，我們可以通過對導(dǎo)向輪輪壓、強度、變形進行計算，驗證是否滿足要求，并可以通過自重與承重比值，來衡量輕量化的效果，載貨臺輕量化可以從以下幾個指標(biāo)進行衡量，如表2所示。

表2 單立柱堆垛機載貨臺輕量化評價指標(biāo)

三、單立柱托盤堆垛機載貨臺輕量化設(shè)計

根據(jù)以上分析，設(shè)計了一款用于單立柱托盤堆垛機的載貨臺，其技術(shù)參數(shù)為：負載尺寸為1200×1200mm，雙深貨叉，最大載重為750kg，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該載貨臺自重為530kg，自重與承重比為0.7。設(shè)計過程中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化方法，如表3所示。

圖2 單立柱托盤堆垛機輕量化載貨臺

表3 20m單立柱堆垛機載貨臺輕量化設(shè)計方法

四、輕量化載貨臺校核

1.導(dǎo)向輪輪壓校核計算

如圖2所示，輕量化后的載貨臺自重G1=530kg，貨叉及其他附件總重G2=850kg，最大負載G3=750kg，貨叉完全伸出后，負載距兩側(cè)導(dǎo)向輪中心距離L=2445mm，載貨臺、貨叉及其他附件重心距導(dǎo)軌距離Lx=510mm，Ly=180 mm；負載距導(dǎo)軌中心間距Lp 為1020 mm，滑輪距導(dǎo)軌中心間距Le為300mm，X方向?qū)蜉嗛g距Sx為960 mm，Z 方向?qū)蜉嗛g距Sz 為1200mm。

靜止裝態(tài)時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)g

加速提升時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)(g+a)

減速下降時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)(g-a)

根據(jù)力的平衡方程可知：

由以上公式可知，當(dāng)空載靜止時，X方向?qū)蜉喿钚≥唹篜x/min=1449N，Z方向?qū)蜉喿钚≥唹篜z/min=2070N；當(dāng)滿載加速提升時，X方向?qū)蜉喿畲筝唹篜x/max=4309N,Z方向?qū)蜉喿畲筝唹篜z/max=17350N；根據(jù)等效輪壓公式Pmean=(Pmin+2Pmax)/3可知，Px/mean=3356N;Pz/mean=12257N。

導(dǎo)向輪的外徑尺寸D=110mm，寬度L=30mm，根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范GB/T 3811-2008中滾輪許用輪壓的經(jīng)驗公式PL=KDLC，許用靜強度經(jīng)驗公式Pk=1.9KDL計算，可知導(dǎo)向輪許用輪壓PL=15682N；許用靜強度Pk=45144N，其中：

K為滾輪的許用比壓，根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范GB/T 3811中表46《車輪與滾輪許用比壓》，K 選取7.2。

D為滾輪的踏面直徑為110mm。

L為滾輪與軌道承壓面有效接觸寬度為30mm。

C為計算系數(shù)，C=C1C2，C1為轉(zhuǎn)速系數(shù)，C2為工作級別系數(shù)，該載貨臺最大提升速度為1m/s，根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范GB/T 3811中表47《車輪轉(zhuǎn)速系數(shù)C1》和表49《工作級別系數(shù)C2》，選取C1為0.66，C2為1，計算得C為0.66。

載貨臺導(dǎo)向輪輪壓，應(yīng)該同時滿足靜強度要求和疲勞強度要求，校核公式如下：

滾輪的疲勞強度應(yīng)滿足：Pmean≤PL

滾輪的靜強度應(yīng)滿足：Pmax≤1.9kDL

根據(jù)以上計算可知，PL/Px/mean=4.67，PL/Pz/mean=1.28；Pk/Px/max=10.5，Pk/Pz/max=2.6，該導(dǎo)向輪的輪距滿足輪壓要求。

2.載貨臺強度和變形校核

堆垛機載貨臺強度設(shè)計時，可采用類比法和有限元計算相結(jié)合的方式，可以通過有限元計算獲得載貨臺在危險工況下的危險點的最大應(yīng)力和最大變形。單立柱堆垛機在貨叉完成伸出取貨，負載最大時為最危險工況，其水平框架和垂直框架的根部為應(yīng)力的危險點。

采用Solidworks軟件的simulation進行有限元計算，忽略焊縫的影響，將所有零件聯(lián)接為一個整體，以簡化模型，同時不考慮貨叉自身的變形，將貨叉設(shè)置為剛性，來獲得因載貨臺變形引起的貨叉端部的最大變形量，分析結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 載貨臺危險點應(yīng)力分布圖

圖4 載貨臺應(yīng)變分布圖

根據(jù)有限元分析可知，在最危險工況下，載貨臺水平框架根部最大應(yīng)力約為76Mpa，垂直框架根部最大應(yīng)力約為63Mpa，材料采用Q345B，安全系數(shù)為4.5倍，強度滿足設(shè)計要求

由于載貨臺許用變形量目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此參考《JB/T 7016-1993 有軌巷道堆垛起重機 技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)JB/T 7016-93的要求，載貨臺水平框架和垂直框架垂直度要求小于2mm，且只允許上翹，因此以貨叉滿載且完全伸出情況下，載貨臺水平框架的最大變形應(yīng)小于2mm為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，保證在最危險工況下，載貨臺仍然不會有下垂現(xiàn)象。根據(jù)分析可知，載貨臺在最危險工況下的最大變形量約為1.7mm，滿足設(shè)計要求，此時貨叉端部的擾度變形約為7.7mm，托盤堆垛機貨叉取放貨時微升降速度一般為5m/min，因載貨臺變形引起的貨叉端部的最大變形量，將會使堆垛機取放貨物時間增加0.5s左右。

五、結(jié)論

通過單立柱堆垛機載貨臺輕量化設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的提取，并結(jié)合實際設(shè)計證明，該載貨臺輕量化的設(shè)計參數(shù)和方法能夠快速有效地完成輕量化設(shè)計目標(biāo)，大大縮短設(shè)計時間，并且該方法也能應(yīng)用于雙立柱堆垛機、輕載箱式堆垛機等載貨臺的輕量化設(shè)計。