面向冷鏈的四向穿梭車(chē)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性分析

張洪鵬 王 成 王子豪 劉 振

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

冷鏈物資自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是一種利用高層貨架存儲(chǔ)冷鏈物資的新型倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施。目前，我國(guó)智能立體倉(cāng)庫(kù)的建設(shè)剛剛起步，體系還不完善，特別是適用于冷鏈倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備十分匱乏。

PLOEG 等人設(shè)計(jì)一種新型的四輪自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV），并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)仿真研究[1]；AMATO 等人對(duì)穿梭車(chē)的使用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]；GUO 等分析了穿梭車(chē)自動(dòng)存取系統(tǒng)的性能[3]；白光利通過(guò)調(diào)研目前市場(chǎng)冷庫(kù)自動(dòng)化應(yīng)用案例并通過(guò)重點(diǎn)分析四向穿梭車(chē)立體庫(kù)與堆垛機(jī)立體庫(kù)，指出自動(dòng)化立體庫(kù)是未來(lái)冷庫(kù)運(yùn)營(yíng)發(fā)展的趨勢(shì)[4]。

四向穿梭車(chē)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便的特點(diǎn)，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(lèi)倉(cāng)儲(chǔ)等方面的應(yīng)用中存在不足。冷凍肉類(lèi)出入庫(kù)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(chē)設(shè)備無(wú)法滿足需要[5]。因此，自主研發(fā)適用于冷鏈的智能倉(cāng)儲(chǔ)四向穿梭車(chē)，有利于進(jìn)一步推動(dòng)物流行業(yè)的發(fā)展。

1 傳統(tǒng)四向穿梭車(chē)介紹

傳統(tǒng)四向穿梭車(chē)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(chē)的設(shè)計(jì)已不符合當(dāng)下冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)的要求，在機(jī)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(dòng)，漲緊鏈輪易斷裂，導(dǎo)致穿梭車(chē)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(jī)構(gòu)僅適用于低載環(huán)境，設(shè)計(jì)中將用于冷鏈肉類(lèi)食品的出入庫(kù)，承載質(zhì)量達(dá)1.5 t，因此亟須一種新的舉升換向機(jī)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)構(gòu)。第三，設(shè)計(jì)用于-26 ℃冷庫(kù)，設(shè)備的泊松比和彈性模量等都會(huì)改變，因此需合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及低溫驗(yàn)證?，F(xiàn)有傳統(tǒng)四向穿梭車(chē)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(chē)部分性能指標(biāo)

圖1 現(xiàn)有四向穿梭車(chē)

2 四向穿梭車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型四向穿梭車(chē)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括行走機(jī)構(gòu)、換向機(jī)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(jì)。

2.1 X/Y 向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四向穿梭車(chē)行走機(jī)構(gòu)的主要作用是讓穿梭車(chē)沿著子母軌軌跡直線運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)直接決定穿梭車(chē)是否能平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)平穩(wěn)、清潔、無(wú)摩擦和能耗、無(wú)油污、防塵防水，可以大幅降低長(zhǎng)期維護(hù)成本，提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。行走機(jī)構(gòu)三維圖如圖2 所示。

圖2 四向穿梭車(chē)行走機(jī)構(gòu)三維圖

2.2 舉升換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖3 四向穿梭車(chē)舉升換向機(jī)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(jī)三維模型的整體外觀如圖4 所示。建立四向穿梭車(chē)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(qiáng)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(jì)。

圖4 四向穿梭車(chē)整體三維模型

四向穿梭車(chē)的升降機(jī)構(gòu)等部件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使頂升板等關(guān)鍵部件在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度條件的同時(shí)，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(jì)點(diǎn)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(xiàng)數(shù)據(jù)，需要分析舉升板長(zhǎng)D1、寬L1、厚H1與整體變形量和最大等效應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中舉升板的長(zhǎng)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(guò)計(jì)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(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 性能指標(biāo)設(shè)定

四向穿梭車(chē)的性能指標(biāo)如表2 所示。該四向穿梭車(chē)的續(xù)航時(shí)間為7～8 h，車(chē)體高度為140 mm，充電時(shí)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(chē)性能測(cè)試

通過(guò)以上的研究，制作出面向冷鏈立體倉(cāng)庫(kù)的新型四向穿梭車(chē)樣機(jī)，如圖8 所示。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證四向穿梭車(chē)的行走、舉升方案的可行性，并進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證四向穿梭車(chē)的可靠性。經(jīng)多個(gè)工作任務(wù)與實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證該四向穿梭車(chē)均滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，整車(chē)在冷庫(kù)中運(yùn)行良好，滿足使用條件。

圖8 四向穿梭車(chē)樣機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前穿梭車(chē)存在的不足，針對(duì)四向穿梭車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型四向穿梭車(chē)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該四向穿梭車(chē)達(dá)到了冷庫(kù)運(yùn)行的基本條件，對(duì)于冷鏈立體倉(cāng)庫(kù)的穿梭車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。