摘要:目的為了減輕數(shù)控立體倉庫升降車底座的質(zhì)量，從而保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，現(xiàn)利用有限元模擬升降車底座性能。方法先通過Solidworks2010完成升降車底座的建模，再導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)分析結(jié)果修改模型，直至其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。結(jié)果通過改變升降車底座的厚度和結(jié)構(gòu)得出不同受力以及變形情況，并對試驗結(jié)果加以分析和優(yōu)化。結(jié)論厚度為4mm的底座通過增加加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，質(zhì)量比厚度為5mm底座減少20．01kg，節(jié)省了材料，提升了系統(tǒng)整體的性能。

 

    關(guān)鍵詞:數(shù)控立體倉庫;Ansys;升降車底座;有限元分析

 

    數(shù)控立體倉庫即自動化倉庫貨柜，是由電腦控制的自動存取貨物的倉儲設(shè)備。它的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代中葉的歐洲，到了20世紀(jì)70年代，德國享乃爾和瑞士卡迪斯等公司相繼開發(fā)出工業(yè)用的垂直旋轉(zhuǎn)式自動貨柜。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，世界市場對工業(yè)用的垂直自動化倉庫有了巨大的需求，數(shù)控立體倉庫處在物流系統(tǒng)的重要地位［1—3］。隨著我國加入WTO，我國經(jīng)濟(jì)融入世界經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程加快，電子商務(wù)、物流、供應(yīng)鏈管理是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢［4—5］。它與傳統(tǒng)倉庫相比有以下優(yōu)點(diǎn):全自動化操作，存取物品方便，速度快，節(jié)省時間;充分利用空間，能夠在占地面積最小的情況下，充分利用現(xiàn)有的空間高度，從而使倉儲能力增加60%以上;降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率;由于是密閉的，存儲的物品可以有效地避免灰塵、陽光的侵害;具有保密授權(quán)功能，可以對不同的用戶設(shè)置不同的密碼，一般用戶無法提取被鎖定用戶的物品;可以實現(xiàn)智能管理，當(dāng)?shù)陀谧钚�庫存量時，系統(tǒng)會自動提示補(bǔ)充，因而不會出現(xiàn)庫存短缺;具有先進(jìn)先出的功能，不會有貨物長期存放而失效;隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控立體倉庫最大的優(yōu)點(diǎn)是可以對貨物進(jìn)行實時管理。由于數(shù)控立體倉庫的這些特點(diǎn)，因此已經(jīng)有越來越多的用戶使用這種產(chǎn)品，循環(huán)經(jīng)濟(jì)提高了生產(chǎn)效率［6—7］。

 

    在數(shù)控立體倉庫的諸多零部件中，升降車底座是非常重要的零件，承載著較大的壓力和拉力。它的質(zhì)量直接影響著整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。一般情況下，設(shè)計者盡量增加底座鈑金的厚度以保證系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度，但是如果升降車底座的質(zhì)量大，其慣性也大，對系統(tǒng)內(nèi)的齒輪傳動、鏈傳動及電機(jī)減速器的損害就會大。反之如果底座鈑金厚度小，致使強(qiáng)度不足，又會嚴(yán)重影響升降車的停留位置精度，并且隱藏著嚴(yán)重的安全隱患。由此可見，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計及分析，并提出優(yōu)化方案就顯得十分必要。

 

    隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用基于有限元法的計算機(jī)輔助工程(CAE)的方法越來越普及，40多年來，解決了諸多難題，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重方面發(fā)揮了不可替代的作用，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了設(shè)計周期，一些行業(yè)還將有限元方法指定為強(qiáng)度和剛度校核必須的工具［8—10］。

 

    1升降車組成與分析

 

    數(shù)控立體倉庫升降車見圖1，是由導(dǎo)向輪1、底座2、鏈輪錐齒輪安裝座3、縱向鏈條連接軸4、托輪5、托輪護(hù)罩6、傳動總成7、連接板8、電機(jī)連接板9、傳動軸支承座10等組成。升降車主要在出入庫時作升降運(yùn)動，升降車通過縱向鏈條連接軸與豎直鏈條連接，在提升機(jī)構(gòu)的作用下完成升降動作。出庫時，升降車在豎直鏈條的牽引下運(yùn)動到目標(biāo)倉位停止，傳動總成工作，水平鏈條上的小鉤將托盤拖到升降車上，傳動總成停止工作，升降車運(yùn)動到出庫口，傳動總成工作，將托盤推到倉庫口載物臺。入庫時，水平鏈條上的小鉤將倉庫口載物臺上的托盤拖到升降車上，升降車上升到目標(biāo)倉位，傳動總成工作，將托盤推入目標(biāo)倉位。

 

    假設(shè)升降車處于滿載靜止?fàn)顟B(tài)。4個縱向鏈條連接軸分別固定在4個鏈輪錐齒輪安裝座上，4個鏈輪錐齒輪安裝座通過螺栓連接在升降車底座上。因此，當(dāng)豎直鏈條牽引小車上升時，可以看成4個鏈輪錐齒輪安裝座分別給升降車底座4個豎直向上的力Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c，F(xiàn)d。傳動總成通過螺栓連接到升降車底座上，由于傳動總成自身的質(zhì)量具有重力，給升降車底座一個豎直向下的拉力Fm。托盤通過12個托輪將托盤自身重力和貨物重力轉(zhuǎn)換為壓力分散作用在升降車底座上，表示為F1到F24，底座自身還受一個豎直向下的重力G，受力分析見圖2(其他零件由于對底座作用力不大，故忽略不計)。

 

    圖2升降車底座受力分析

 

    Fig．2StressAnalysisofthelifttruck'schassis

 

    在Solidworks中通過查找升降車底座、傳動總成和托盤的文件屬性可知升降車底座的質(zhì)量m1為42．665kg，傳動總成的質(zhì)量m2為13．860kg，托盤的質(zhì)量m3為5．452kg。

 

    由于靜止時升降車處于平衡狀態(tài)，所以Fa+Fb+Fc+Fd=Fm+G+F1+F2+……+F23+F24，其中G=m1×g=418．117N，F(xiàn)m=m2×g=135．828N。

 

    托盤最大載重量m4為500kg，所以，托盤和貨物對 升降車底座的壓力F=m3×g+m4×g=4953．430N。

 

    假設(shè)托盤和貨物對升降車底座的壓力平均地分散在升降車底座上，所以，F(xiàn)1=F2=……=F23=F24=1/24

 

    ×F=206．393N

 

    Fa=Fb=Fc=Fd=1/4×(Fm+G+F)=1376．844N

 

    2升降車底座強(qiáng)度分析

 

    2．1添加約束及力文中升降車底座采用的材料為Q－235。根據(jù)數(shù)控立體倉庫工作時升降車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行約束，采用在升降車底座4個側(cè)面約束，同時在升降車底座上加力，加力情況見圖3。

 

    圖3升降車底座加力示意

 

    Fig．3Schematicafterburnerofthelifttruck＇schassis

 

    2．2最大等效應(yīng)力、最大變形量及最小安全系數(shù)圖

 

    升降車底座采用4mm厚和5mm厚鋼板時的等效應(yīng)力、總體變形及安全系數(shù)見圖4。

 

    升降車底座采用4mm厚和5mm厚鋼板時參數(shù)見表1。

 

    由表1分析可知，底座厚度為4mm時強(qiáng)度明顯

 

    圖4不同厚度底座的等效應(yīng)力、總體變形和安全系數(shù)

 

    Fig．4Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofchassiswithdifferentthickness

 

    表1不同厚度底座參數(shù)

 

    Tab．1Parameterofchassiswithdifferentthickness尋求一種方案既滿足強(qiáng)度要求，又使底座質(zhì)量不太大。

 

    底座厚度

 

    /mm最大等效應(yīng)力/Pa最大變形量/mm底座質(zhì)量安全系數(shù)

 

    /kg

 

    47．1451．6400．64455．240

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    3優(yōu)化設(shè)計

 

    3．1優(yōu)化方案

 

    不足，不予采用;底座厚度為5mm時強(qiáng)度足夠大，于是從安全系數(shù)云圖中可以看出，強(qiáng)度最小處為底座受鏈輪錐齒輪安裝座拉力與托輪壓力交界處，特別是支撐托輪處的底座板非常危險。通過分析，4mm厚的升降車底座已不能滿足設(shè)計要求，現(xiàn)提出2種方案。

 

    1)將升降車底座板厚度整體增加至5mm。

 

    2)將4mm厚的升降車底座進(jìn)行局部加強(qiáng)。第1種方案在第2節(jié)中已經(jīng)分析，強(qiáng)度足夠，滿足設(shè)計要求。現(xiàn)對第2種方案進(jìn)行分析，在支撐托輪的底座板設(shè)計8個厚度為60mm的加強(qiáng)筋，進(jìn)行有限元分析。加強(qiáng)底座的最大等效應(yīng)力圖、最大變形量圖和最小安全系數(shù)圖見圖5。

 

    圖5加強(qiáng)底座的最大等效應(yīng)力、總體變形和最小安全系數(shù)

 

    Fig．5Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofthestrengthenedchassis

 

    3．2優(yōu)化結(jié)果分析

 

    5mm厚底座與4mm厚加強(qiáng)底座參數(shù)對比見表2。

 

    表2優(yōu)化前后參數(shù)變化對比

 

    Tab．2Comparisonofparametersbeforeandafteroptimization

 

    底座厚度/mm最大等效應(yīng)力/Pa最大變

 

    形量/mm最小安全系數(shù)底座質(zhì)量

 

    /kg

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    4(加強(qiáng))6．2271．0941．38456．270

 

    通過對優(yōu)化結(jié)果的分析可知，4mm厚的底座增加加強(qiáng)筋后與5mm厚的底座相比，雖然變形量增大，但1．094mm的變形量已經(jīng)滿足了設(shè)計要求;最小安全系數(shù)明顯提升，從1．253提升到1．384，升降車在運(yùn)行過程中更加安全;底座質(zhì)量明顯減小，從76．280kg減少到56．270kg，不僅節(jié)省了20．010kg的材料，也提升了整個數(shù)控立體倉庫的性能。

 

    4結(jié)語

 

    文中通過Ansys有限元分析軟件對數(shù)控立體倉庫升降車底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力的分析，分析結(jié)果直觀地表示出升降車底座應(yīng)力最大位置以及受力變形情況。結(jié)果顯示，4mm厚的升降車底座經(jīng)過加強(qiáng)后能滿足強(qiáng)度及剛度要求，而且節(jié)省了材料，提升了系統(tǒng)的性能。

 

    參考文獻(xiàn):

 

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