王新，魏彥哲

（華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

引言

伴隨中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0，各行各業(yè)都蓬勃發(fā)展。平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)就是智能立體車(chē)庫(kù)發(fā)展的結(jié)晶。平行移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)適應(yīng)綜合化控制管理，適應(yīng)于立體車(chē)庫(kù)大型化、高自動(dòng)化發(fā)展方向[1-2]，必將成為人口密集區(qū)域立體車(chē)庫(kù)發(fā)展的的主流方向。

平行移動(dòng)式智能車(chē)庫(kù)可以分為5個(gè)組成部分：車(chē)庫(kù)入口處汽車(chē)待搬運(yùn)平臺(tái)、車(chē)輛提升設(shè)備、搬運(yùn)小車(chē)、車(chē)輛橫移載車(chē)平臺(tái)、車(chē)庫(kù)存車(chē)倉(cāng)庫(kù)[1-2]。搬運(yùn)小車(chē)在車(chē)庫(kù)中充當(dāng)著一個(gè)汽車(chē)搬運(yùn)工的功能。它是整個(gè)平行移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)車(chē)輛搬運(yùn)的主要移動(dòng)設(shè)備，其重要性不言而喻。搬運(yùn)小車(chē)夾持臂是搬運(yùn)小車(chē)直接受力部位，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，可以直接觀(guān)察其變形，檢測(cè)夾持臂薄弱結(jié)構(gòu)。

1 搬運(yùn)小車(chē)模型

1.1 搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)構(gòu)成

搬運(yùn)小車(chē)的系統(tǒng)不是單獨(dú)存在的，搬運(yùn)小車(chē)執(zhí)行原件、感應(yīng)和輔助原件、控制原件相互配合，構(gòu)成自行走搬運(yùn)小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)。

1.2 搬運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)小車(chē)主要包括五部分，分別為伸縮機(jī)構(gòu)，夾持提升機(jī)構(gòu)，行駛機(jī)構(gòu)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)，和 plc控制感應(yīng)機(jī)構(gòu)，搬運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 搬運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)

2 受力分析

搬運(yùn)小車(chē)夾持臂是搬運(yùn)小車(chē)直接受力部位，傳統(tǒng)方法對(duì)起重夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核雖然有效，但在實(shí)際中會(huì)隨著工況不同，有時(shí)合理的設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。所以需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析，觀(guān)察夾持臂變形量，觀(guān)察其是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。通過(guò)ANSYS進(jìn)行有限元分析，能夠更加真實(shí)放映受力情況，較傳統(tǒng)分析有更加直接的顯示效果，具有更好的可信度[3-5]。

圖2 夾持輪胎的示意圖

通過(guò)圖1和圖2可知，搬運(yùn)小車(chē)分為前后兩個(gè)車(chē)體，車(chē)體總共包括4對(duì)夾持臂，每組夾持臂分擔(dān)待搬運(yùn)車(chē)輛車(chē)重的1/4。

車(chē)輛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重量為2.5t，安全系數(shù)為1.3，如公式（1）所示：

其中：Fn—搬運(yùn)小車(chē)搬運(yùn)極限量，N；k—搬運(yùn)小車(chē)安全系數(shù)；Fa—搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)量，N。

計(jì)算得到搬運(yùn)小車(chē)搬運(yùn)車(chē)輛的極限量為3.25t。

通過(guò)對(duì)搬運(yùn)小車(chē)夾持情況進(jìn)行受力分析。4組夾持臂同時(shí)夾持汽車(chē)，受力情況大致相同，因此可以選擇其中一個(gè)夾持臂的進(jìn)行受力分析，G1為一對(duì)夾持臂所受重力，可以認(rèn)為汽車(chē)所受重力 1/4，對(duì)夾持臂夾持輪胎靜力學(xué)分析可得夾持臂斜面和輪胎之間壓力Fn與Fm大小，來(lái)對(duì)夾持臂所受應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析。

夾持臂斜面和輪胎之間壓力Fn與Fm在x坐標(biāo)與y坐標(biāo)上分別進(jìn)行分解，其中，F(xiàn)nx與Fny為Fn分別在x與y坐標(biāo)方向上的力，F(xiàn)mx與Fmy為Fm在x與y坐標(biāo)方向上的力。如圖3所示為分解后受力簡(jiǎn)圖。

圖3 夾持臂靜力學(xué)分析圖

列出平衡方程，如公式（2）所示：

式中：Fn—左側(cè)夾持臂對(duì)待搬運(yùn)車(chē)輛的支持力，N；θ—重力與夾持臂對(duì)待搬運(yùn)車(chē)輛作用力夾角，°；Fm—右側(cè)夾持臂對(duì)待搬運(yùn)車(chē)輛的作用力，N；

G1—一對(duì)夾持臂分擔(dān)的重力，N；

G—汽車(chē)的極限重力，N。

夾持臂斜面對(duì)汽車(chē)輪胎作用力與水平面的夾角為30?，G等于搬運(yùn)小車(chē)搬運(yùn)車(chē)輛的極限量Fn，帶入公式可以得：

在夾持臂對(duì)汽車(chē)輪胎夾持時(shí)，可以把搬運(yùn)小車(chē)夾持臂看做懸臂梁結(jié)構(gòu)分析。

夾持臂受力屬于均勻的分布載荷，由于輪胎大小不同，車(chē)輛重量不同，致使受力面積在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，此外輪胎作用到夾持臂位置的不同夾持臂受力情況也不同。

根據(jù)壓強(qiáng)公式（4）：

式中P—夾持臂所受壓強(qiáng)，F(xiàn)—待搬運(yùn)車(chē)輛對(duì)夾持臂的壓力，S—受力面積

當(dāng)作用力在右側(cè)，如圖4所示為夾持臂受力情況，其中，P夾持臂所受壓強(qiáng)，L為夾持臂總長(zhǎng)，a為斜面載荷長(zhǎng)度，b為夾持臂剩余長(zhǎng)度。

夾持臂總長(zhǎng)L=560mm，斜面載荷長(zhǎng)度a=215mm，受力面積S=0.055m2，得所受壓強(qiáng)P=48221.8Pa，也就是說(shuō)夾持臂所受壓強(qiáng)在48221.8Pa左右。

圖4 夾持臂受力圖

式中：MA—彎矩大小，kN·m；q—均勻載荷分布，kN/m，帶入數(shù)據(jù)得Ma=1200.12N/m。

根據(jù)懸臂梁撓度公式（6）。

式中：ω—夾持臂撓度，mm；

P—夾持臂所受壓強(qiáng)，kN/m；E—45號(hào)鋼彈性模量， MPa；L—夾持臂總長(zhǎng)，mm；b—無(wú)載荷長(zhǎng)度，mm。

代入數(shù)據(jù)求得，搬運(yùn)小車(chē)的夾持臂最右端最大撓度為0.76mm。

3 有限元分析

通過(guò)ANSYS對(duì)夾持臂進(jìn)行靜力分析和疲勞分析，反應(yīng)夾持臂的應(yīng)力分布情況﹑夾持臂受力變形情況和疲勞壽命。

3.1 模型導(dǎo)入與材料分析

搬運(yùn)小車(chē)夾持臂工況條件為低速、高負(fù)載。根據(jù)承載能力、安全可靠性分析，選用材料為45號(hào)鋼。

3.2 有限元分析條件約束

根據(jù)搬運(yùn)小車(chē)加持臂的實(shí)際受力情況，施加作用力。由于右側(cè)帶座軸承連接部分連接車(chē)體，可以設(shè)置其為固定約束。右側(cè)楔形機(jī)構(gòu)的斜面是受力表面，所以在其上施加作用力。當(dāng)搬運(yùn)小車(chē)通過(guò)夾持抬起汽車(chē)時(shí)，由于待搬運(yùn)汽車(chē)輪距不同，作用力添加分左﹑右兩種情況，綜合分析夾持手臂受力情況。

（1）網(wǎng)格的化分

在 Mesh中生成網(wǎng)格。查看網(wǎng)格劃分結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果Nodes 307559個(gè)Elements 207913個(gè)。

3.3 后處理

添加總變形量和等效應(yīng)力后求解，可以得到應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯鰞煞N情況都是左側(cè)變形量最大，右側(cè)等效應(yīng)力最大，其中在右邊施加壓力時(shí)，變形量和等效應(yīng)力最大，最大位移為0.69，最大等效應(yīng)力217.87Mp如圖5所示。

圖5 夾持臂優(yōu)化后應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

（2）夾持臂疲勞分析

夾持臂的疲勞分析在靜力分析之后，得到夾持臂疲勞壽命顯示云圖和安全因子顯示云圖。如圖所示可以看出，當(dāng)作用力施加在左側(cè)時(shí)安全因子最小，紅色區(qū)域最大。當(dāng)作用力施加在右側(cè)位置時(shí)安全因子最大，紅色區(qū)域最少。

疲勞壽命顯示云圖選擇顯示方式為周期顯示，得到次數(shù)可以等同于夾持臂夾持搬運(yùn)車(chē)輛的次數(shù)。如圖6所示，作用力施加在左側(cè)時(shí)壽命為 18810次，施加在右側(cè)位置壽命為111470次，可以看出作用力施加在左側(cè)和右側(cè)位置有明顯差別。

圖6 夾持臂疲勞壽命顯示云圖

4 結(jié)論

論文對(duì)夾持臂受力分析和對(duì)夾持臂有限元分析結(jié)果一致，都是左側(cè)變形最大，右側(cè)應(yīng)力最大。夾持臂應(yīng)變最大0.69mm、應(yīng)力217.87MPa，搬運(yùn)小車(chē)夾持臂搬運(yùn)車(chē)輛時(shí)應(yīng)最大程度靠近內(nèi)側(cè)，可大大提高夾持臂壽命。

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