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        鋁合金重型貨架結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

        2022-01-15 09:01:38李柏林劉占宇張宗鑠唐鴻洋王洪卓王東輝
        鋁加工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:貨架橫梁立柱

        李柏林,劉占宇,張宗鑠,唐鴻洋,王洪卓,王東輝

        (遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼陽111003)

        0 前言

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,物流業(yè)也隨之興盛起來,使得倉儲(chǔ)的概念不斷地進(jìn)行著演繹[1]。貨架種類已由最初的品種單一逐步發(fā)展成為基于不同物料尺寸、重量乃至存取方式而區(qū)分的多種類型貨架,貨架行業(yè)也由單純的鋼鐵加工轉(zhuǎn)變成集力學(xué)仿真計(jì)算、倉儲(chǔ)自動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)及倉儲(chǔ)管理信息化于一身的多學(xué)科多專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。自動(dòng)化立體倉庫的出現(xiàn)對(duì)貨物儲(chǔ)存具有劃時(shí)代的意義,它不僅徹底改變了倉儲(chǔ)行業(yè)勞動(dòng)密集、效率低的落后面貌,而且拓展了倉庫功能,使之從單純的保管型向綜合流通型方向發(fā)展[3]。貨架作為自動(dòng)化立體倉庫存儲(chǔ)貨物的重要基礎(chǔ)設(shè)施,要求具有良好的承載性、抗震能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]。

        重型貨架是倉儲(chǔ)貨架系統(tǒng)中最為常見的一種貨架形式,是以立柱片+橫梁形式的全組裝結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡明有效,適合于箱式貨物的存儲(chǔ),或者與周轉(zhuǎn)箱配套裝載零散重型貨物,通常配合叉車作業(yè)。本文結(jié)合鋁合金自身優(yōu)勢(shì),提出一種新型鋁合金重型貨架,通過設(shè)計(jì)和計(jì)算分析來驗(yàn)證產(chǎn)品的可行性,以便于推廣使用。

        1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定與材料選用

        1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

        在設(shè)計(jì)重型貨架時(shí)需考慮托盤和貨物的尺寸、重量以及疊放的層數(shù),以便決定重型貨架的設(shè)計(jì)尺寸。本文設(shè)計(jì)的重型貨架所使用的托盤規(guī)格為1 200 mm×1 000 mm×150 mm,托盤自重為20 kg,托盤存儲(chǔ)載荷1 100 kg,存儲(chǔ)高度不超過1 200 mm。根據(jù)上述條件,設(shè)計(jì)一款單個(gè)貨格可存儲(chǔ)兩個(gè)托盤貨物的鋁合金重型貨架,設(shè)計(jì)存儲(chǔ)層數(shù)為4層,圖1為貨物存儲(chǔ)示意圖。結(jié)合實(shí)際使用工況和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5],確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),見表1。

        圖1 新型鋁合金重型貨架存儲(chǔ)示意圖

        表1 新型鋁合金重型貨架相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

        1.2 材料選用

        結(jié)合重型貨架的使用工況,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),確定重型貨架結(jié)構(gòu)材料均選用可熱處理強(qiáng)化的6061鋁合金。6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系,其擠壓型材已廣泛應(yīng)用于強(qiáng)度和耐蝕性能要求較高的工業(yè)型材及結(jié)構(gòu)件,涉足工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[6]。表2為6061鋁合金在T6狀態(tài)下的主要力學(xué)性能[7]。

        表2 6061鋁合金T6狀態(tài)下的主要力學(xué)性能

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 承重橫梁截面設(shè)計(jì)

        承重橫梁是鋁合金重型貨架的重要承力構(gòu)件,在貨物存儲(chǔ)過程中托盤貨物是直接置于承重橫梁上的,因此,承重橫梁的截面設(shè)計(jì)至關(guān)重要。圖2為承重橫梁的截面示意圖。其截面呈“曰”字形,可增強(qiáng)其抵抗變形能力,同時(shí)截面輪廓設(shè)計(jì)為波浪形,可進(jìn)一步提高承重橫梁的承重能力。此外,承重橫梁的截面設(shè)計(jì)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

        圖2 承重橫梁截面示意圖

        2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        鋁合金重型貨架是由立柱、承重橫梁、連接板、斜撐和柱底構(gòu)件組成,如圖3所示。連接方式采用全螺接固定,無焊接工藝。在保證重型貨架整體的承載能力和穩(wěn)定性的同時(shí),該連接方式極大地降低了產(chǎn)品的制造成本。在安裝過程中,首先裝配立柱、斜撐和柱底構(gòu)件,組成立柱片,然后與承重橫梁和連接片組裝,形成重型貨架結(jié)構(gòu)。此外,鋁合金重型貨架各零件均采用特殊的表面處理方式,代替原鋼制重型貨架的噴涂表面處理方式。該表面處理方式提高了重型貨架的使用壽命,降低了其維修成本。

        圖3 結(jié)構(gòu)數(shù)模

        3 計(jì)算分析

        本文設(shè)計(jì)的鋁合金重型貨架為室內(nèi)使用,因此重型貨架的計(jì)算載荷包括恒載荷、活載荷以及在裝卸貨物時(shí)所產(chǎn)生的豎向沖擊載荷。其中恒載荷為貨架自重,活載荷為托盤貨物重量,豎向沖擊載荷通??扇∫粋€(gè)裝載單元靜載設(shè)計(jì)值的50%。

        3.1 鋁合金重型貨架相關(guān)參數(shù)

        鋁合金重型貨架恒載荷Gk=8 000 N,活載荷Qk=179 200 N,豎向沖擊載荷Q1k=15 680 N,立柱計(jì)算長度L0=1 650 mm,立柱有效截面積Aen=3 636 mm2,立柱截面回轉(zhuǎn)半徑ix=26.02 mm、iy=43.63 mm;單個(gè)貨格存儲(chǔ)載荷Q=22 400 N,承重橫梁計(jì)算長度L=2 300 mm,承重橫梁抗彎截面系數(shù)Wz=76243.2 mm3,承重橫梁的截面慣性矩I=6242808.12 mm4。

        3.2 立柱的強(qiáng)度與剛度計(jì)算

        由于鋁合金重型貨架為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此只需對(duì)其中一個(gè)柱的具體受力狀況進(jìn)行分析,將柱受力簡化為軸心受力構(gòu)件即可,計(jì)算結(jié)果如下:

        立柱所受載荷為:

        式中,γG和γQ分別為為恒載荷和活載荷的分項(xiàng)系數(shù),γG=1.2、γQ=1.4。

        最大應(yīng)力為:

        立柱的剛度是以保證其長細(xì)比λ來實(shí)現(xiàn)的,立柱容許最大長細(xì)比[λ]=150,計(jì)算結(jié)果如下:

        由于σmax=18.99 MPa<[]σ=240 MPa

        因此鋁合金重型貨架的立柱是安全的,設(shè)計(jì)可行。

        3.3 承重橫梁的強(qiáng)度與剛度計(jì)算

        由于鋁合金重型貨架單個(gè)貨格可存儲(chǔ)兩個(gè)托盤貨物,因此可根據(jù)承重橫梁的受力形式將其力學(xué)模型簡化為受兩個(gè)均布載荷的兩端固定的形式,其簡化載荷如圖4所示。承重橫梁的允許最大變形[ω]=L/200=11.5 mm[9]。

        圖4 承重橫梁載荷簡化示意圖

        承重橫梁上均布載荷q為:

        最大彎矩為:

        此處b為托盤貨物的橫向規(guī)格尺寸,b=1000 mm。

        最大應(yīng)力、最大撓度為:

        由于σmax=96.87 MPa<[]σ=240 MPa

        因此鋁合金重型貨架的承重橫梁設(shè)計(jì)是安全可行的。

        計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)對(duì)鋁合金重型貨架單個(gè)貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設(shè)計(jì)載荷時(shí):(1)鋁合金重型貨架立柱的最大應(yīng)力σmax=18.99 MPa,小于6061-T6的屈服強(qiáng)度[σ]=170 MPa,長細(xì)比λx=63.41,λy=37.82,均小于允許最大長細(xì)比[λ]=150;(2)鋁合金重型貨架承重橫梁的最大應(yīng)力σmax=96.87 MPa,小 于6061-T6的 屈 服 強(qiáng) 度[σ]=170 MPa,最大撓度ωmax=9.46 mm,小于允許最大撓度[ω]=11.5 mm。綜上所述,此鋁合金重型貨架立柱和承重橫梁均滿足設(shè)計(jì)要求,該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是安全可行的。

        4 發(fā)展前景

        近年來,隨著更多的外資注入我國市場,越來越多的企業(yè)為了提高效益和規(guī)范經(jīng)營,就要從物流這第三利潤來源著手,所以企業(yè)對(duì)貨架的需求量就越來越大。越來越多的人逐漸認(rèn)識(shí)到貨架的重要性,漸漸出現(xiàn)了對(duì)貨架大量需求的現(xiàn)象[9]。

        現(xiàn)階段市場上所投入使用的重型貨架大多為鋼制,由于其成本低、性能穩(wěn)定、安全可靠,因此被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。而鋁合金重型貨架相比于鋼制重型貨架具有質(zhì)量輕、裝拆方便、使用壽命長、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì),同時(shí)國家工業(yè)和信息化部在《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》[9]中也提出將大力發(fā)展綠色能源,而鋁及其合金就是一種可回收的再生綠色資源,因此鋁合金重型貨架將在未來會(huì)逐漸取代鋼制重型貨架,成為該領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

        5 結(jié)論

        鋁合金重型貨架具有質(zhì)輕、便于裝拆、使用壽命長、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)勢(shì),通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析對(duì)鋁合金重型貨架的安全性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:當(dāng)對(duì)其單個(gè)貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設(shè)計(jì)載荷時(shí),立柱的最大應(yīng)力和長細(xì)比以及承重橫梁的最大應(yīng)力和最大撓度均符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn),因此該設(shè)計(jì)方案是安全可行的。同時(shí)鋁合金作為一種綠色資源,相比于鋼材有諸多優(yōu)勢(shì),相信鋁合金重型貨架在未來將會(huì)成為倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品,并發(fā)揮重要作用。

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