張紅衛(wèi)，趙克欽，劉鳳嘉

（1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州，213164；2.江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫，214122）

0 引言

隨著現(xiàn)代物流生產(chǎn)的自動(dòng)化、智慧化的發(fā)展，對(duì)于貨物的搬運(yùn)周轉(zhuǎn)要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的人工物料分揀搬運(yùn)已無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)需求，而AGV小車(chē)的加入有效地緩解了這一狀況，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)和搬運(yùn)更加便捷迅速，AGV自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)被廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的倉(cāng)庫(kù)和車(chē)間[1]。

目前國(guó)內(nèi)AGV大多應(yīng)用在輕載、小體積貨物的搬運(yùn)，運(yùn)載質(zhì)量多在3噸以下，對(duì)重載AGV設(shè)計(jì)理論和方法研究開(kāi)展并不不多[2]。盡管已有一些研究者采用有限元分析方法對(duì)重載AGV車(chē)架進(jìn)行過(guò)模態(tài)分析和強(qiáng)度校核[3]。但對(duì)重載AGV夾取裝置門(mén)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和強(qiáng)度剛度校核方面的研究并不多。

基于上述原因，本文對(duì)承載量為5噸的AGV門(mén)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，對(duì)AGV門(mén)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

1 重載AGV門(mén)架設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)參數(shù)要求：額定載重量：5000kg;舉升高度：0～7200mm；最大提升速度 ：20mm/s；行走速度 ：0～60m/min。

1.2 門(mén)架的設(shè)計(jì)建模

一般來(lái)說(shuō)，門(mén)架有三種級(jí)別，如圖1所示。本文需要將5噸紙卷提高至7.2米，因此選用三級(jí)門(mén)架更加適宜。三級(jí)門(mén)架由三個(gè)門(mén)架、兩個(gè)液壓缸和板式鏈等組成。首先，三個(gè)門(mén)架嵌套，在門(mén)架內(nèi)靠近外門(mén)架立柱兩邊分別裝有長(zhǎng)行程活塞液壓缸，液壓缸底部與外門(mén)架下方的橫板連接，液壓缸頂部連接到中門(mén)架的上橫梁處，中門(mén)架上橫梁處還裝有槽輪，板式鏈一段連接到外門(mén)架的橫梁處，繞過(guò)槽輪，另一端連接到內(nèi)門(mén)架的下方，在外門(mén)架上橫梁上裝有激光導(dǎo)航器。工作時(shí)，液壓缸推動(dòng)中門(mén)架上升，同時(shí)板式鏈帶動(dòng)內(nèi)門(mén)架上升，由此達(dá)到提升功能。

圖1

門(mén)架主要由縱向支撐架和橫梁連接組合而成。根據(jù)門(mén)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和門(mén)架機(jī)構(gòu)的加工要求，門(mén)架的材料可以選為65Mn鋼。

門(mén)架有四種常見(jiàn)的組合方式，包括CC重疊型和CC、CJ、CL并列型，如圖2所示。其中，CC重疊型雖然節(jié)省了空間[4]，但是這樣組合導(dǎo)致能夠安裝的滾輪不夠大，門(mén)架滑移時(shí)不穩(wěn)定。而CC并列型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝維修；但是門(mén)架立柱截面相同導(dǎo)致支撐整體寬度較大，導(dǎo)向不穩(wěn)定。CJ型和CL型組合的內(nèi)門(mén)架抗彎模量比CC并列型的抗彎模量大，且便于安裝滾輪，提高了門(mén)架的導(dǎo)向和支撐作用，CL并列型和CJ并列型是改良型，減小了滾輪的壓力，改善了受力情況，是現(xiàn)有門(mén)架立柱截面最合理的組合形式，考慮到滾輪的安裝和參考常用叉車(chē)式AGV的門(mén)架結(jié)構(gòu)，選用CL并列型作為本次設(shè)計(jì)的門(mén)架。

圖2

門(mén)架與門(mén)架之間裝有滾輪，有兩種方式，一種是在同時(shí)獨(dú)立裝有主滾輪和側(cè)滾輪，要保證主滾輪和側(cè)滾輪之間有一定距離，門(mén)架強(qiáng)度足夠，這使得整個(gè)門(mén)架的升降位移空間受到限制，不便于安裝和維護(hù)。另一種是安裝復(fù)合滾輪軸承，如圖3所示，復(fù)合滾輪軸承將主滾輪和側(cè)滾輪很好的結(jié)合在一起，極大地節(jié)省了內(nèi)部空間，這種方式要優(yōu)于上一種方式，在軸頭上打孔，通過(guò)螺釘連接在門(mén)架上，定位精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好。外門(mén)架上方內(nèi)部，中門(mén)架上方內(nèi)部和下方外部以及內(nèi)門(mén)架下方外部都裝上復(fù)合滾輪軸承。

圖3 復(fù)合滾輪軸承三維圖

鏈條承載能力強(qiáng)，可以帶動(dòng)內(nèi)門(mén)架和夾抱機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，并支撐物料的重量。在本裝置中，紙卷和夾抱機(jī)構(gòu)重量大于5噸，選擇板式鏈來(lái)承載重量更加適宜，在中門(mén)架兩側(cè)靠?jī)?nèi)處同時(shí)放置鏈條和滑輪，內(nèi)門(mén)架和夾抱部分的慣性力Fg1=580N，單根鏈條承受的力為：

式中s:板式鏈的安全系數(shù)，s=4；

Gc:內(nèi)門(mén)架和夾抱部分的質(zhì)量，Gc=800kg；

g:重力加速度，取g=9.8m/s2。

查GB/T 6074-2006，選用LH1634型號(hào)的3×4組合的板式鏈，抗拉強(qiáng)度為129kN，如圖4所示。

圖4 板式鏈三維圖

最終設(shè)計(jì)完成的AGV小車(chē)通過(guò)外門(mén)架、中門(mén)架和內(nèi)門(mén)架的相互嵌套，并且采用液壓缸托舉門(mén)架，板式鏈連接門(mén)架，完成高度的升降作業(yè)。

2 重載AGV門(mén)架強(qiáng)度和剛度校核

在CREO軟件對(duì)門(mén)架進(jìn)行有限元分析[5]，將簡(jiǎn)化的門(mén)架裝配，使得門(mén)架組合狀態(tài)是門(mén)架提升到額定高度的狀態(tài)，此時(shí)，門(mén)架的受力狀態(tài)比較危險(xiǎn)，選擇門(mén)架材料：彈性模量E=2.1×105Mpa，密度 ρ=7800kg/m3，泊松比 μ=0.3。對(duì)模型進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為3mm，劃分完成后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，然后對(duì)模型進(jìn)行分析，最終得到的受力情況圖如圖5所示。

圖5 門(mén)架受力圖

將紙卷對(duì)門(mén)架產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)換成一對(duì)力偶的作用，大小為41527.02N；內(nèi)門(mén)架下橫梁處受到板式鏈的拉力和慣性力，大小為57420N；中門(mén)架橫梁下與槽輪連接的部分總共承受兩倍板式鏈的拉力，方向向下，總共為114840N；外門(mén)架的上橫梁處受到板式鏈的拉力，也是57420N；門(mén)架自身重力，取g為9800mm/s2。此外，外門(mén)架下方伸出的圓筒與車(chē)體相連，固定了位置，外車(chē)架底部置于車(chē)體底盤(pán)上。然后，建立靜態(tài)分析，計(jì)算結(jié)束后，門(mén)架應(yīng)力圖和位移圖如圖6所示。

圖6

由圖4-5和圖4-6可以看出，門(mén)架最大載荷在內(nèi)門(mén)架與中門(mén)架連接處，最大載荷為431.73MPa，門(mén)架材料為25MnV，屈服強(qiáng)度σsσs86MPa[6]，安全系數(shù)大于2時(shí)，門(mén)架的許用應(yīng)力小于443MPa，大于最大載荷，滿(mǎn)足要求。最大位移為14.82mm，在內(nèi)門(mén)架上方，符合要求。

3 重載AGV門(mén)架模態(tài)分析

重載AGV了受到路面激勵(lì)的影響，可能導(dǎo)致小車(chē)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的固有頻率與外部激勵(lì)的頻率相同，引起共振，繼而造成AGV小車(chē)的扭轉(zhuǎn)或彎曲變形，使小車(chē)產(chǎn)生疲勞損傷、斷裂等結(jié)構(gòu)破壞，減少夾抱式AGV自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)的使用壽命。因此，有必要對(duì)夾抱式AGV的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。

重載AGV在正常行駛過(guò)程中，速度為1m/s，路面產(chǎn)生的激勵(lì)為：

式中λ：路面的波長(zhǎng)。

不同的路面波長(zhǎng)不一樣，將路面主要分為三種，由公式2計(jì)算可得，路面激勵(lì)產(chǎn)生的頻率如表1所示。

表1 不同路況波長(zhǎng)及頻率

對(duì)夾抱式AGV自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)進(jìn)行模態(tài)分析，前幾步與有限元分析相同，完成網(wǎng)格劃分，施加載荷和約束，建立模態(tài)分析，進(jìn)行計(jì)算，得出門(mén)架的前六階振型如圖7所示。

圖7

門(mén)架的前六階振動(dòng)頻率如表2所示。

表2 門(mén)架前六階振動(dòng)頻率

由表1和表2對(duì)比可得，路面激勵(lì)產(chǎn)生的頻率與重載AGV正常行駛時(shí)門(mén)架產(chǎn)生的頻率不相同，不會(huì)產(chǎn)生共振，影響不大。但是要避免重載AGV長(zhǎng)期在7～25Hz頻率的激勵(lì)下工作，會(huì)引起共振。

4 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，利用CREO對(duì)設(shè)計(jì)的重載AGV門(mén)架進(jìn)行建模設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度校核，最大載荷小于門(mén)架材料的許用應(yīng)力，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的車(chē)架符合強(qiáng)度和剛度要求。對(duì)門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析，門(mén)架不會(huì)與路面激勵(lì)產(chǎn)生共振。