文/蔣晶

堆垛機是自動化立體倉庫中的核心物流設備，常用的堆垛機包括單立柱堆垛機和雙立柱堆垛機。單立柱堆垛機由一根立柱和下橫梁組成，相比雙立柱堆垛機，單立柱堆垛機結構剛性更弱。載貨臺相對于單立柱為懸臂結構，載貨臺自重的增加不僅會增加堆垛機立柱的擾度，使貨叉端部擾度增加，而且會增加堆垛機立柱啟停時的晃動幅值和振蕩時間，使堆垛機貨叉開始工作的等待時間延長，降低堆垛機的工作效率[1]。

本文分析了單立柱堆垛機載貨臺輕量化設計中的關鍵參數和評價指標，結合單立柱托盤堆垛機載貨臺設計，提出了具體的輕量化設計方法，并通過計算其自重與承重比值、導向輪輪壓、強度和變形來驗證了輕量化的評價指標。

一、單立柱堆垛機載貨臺輕量化關鍵參數分析

單立柱堆垛機的載貨臺的基本結構，包括水平框架、垂直框架、鋼絲繩滑輪、X方向導向輪、Z方向導向輪、防墜落裝置等。其中，水平框架用于安裝貨叉，為懸臂結構，垂直框架用于安裝鋼絲繩滑輪、X方向與Z方向導向輪和防墜落裝置。

堆垛機工作時，載貨臺主要承受X方向和Z方向的交變彎曲應力作用。實踐證明，提高水平框架的抗彎能力、垂直框架的抗扭能力，對提高載貨臺的強度、降低其變形有較大作用。X方向和Z方向的彎矩通過導向輪保持平衡，為了保證導向輪的輪壓滿足最大靜強度和疲勞強度的要求，需要合理設計導向輪間距。

載貨臺輕量化設計就是在滿足其強度、變形和導向輪輪壓的前提下，盡量使自重更輕。為此，將與載貨臺強度、變形和導向輪輪壓相關的關鍵參數提取出來，通過優(yōu)化這些參數，來達到輕量化載貨臺的目的。這些關鍵參數包括：負載距導軌中心間距Lp，提升滑輪距導軌中心間距Le，導向輪間距Sx，Sy，水平框架抗彎截面系數Wh，垂直框架抗扭截面形式Wv。關鍵參數如圖1所示，各參數詳細說明如表1所示。

圖1 單立柱堆垛機載貨臺輕量化關鍵參數

表1 單立柱堆垛機載貨臺輕量化關鍵參數分析

二、載貨臺輕量化評價指標

載貨臺的輕量化設計完成后，我們可以通過對導向輪輪壓、強度、變形進行計算，驗證是否滿足要求，并可以通過自重與承重比值，來衡量輕量化的效果，載貨臺輕量化可以從以下幾個指標進行衡量，如表2所示。

表2 單立柱堆垛機載貨臺輕量化評價指標

三、單立柱托盤堆垛機載貨臺輕量化設計

根據以上分析，設計了一款用于單立柱托盤堆垛機的載貨臺，其技術參數為：負載尺寸為1200×1200mm，雙深貨叉，最大載重為750kg，結構如圖2所示。該載貨臺自重為530kg，自重與承重比為0.7。設計過程中關鍵參數的優(yōu)化方法，如表3所示。

圖2 單立柱托盤堆垛機輕量化載貨臺

表3 20m單立柱堆垛機載貨臺輕量化設計方法

四、輕量化載貨臺校核

1.導向輪輪壓校核計算

如圖2所示，輕量化后的載貨臺自重G1=530kg，貨叉及其他附件總重G2=850kg，最大負載G3=750kg，貨叉完全伸出后，負載距兩側導向輪中心距離L=2445mm，載貨臺、貨叉及其他附件重心距導軌距離Lx=510mm，Ly=180 mm；負載距導軌中心間距Lp 為1020 mm，滑輪距導軌中心間距Le為300mm，X方向導向輪間距Sx為960 mm，Z 方向導向輪間距Sz 為1200mm。

靜止裝態(tài)時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)g

加速提升時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)(g+a)

減速下降時，鋼絲繩的提拉力T=(G1+G2+G3)(g-a)

根據力的平衡方程可知：

由以上公式可知，當空載靜止時，X方向導向輪最小輪壓Px/min=1449N，Z方向導向輪最小輪壓Pz/min=2070N；當滿載加速提升時，X方向導向輪最大輪壓Px/max=4309N,Z方向導向輪最大輪壓Pz/max=17350N；根據等效輪壓公式Pmean=(Pmin+2Pmax)/3可知，Px/mean=3356N;Pz/mean=12257N。

導向輪的外徑尺寸D=110mm，寬度L=30mm，根據起重機設計規(guī)范GB/T 3811-2008中滾輪許用輪壓的經驗公式PL=KDLC，許用靜強度經驗公式Pk=1.9KDL計算，可知導向輪許用輪壓PL=15682N；許用靜強度Pk=45144N，其中：

K為滾輪的許用比壓，根據起重機設計規(guī)范GB/T 3811中表46《車輪與滾輪許用比壓》，K 選取7.2。

D為滾輪的踏面直徑為110mm。

L為滾輪與軌道承壓面有效接觸寬度為30mm。

C為計算系數，C=C1C2，C1為轉速系數，C2為工作級別系數，該載貨臺最大提升速度為1m/s，根據起重機設計規(guī)范GB/T 3811中表47《車輪轉速系數C1》和表49《工作級別系數C2》，選取C1為0.66，C2為1，計算得C為0.66。

載貨臺導向輪輪壓，應該同時滿足靜強度要求和疲勞強度要求，校核公式如下：

滾輪的疲勞強度應滿足：Pmean≤PL

滾輪的靜強度應滿足：Pmax≤1.9kDL

根據以上計算可知，PL/Px/mean=4.67，PL/Pz/mean=1.28；Pk/Px/max=10.5，Pk/Pz/max=2.6，該導向輪的輪距滿足輪壓要求。

2.載貨臺強度和變形校核

堆垛機載貨臺強度設計時，可采用類比法和有限元計算相結合的方式，可以通過有限元計算獲得載貨臺在危險工況下的危險點的最大應力和最大變形。單立柱堆垛機在貨叉完成伸出取貨，負載最大時為最危險工況，其水平框架和垂直框架的根部為應力的危險點。

采用Solidworks軟件的simulation進行有限元計算，忽略焊縫的影響，將所有零件聯(lián)接為一個整體，以簡化模型，同時不考慮貨叉自身的變形，將貨叉設置為剛性，來獲得因載貨臺變形引起的貨叉端部的最大變形量，分析結果如圖3和圖4所示。

圖3 載貨臺危險點應力分布圖

圖4 載貨臺應變分布圖

根據有限元分析可知，在最危險工況下，載貨臺水平框架根部最大應力約為76Mpa，垂直框架根部最大應力約為63Mpa，材料采用Q345B，安全系數為4.5倍，強度滿足設計要求

由于載貨臺許用變形量目前沒有統(tǒng)一標準，因此參考《JB/T 7016-1993 有軌巷道堆垛起重機 技術條件》行業(yè)標準的要求作設計標準。根據JB/T 7016-93的要求，載貨臺水平框架和垂直框架垂直度要求小于2mm，且只允許上翹，因此以貨叉滿載且完全伸出情況下，載貨臺水平框架的最大變形應小于2mm為設計標準，保證在最危險工況下，載貨臺仍然不會有下垂現象。根據分析可知，載貨臺在最危險工況下的最大變形量約為1.7mm，滿足設計要求，此時貨叉端部的擾度變形約為7.7mm，托盤堆垛機貨叉取放貨時微升降速度一般為5m/min，因載貨臺變形引起的貨叉端部的最大變形量，將會使堆垛機取放貨物時間增加0.5s左右。

五、結論

通過單立柱堆垛機載貨臺輕量化設計關鍵參數的提取，并結合實際設計證明，該載貨臺輕量化的設計參數和方法能夠快速有效地完成輕量化設計目標，大大縮短設計時間，并且該方法也能應用于雙立柱堆垛機、輕載箱式堆垛機等載貨臺的輕量化設計。