張延武

(無錫凱樂士科技有限公司, 江蘇 無錫 214000)

0 引 言

隨著智能倉儲行業(yè)的迅猛發(fā)展,穿梭車在物流倉儲行業(yè)中的作用越來越明顯。近年來,穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)逐漸發(fā)展成熟,穿梭車作為穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)中的核心設(shè)備,其作用是在立體貨架里面行駛并對貨物進行出庫和入庫工作。由于貨架導(dǎo)軌加工精度和安裝精度會存在差異,很難保證穿梭車行走導(dǎo)軌的直線度及兩條導(dǎo)軌的平行度,而導(dǎo)軌不直或不平行又很容易導(dǎo)致穿梭車出現(xiàn)蛇形行駛或定位不準確等問題,嚴重時可能導(dǎo)致穿梭車脫軌沖出。因此,穿梭車在導(dǎo)軌上行走時,除了行走系統(tǒng)提供動力外,還需要導(dǎo)向輪輔助定向,以保證穿梭車可以沿著導(dǎo)軌高速直線運動而不偏向。

在實際工程項目中,由于導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會導(dǎo)致導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌接觸面產(chǎn)生嚴重磨損,進而使穿梭車出現(xiàn)蛇形行駛或脫軌,導(dǎo)致穿梭車驅(qū)動電機等傳動設(shè)備的負荷超載,從而引發(fā)電機燒壞、傳動軸扭斷等事故發(fā)生。因此,降低導(dǎo)向輪磨損、提高穿梭車行駛穩(wěn)定性對穿梭車導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計分析是十分必要的。目前市場上穿梭車導(dǎo)向方案有多種,但都缺少指導(dǎo)設(shè)計的理論依據(jù)。筆者通過對不同導(dǎo)向方案技術(shù)特點的對比研究,以及導(dǎo)向輪的具體受力情況的詳細分析討論,得出導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化改進的理論依據(jù),從而為穿梭車導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供新的方案選擇,彌補目前穿梭車導(dǎo)向方案的諸多不足之處。

1 穿梭車導(dǎo)向輪工作原理

在穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)中,貨箱在多層貨架上緊密放置,穿梭車在立體庫貨架里面行駛示意圖如圖1所示。穿梭車沿著立體庫貨架行走導(dǎo)軌行駛,到達指定貨位后通過穿梭車上面的貨叉對貨箱進行出入庫操作。對于庫容量大的倉庫,行走巷道長度達到100 m以上。為了提高作業(yè)效率,對穿梭車的速度提出了更高的要求,需要穿梭車以更高的速度在貨架內(nèi)快速到達貨位進行取放貨。由于導(dǎo)軌加工和組裝偏差,穿梭車如果在導(dǎo)軌上實現(xiàn)高速直線運動而不偏向就需要導(dǎo)向輪進行輔助定向。不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)向輪會影響穿梭車運行穩(wěn)定性和效率,同時對導(dǎo)向輪的磨損程度和貨架的安裝精度要求也不相同。在實際運行過程中,立體庫內(nèi)設(shè)備眾多,環(huán)境較為復(fù)雜,由于某些原因?qū)е麓┧筌囘\行出現(xiàn)偏斜的現(xiàn)象不可避免,因此設(shè)計一種可靠運行的導(dǎo)向輪裝置對穿梭車穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

圖1 穿梭車行駛示意圖1.貨箱 2.穿梭車 3.行走導(dǎo)軌

目前穿梭車常采用的導(dǎo)向輪方案主要有兩種,分別是單邊導(dǎo)向和夾持導(dǎo)向。穿梭車單邊導(dǎo)向方案是在穿梭車車體兩側(cè)分別安裝一組單導(dǎo)向輪,每個單導(dǎo)向輪沿著導(dǎo)軌的側(cè)面滾動進行限位,導(dǎo)向輪通過安裝座與穿梭車框架連接,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穿梭車單邊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖1.導(dǎo)軌 2.導(dǎo)向輪 3.行走輪 4.穿梭車框架

由于導(dǎo)向輪分別沿著穿梭車兩側(cè)導(dǎo)軌側(cè)面滾動,因此要求穿梭車行走輪兩側(cè)導(dǎo)軌間距控制精確,且要保證兩側(cè)導(dǎo)軌導(dǎo)向面平行安裝。穿梭車兩側(cè)導(dǎo)向輪間距要固定,因為導(dǎo)軌間距過大或過小,都可能導(dǎo)致導(dǎo)向輪被導(dǎo)軌卡死;另外,如果兩側(cè)導(dǎo)軌導(dǎo)向面不平行,穿梭車會在軌道上蛇形行駛,導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌側(cè)面會不停撞擊以糾正穿梭車行駛方向,這樣會導(dǎo)致導(dǎo)向輪磨損加快。因此,這種導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)對立體庫貨架導(dǎo)軌安裝精度要求較高。

為了降低對穿梭車導(dǎo)軌安裝要求,夾持導(dǎo)向方案在穿梭車上得到了應(yīng)用。這種導(dǎo)向方案是在穿梭車單側(cè)安裝兩組以上雙導(dǎo)向輪,且每組導(dǎo)向輪分為內(nèi)導(dǎo)向輪和外導(dǎo)向輪。兩個導(dǎo)向輪直徑相同并夾著導(dǎo)軌側(cè)面進行導(dǎo)向,兩個導(dǎo)向輪之間的間距略微大于導(dǎo)軌側(cè)面板材厚度,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穿梭車夾持導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

這種夾持導(dǎo)向方案只對單側(cè)導(dǎo)軌安裝對接精度有要求,對穿梭車行走的兩側(cè)導(dǎo)軌間距和平行度沒有高精度要求,因此減輕了貨架安裝難度,避免了貨架兩側(cè)導(dǎo)軌變形導(dǎo)致的導(dǎo)向輪卡死現(xiàn)象,提高了穿梭車貨架導(dǎo)軌的適應(yīng)性。這種導(dǎo)向方案每組需要兩個導(dǎo)向輪,穿梭車一側(cè)如果安裝四組就需要11個導(dǎo)向輪,導(dǎo)向輪數(shù)量需求較多,穿梭車使用成本較高。

2 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

2.1 導(dǎo)向輪受力分析

穿梭車在行走導(dǎo)軌上運行時,導(dǎo)向輪會與行走導(dǎo)軌側(cè)面接觸而產(chǎn)生水平側(cè)向推力,以糾正穿梭車行駛方向。導(dǎo)向輪受力圖如圖4所示,導(dǎo)向輪滾動面主要受到偏斜運行水平側(cè)向載荷F的作用,導(dǎo)向輪直徑D和寬度B都與水平側(cè)向載荷F有關(guān)。影響水平側(cè)向載荷的因素很多,目前準確計算比較困難,但根據(jù)穿梭車的運行方式,可參考借鑒同樣沿軌道運行的起重機導(dǎo)向輪水平側(cè)向載荷的計算方法來近似計算側(cè)向載荷。

圖4 導(dǎo)向輪受力示意圖 圖5 穿梭車行走輪位置示意圖

參考《起重機設(shè)計規(guī)范》中對偏斜運行水平側(cè)向載荷的計算方法,穿梭車導(dǎo)向輪所受水平載荷可按照式(1)進行估算[1]:

(1)

式中:∑P為穿梭車承受側(cè)向載荷一側(cè)行走輪承受的最大輪壓之和,N;λ為水平側(cè)向載荷系數(shù),它與穿梭車行走輪跨度S和有效軸距a的比值S/a有關(guān)。

穿梭車行走輪位置結(jié)構(gòu)如圖5所示,λ取值可根據(jù)圖6確定。

圖6 水平側(cè)向載荷系數(shù)

穿梭車行走輪承受的最大輪壓主要考慮穿梭車靜止狀態(tài)下所受最大載荷時的承載,并不考慮動力效應(yīng)。由于穿梭車所載貨物位于穿梭車中間貨艙,因此四個行走輪所受輪壓可近似認為均布相同,即:

P1=P2

(2)

根據(jù)分析得出穿梭車導(dǎo)向輪水平側(cè)向載荷為:

(3)

式中:M為穿梭車自重;G為穿梭車所載貨物質(zhì)量。

2.2 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)前述受力分析可知穿梭車導(dǎo)向輪主要受偏斜運行的水平側(cè)向力作用,因此導(dǎo)向輪的容許負載N應(yīng)大于水平側(cè)向力F。導(dǎo)向輪的容許負載可按照下式進行計算[2]:

N=K×D×B×η

(4)

式中:K為導(dǎo)向輪許用比壓,它跟導(dǎo)向輪表面材料的抗拉強度有關(guān)系,材料的抗拉強度越高,許用比壓K就越大;η為計算系數(shù),它與導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)速和使用時間有關(guān)系。導(dǎo)向輪的寬度B可以根據(jù)行走導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)提前確定,導(dǎo)向輪直徑計算式如下:

(5)

在理想狀態(tài)下導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌不接觸,但當(dāng)穿梭車偏斜行走時,導(dǎo)向輪將與導(dǎo)軌接觸。為了減少導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌的沖擊,導(dǎo)向輪內(nèi)部軸承選用圓柱滾子軸承,表面包膠聚氨酯材料,聚氨酯材料硬度可根據(jù)導(dǎo)向輪所受水平側(cè)向力來確定,同時通過水平側(cè)向力對軸承進行選型和校核。導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)速V計算如下[3]:

V=C×V1

(6)

式中:V1為穿梭車行走輪轉(zhuǎn)速;C為行走輪與導(dǎo)向輪的直徑之比。

此外,穿梭車導(dǎo)向輪的旋轉(zhuǎn)軸、支撐座以及固定螺釘主要承受水平側(cè)向力以及側(cè)向力傳遞產(chǎn)生的彎矩,可以通過材料力學(xué)第四強度理論或有限元分析對輪軸材料的應(yīng)力進行校核[4-5]。

2.3 導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌配合間隙

由于立體庫貨架導(dǎo)軌的加工和安裝誤差以及貨架支撐地面的沉降變形,不能保證導(dǎo)向輪在導(dǎo)軌上無間隙運行,因此導(dǎo)向輪和導(dǎo)軌導(dǎo)向面之間應(yīng)當(dāng)留有一定間隙,且間隙S需要選取一個合適的值。若間隙過大,穿梭車行駛過程中擺動幅度會較大,影響穿梭車的行駛速度;若間隙過小,穿梭車運行時導(dǎo)向輪會與導(dǎo)軌發(fā)生卡滯,增加了穿梭車行駛阻力。綜合考慮以上因素,并根據(jù)項目現(xiàn)場使用情況,穿梭車導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌導(dǎo)向面間隙S至少大于3 mm,最大間隙應(yīng)小于5 mm。另外,立體貨架行走導(dǎo)軌與穿梭車導(dǎo)向輪接觸的面需要保證一定的平面度和強度,平面度通常需要控制在1 mm以內(nèi),行走導(dǎo)軌材料屈服強度一般要求大于200 MPa,這樣可以避免行走導(dǎo)軌導(dǎo)向面與導(dǎo)向輪撞擊后變形造成穿梭車蛇形行駛。

2.4 導(dǎo)向輪安裝數(shù)量

穿梭車導(dǎo)向輪安裝數(shù)量與導(dǎo)向輪的導(dǎo)向形式有關(guān),導(dǎo)向輪需要保證穿梭車經(jīng)過導(dǎo)軌缺口時能正常沿直線行駛,這樣才不會出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。導(dǎo)向輪采用單邊導(dǎo)向方式時,導(dǎo)向輪至少需要布置四組,分別安裝在穿梭車前后四角,當(dāng)車體過長時,穿梭車中間還需要增加兩組導(dǎo)向輪。

穿梭車采用夾持導(dǎo)向方式時,導(dǎo)向輪至少需要布置三組,兩組導(dǎo)向輪布置到穿梭車前后兩端,一組導(dǎo)向輪布置到穿梭車中間位置,這樣可以保證穿梭車始終有兩組導(dǎo)向輪沿著導(dǎo)軌進行導(dǎo)向。

3 導(dǎo)向輪改進方案

3.1 改進方案介紹

根據(jù)上述分析,目前穿梭車采用的兩種主要導(dǎo)向方案各有優(yōu)缺點。單邊導(dǎo)向方案對穿梭車行駛導(dǎo)軌平行度要求較高,但需要的導(dǎo)向輪數(shù)量較少;夾持導(dǎo)向方案雖然降低了導(dǎo)軌的安裝要求,但由于一組導(dǎo)向輪需要兩個導(dǎo)向輪夾持導(dǎo)軌導(dǎo)向面,因此該方案需要的導(dǎo)向輪數(shù)量較多。結(jié)合這兩種導(dǎo)向方案特點,文中提出一種新的改進導(dǎo)向方案,結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 穿梭車改進導(dǎo)向方案示意圖1.導(dǎo)軌 2.行走輪 3.導(dǎo)向輪 4.穿梭車框架

該改進導(dǎo)向方案導(dǎo)向輪安裝在穿梭車一側(cè),導(dǎo)向輪在導(dǎo)軌的U型槽內(nèi)運行,依靠U型槽的兩個垂直面作為導(dǎo)向面,導(dǎo)向輪直徑D小于導(dǎo)軌U型槽寬度H。為了保證導(dǎo)向輪能正常轉(zhuǎn)動,導(dǎo)軌和導(dǎo)向輪之間間隙滿足:

3 mm≤H-D≤5 mm

(7)

導(dǎo)向輪在穿梭車一側(cè)布置三組,兩組分別布置在車體前后兩側(cè),剩下一組布置在車體中間位置。導(dǎo)向輪表面包覆聚氨酯材料,硬度選擇肖氏A90,這種硬度聚氨酯材料有足夠強度抵抗穿梭車水平側(cè)向力,可以減輕對導(dǎo)軌的沖擊。

由于穿梭車一側(cè)導(dǎo)軌U型槽通過加工即可保證兩個導(dǎo)向面的平行度,因此改進導(dǎo)向方案對導(dǎo)軌間距和安裝精度要求較低;同時,相較于夾持導(dǎo)向方案,改進導(dǎo)向方案使用輪子數(shù)量較少,極大節(jié)省了加工成本。另外,該方案導(dǎo)向輪承載面與導(dǎo)軌兩個導(dǎo)向面受力均衡,導(dǎo)向輪磨損減少,使用壽命得到極大提高。

3.2 改進方案測試驗證

為了驗證設(shè)計的合理性,也為了更好地測試,需搭建一個完整穿梭車測試貨架,同時制作一臺完整穿梭車。測試貨架巷道長度20 m,巷道寬度1 040 mm,行走導(dǎo)軌整體安裝偏差小于3 mm,對接處水平偏差小于2 mm,對接處間隙小于2 mm,行走導(dǎo)軌撓度變形控制在3 mm以內(nèi)。

穿梭車行走輪跨度為993 mm,兩個行走輪軸距為928 mm,穿梭車負載料箱重量為50 kg,車體自重為97 kg。穿梭車選用導(dǎo)向輪直徑為40 mm,導(dǎo)向輪寬度為12 mm,輪子表面包覆聚氨酯材料,硬度為肖氏A90,車體一側(cè)前后兩端布置兩組導(dǎo)向輪,測試現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 穿梭車導(dǎo)向輪測試現(xiàn)場

穿梭車按照5 m/s的速度和2 m/s2的加速度進行循環(huán)行走測試,以測試導(dǎo)向輪的磨損程度。穿梭車經(jīng)過100 km行走測試后,測量導(dǎo)向輪外圓直徑,導(dǎo)向輪外圓直徑由測試前的40.1 mm變?yōu)?9.6 mm,導(dǎo)向輪磨損量在可接受的范圍內(nèi),穿梭車運行過程平穩(wěn),沒有出現(xiàn)蛇形行駛或脫軌嚴重問題。測試表明:新改進導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)可以極大提高導(dǎo)向輪使用壽命,降低導(dǎo)向輪使用數(shù)量和成本,滿足穿梭車式立體庫降本增效的需求。

4 結(jié) 論

(1) 穿梭車在立體庫貨架導(dǎo)軌行駛時需要導(dǎo)向輪輔助定向,不同導(dǎo)向方案會影響貨架導(dǎo)軌的安裝要求,也會對導(dǎo)向輪的使用壽命和使用成本產(chǎn)生影響。

(2) 導(dǎo)向輪在穿梭車上運行時,輪子滾動面主要受到偏斜運行的水平側(cè)向載荷,通過計算水平側(cè)向載荷可確定導(dǎo)向輪和行走導(dǎo)軌主要結(jié)構(gòu)尺寸。

(3) 針對穿梭車兩種主要導(dǎo)向方案的優(yōu)缺點,提出了一種新的改進導(dǎo)向方案,經(jīng)過測試驗證,新導(dǎo)向方案降低了行走導(dǎo)軌的安裝精度,提高了導(dǎo)向輪的使用壽命,節(jié)省了導(dǎo)向輪的使用數(shù)量和成本,提高了穿梭車的運行穩(wěn)定性和作業(yè)效率。