張延武

（無錫凱樂士科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的開啟，更加集成與智能自動化的高密度立體庫系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，越來越多的倉庫采用基于四向穿梭車的貨到人揀選系統(tǒng)[1]。四向穿梭車可以在立體倉庫中沿著貨架中縱向巷道和橫向巷道水平行走，同時(shí)利用垂直移動的換層提升機(jī)穿行于貨架不同層的巷道中，穿梭車可以在倉庫三維空間內(nèi)任意位置進(jìn)行取放貨，提高了系統(tǒng)的作業(yè)效率和柔性，以及倉儲作業(yè)調(diào)度的響應(yīng)要求[2]。在這種倉庫系統(tǒng)中，多層高位貨架的緊密放置，存儲密度大，提高了倉庫的空間利用率，使物品存儲費(fèi)用得到降低，大大降低了倉庫對設(shè)備和人力的需求[3]。

在四向穿梭車自動化立體倉庫中，穿梭車要實(shí)現(xiàn)同層換巷道，就需要在橫行巷道和直行巷道交叉處布置換向轉(zhuǎn)彎板，它可以使穿梭車從一個(gè)直行巷道行駛至同層的另外一個(gè)直行巷道，增大了穿梭車的作業(yè)范圍。穿梭車在換向轉(zhuǎn)彎板處換向的效率和成功率直接影響整個(gè)立體庫的作業(yè)效率，因此利用有限元分析對換向轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析是十分必要的，并為轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供新的方案選擇。

1 穿梭車轉(zhuǎn)彎板處換向工作概述

穿梭車在立體庫貨架里面換向示意圖如圖1所示，貨架直行巷道和橫行巷道交叉處布置有換向轉(zhuǎn)彎板，穿梭車從直行巷道行駛至換向轉(zhuǎn)彎板處切換為橫行狀態(tài)，通過橫行輪沿著橫行巷道到達(dá)相鄰巷道的轉(zhuǎn)彎板處，穿梭車在轉(zhuǎn)彎板處切換為直行狀態(tài)沿著另外一條直行巷道行走，從而實(shí)現(xiàn)同層不同巷道的切換。

圖1 穿梭車換向示意圖

2 換向轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

換向轉(zhuǎn)彎板作為穿梭車在立體庫貨架里面換向的主要部件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括固定板、行走支撐板、直行導(dǎo)向條、橫行導(dǎo)向條等部件。轉(zhuǎn)彎板通過4個(gè)固定板固定于貨架上，行走支撐板與固定板通過螺栓連接，行走支撐板上安裝有直行導(dǎo)向條和橫行導(dǎo)向條，導(dǎo)向條保證穿梭車在轉(zhuǎn)彎板處能沿著正確的方向行駛。換向轉(zhuǎn)彎板的設(shè)計(jì)要求是既要保證穿梭車能夠在直行巷道和橫行巷道交叉處快速平穩(wěn)切換，又要保證整個(gè)轉(zhuǎn)彎板有足夠強(qiáng)度支撐穿梭車行走。當(dāng)換向轉(zhuǎn)彎板變形過大時(shí)，轉(zhuǎn)彎板上定位點(diǎn)會發(fā)生偏移，穿梭車定位就會異常。另外，穿梭車在變形過大的換向轉(zhuǎn)彎板上行走時(shí)，其車體在換向時(shí)會發(fā)生傾斜，從而導(dǎo)致車輪脫離原軌道而卡住。因此穿梭車在換向轉(zhuǎn)彎板上行走時(shí)，整個(gè)換向轉(zhuǎn)彎板的最大垂直變形量應(yīng)小于2 mm，轉(zhuǎn)彎板上單個(gè)部件的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)需要大于1.3。

圖2 換向轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 固定板部件

固定板起到承載整個(gè)轉(zhuǎn)彎板組件的作用，分別與貨架直行導(dǎo)軌和橫行導(dǎo)軌通過螺栓連接，轉(zhuǎn)彎板與貨架立柱連接成為一體，考慮到整體強(qiáng)度，固定板材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，板材厚度為5 mm。

2.2 導(dǎo)向條部件

穿梭車進(jìn)入換向轉(zhuǎn)彎板時(shí)，有直行和橫行兩種選擇，穿梭車行駛方向切換需要導(dǎo)向條輔助實(shí)現(xiàn)。當(dāng)穿梭車從直行巷道過來時(shí)需要沿著直行導(dǎo)向條進(jìn)入轉(zhuǎn)彎板，直行導(dǎo)向條除了輔助穿梭車導(dǎo)向外還輔助穿梭車進(jìn)行精確定位，從而保證穿梭車能停在轉(zhuǎn)彎板的中心位置，因此直行導(dǎo)向條中間位置需要布置定位片。同理，穿梭車橫行導(dǎo)向條中間位置也有對應(yīng)定位片，保證穿梭車在切換為橫行狀態(tài)時(shí)定位準(zhǔn)確。直行導(dǎo)向條和橫行導(dǎo)向條整體受力較小，因此材料使用3 mm厚度碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，通過鈑金折彎加工。

2.3 行走支撐板部件

行走支撐板是換向轉(zhuǎn)彎板最主要的部件，它起到穩(wěn)定承載穿梭車行駛的作用。另外，它還是轉(zhuǎn)彎板上導(dǎo)向條與固定板的承載部件，當(dāng)穿梭車在行走支撐板上面行駛時(shí)，為保證穿梭車行駛平穩(wěn)，該部件垂直變形量應(yīng)盡量小, 同時(shí)最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料的屈服強(qiáng)度，材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，板材厚度為8 mm，采用4塊板材拼接組成。

3 換向轉(zhuǎn)彎板受力分析

穿梭車在換向轉(zhuǎn)彎板處的位置如圖3所示，穿梭車從直行巷道行駛到轉(zhuǎn)彎板處通過頂升機(jī)構(gòu)可以切換為橫行狀態(tài)，此時(shí)穿梭車4個(gè)直行輪升起，兩側(cè)4個(gè)橫行輪降下，穿梭車可以沿著橫行巷道行走至下一個(gè)轉(zhuǎn)彎板處更換直行巷道。由于穿梭車存在直行和橫行兩種狀態(tài)，因此換向轉(zhuǎn)彎板處的受力情況也分為兩種工況。每種工況下，穿梭車在換向轉(zhuǎn)彎板處使用的輪子和支撐位置不同，轉(zhuǎn)彎板的受力情況也不同。目前工程設(shè)計(jì)中，通常利用有限元分析的原理進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場測試方法對零件進(jìn)行受力分析。有限元法是將整個(gè)系統(tǒng)離散為有限個(gè)元素，用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后進(jìn)行求解，它將函數(shù)定義在簡單幾何形狀的單元域上，且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問題的解[4]。這種處理過程簡單清晰，適宜于對線性問題與非線性問題的處理。SolidWorks軟件自帶的應(yīng)力分析插件Simulation就是根據(jù)有限元法對零件進(jìn)行應(yīng)力分析的工具，本文將采用該插件對換向轉(zhuǎn)彎板受力情況進(jìn)行有限元分析。

圖3 穿梭車換向轉(zhuǎn)彎板位置示意圖

3.1 直行工況分析

穿梭車從直行巷道進(jìn)入換向轉(zhuǎn)彎板的過程中，4個(gè)直行輪中前面2個(gè)直行輪先行駛至換向轉(zhuǎn)彎板上，隨著穿梭車?yán)^續(xù)行駛，最終4個(gè)直行輪全部行駛在換向轉(zhuǎn)彎板上面。通過SolidWorks建立換向轉(zhuǎn)彎板3D模型，利用SolidWorks軟件自帶的Simulation模塊對轉(zhuǎn)彎板進(jìn)行有限元仿真分析，采用靜應(yīng)力分析模式，采用線性假定、彈性假定和靜態(tài)假定條件，解算器選用迭代階段器進(jìn)行計(jì)算[5]。

為了提高分析精度，對換向轉(zhuǎn)彎板采用3D實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件為在4個(gè)固定板底面添加固定約束，換向轉(zhuǎn)彎板各個(gè)零件之間接觸按照全局接合接觸定義，零件材料都定義為Q235，材料密度為7850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度為375 MPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa。整個(gè)轉(zhuǎn)彎板受到的載荷為穿梭車自重加上貨箱的質(zhì)量，總質(zhì)量為150 kg，因此載荷按照1470 N進(jìn)行加載，輪子與轉(zhuǎn)彎板接觸面為載荷加載面，換向轉(zhuǎn)彎板約束和加載如圖4所示。

圖4 直行工況轉(zhuǎn)彎板受力分析邊界條件

根據(jù)穿梭車進(jìn)入換向轉(zhuǎn)彎板的過程可知，載荷加載面也是在不斷變化中，從剛開始2個(gè)輪子接觸到轉(zhuǎn)彎板，到最終4個(gè)輪子接觸到轉(zhuǎn)彎板，通過對整個(gè)行走過程不同位置受力分析，當(dāng)穿梭車前面2個(gè)直行輪行駛到換向轉(zhuǎn)彎板中間位置，后面2個(gè)輪子還在直行軌道時(shí)轉(zhuǎn)彎板變形最大，垂直方向最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)彎板中間，最大變形量為1.4 mm（如圖5），最大應(yīng)力位置在直行導(dǎo)向條中間位置，其最大應(yīng)力為157 MPa（如圖6），轉(zhuǎn)彎板的安全系數(shù)為1.5，最大應(yīng)力在材料承受范圍之內(nèi)，滿足使用要求。

圖5 直行工況轉(zhuǎn)彎板位移變形云圖

圖6 直行工況轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力云圖

3.2 橫行工況分析

穿梭車從橫行巷道進(jìn)入換向轉(zhuǎn)彎板過程與從直行巷道進(jìn)入類似，區(qū)別主要為輪子的行走支撐板上的接觸位置，轉(zhuǎn)彎板載荷加載面也是在不斷變化中，整個(gè)換向轉(zhuǎn)彎板的約束和加載如圖7所示。通過對穿梭車在換向轉(zhuǎn)彎板處橫行方向行走過程受力分析，當(dāng)穿梭車前面兩個(gè)橫行輪行駛到換向轉(zhuǎn)彎板中間位置時(shí)轉(zhuǎn)彎板發(fā)生最大變形，轉(zhuǎn)彎板位移變形云圖如圖7所示，垂直方向上最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)彎板中間位置，最大變形量為0.41 mm；轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力云圖如圖8所示，最大應(yīng)力在固定板位置，其最大應(yīng)力為109 MPa，轉(zhuǎn)彎板的安全系數(shù)為2.1，轉(zhuǎn)彎板不需要額外加強(qiáng)滿足使用要求。

圖7 橫行工況轉(zhuǎn)彎板受力分析邊界條件

圖8 橫行工況轉(zhuǎn)彎板位移變形云圖

圖9 橫行工況轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力云圖

3.3 換向轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及校核

從前面的分析結(jié)果可以看出，直行工況下轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力變形比橫行工況下大，這主要是換向轉(zhuǎn)彎板直行方向長度大于橫行方向長度，行走支撐板依靠4個(gè)固定板支撐，類似于簡支梁支撐，它的結(jié)構(gòu)直接影響整個(gè)換向轉(zhuǎn)彎板的受力變形和整體質(zhì)量。在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中，由于換向轉(zhuǎn)彎板在每一層直行巷道和橫行巷道交叉處都需要安裝，對于大型立體倉庫，層數(shù)達(dá)到10層以上，換向轉(zhuǎn)彎板需求數(shù)量巨大，數(shù)量達(dá)到200個(gè)以上，因此換向轉(zhuǎn)彎板需要通過輕量化設(shè)計(jì)來降低制造成本。

根據(jù)前面受力分析可知，采用4塊8 mm厚度碳鋼拼接組成的換向轉(zhuǎn)彎板雖然強(qiáng)度和變形量滿足使用要求，但總體質(zhì)量達(dá)到24 kg,整體加工成本較高，同時(shí)也給立體庫里面高空作業(yè)安裝帶來難度。基于減重考慮，對行走支撐板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，材料采用3 mm厚度Q235板材，整塊板材利用鈑金折彎方式加工，板材中間鏤空切割，四周邊折彎高度為25 mm，行走支撐板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 行走支撐板改進(jìn)結(jié)構(gòu)

對改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的換向轉(zhuǎn)彎板分別進(jìn)行直行工況和橫行工況下強(qiáng)度校核，轉(zhuǎn)彎板的約束邊界條件和載荷加載與前述工況分析相同，換向轉(zhuǎn)彎板直行工況的位移變形云圖和應(yīng)力云圖如圖11和圖12所示，橫行工況的位移變形云圖和應(yīng)力云圖如圖13和圖14所示。從云圖可以看出，換向轉(zhuǎn)彎板在直行工況和橫行工況下垂直方向最大變形量分別為1.2 mm和0.5 mm，位置都在轉(zhuǎn)彎板中間位置；換向轉(zhuǎn)彎板在直行工況和橫行工況下的最大應(yīng)力分別為183 MPa和121 MPa,位置都在固定板支撐處。

圖11 直行工況改進(jìn)轉(zhuǎn)彎板位移變形云圖

圖12 直行工況改進(jìn)轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力云圖

圖13 橫行工況改進(jìn)轉(zhuǎn)彎板位移變形云圖

圖14 橫行工況改進(jìn)轉(zhuǎn)彎板應(yīng)力云圖

從受力分析結(jié)果可知，換向轉(zhuǎn)彎板在直行工況下受力最惡劣，最大變形量大于橫行工況變形量，但應(yīng)力不大，最大應(yīng)力沒有超過材料屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為1.3，換向轉(zhuǎn)彎板結(jié)構(gòu)滿足使用要求。改進(jìn)結(jié)構(gòu)的換向轉(zhuǎn)彎板整體質(zhì)量僅為14 kg，相比原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎板減重41%，大大節(jié)省了材料和加工成本。同時(shí)，換向轉(zhuǎn)彎板減重不僅提高了立體庫貨架搭建的便利性，同時(shí)也降低了貨架立柱的額外負(fù)載，提高了立體庫貨架的貨物承載量。

4 結(jié)論

1）四向穿梭車從巷道進(jìn)入換向轉(zhuǎn)彎板過程中，轉(zhuǎn)彎板受力變形是一個(gè)變化的過程，當(dāng)穿梭車前面兩個(gè)輪子行走到轉(zhuǎn)彎板中間位置時(shí)轉(zhuǎn)彎板受力變形最大，其垂直方向最大變形位置也位于此處。

2）換向轉(zhuǎn)彎板在直行工況下受力變形情況比橫行工況惡劣，最大應(yīng)力位置基本位于轉(zhuǎn)彎板的固定板支撐處。

3）針對換向轉(zhuǎn)彎板過重的問題，提出了改進(jìn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過鈑金折彎方式加工，在確保使用強(qiáng)度需求的前提下有效減輕了換向轉(zhuǎn)彎板質(zhì)量。

4）利用SolidWorks軟件自帶的Simulation模塊對四向穿梭車換向轉(zhuǎn)彎板進(jìn)行有限元分析，可以極大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，利用計(jì)算機(jī)仿真代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場測試方法，為后續(xù)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)。