摘要:目的為了減輕數(shù)控立體倉庫升降車底座的質(zhì)量，從而保證其結構強度滿足要求，現(xiàn)利用有限元模擬升降車底座性能。方法先通過Solidworks2010完成升降車底座的建模，再導入有限元分析軟件Workbench分析其結構強度，根據(jù)分析結果修改模型，直至其結構強度滿足要求。結果通過改變升降車底座的厚度和結構得出不同受力以及變形情況，并對試驗結果加以分析和優(yōu)化。結論厚度為4mm的底座通過增加加強筋，結構強度滿足要求，質(zhì)量比厚度為5mm底座減少20．01kg，節(jié)省了材料，提升了系統(tǒng)整體的性能。

 

    關鍵詞:數(shù)控立體倉庫;Ansys;升降車底座;有限元分析

 

    數(shù)控立體倉庫即自動化倉庫貨柜，是由電腦控制的自動存取貨物的倉儲設備。它的發(fā)展始于20世紀50年代中葉的歐洲，到了20世紀70年代，德國享乃爾和瑞士卡迪斯等公司相繼開發(fā)出工業(yè)用的垂直旋轉式自動貨柜。進入20世紀80年代，世界市場對工業(yè)用的垂直自動化倉庫有了巨大的需求，數(shù)控立體倉庫處在物流系統(tǒng)的重要地位［1—3］。隨著我國加入WTO，我國經(jīng)濟融入世界經(jīng)濟一體化的進程加快，電子商務、物流、供應鏈管理是當前經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢［4—5］。它與傳統(tǒng)倉庫相比有以下優(yōu)點:全自動化操作，存取物品方便，速度快，節(jié)省時間;充分利用空間，能夠在占地面積最小的情況下，充分利用現(xiàn)有的空間高度，從而使倉儲能力增加60%以上;降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率;由于是密閉的，存儲的物品可以有效地避免灰塵、陽光的侵害;具有保密授權功能，可以對不同的用戶設置不同的密碼，一般用戶無法提取被鎖定用戶的物品;可以實現(xiàn)智能管理，當?shù)陀谧钚齑媪繒r，系統(tǒng)會自動提示補充，因而不會出現(xiàn)庫存短缺;具有先進先出的功能，不會有貨物長期存放而失效;隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，數(shù)控立體倉庫最大的優(yōu)點是可以對貨物進行實時管理。由于數(shù)控立體倉庫的這些特點，因此已經(jīng)有越來越多的用戶使用這種產(chǎn)品，循環(huán)經(jīng)濟提高了生產(chǎn)效率［6—7］。

 

    在數(shù)控立體倉庫的諸多零部件中，升降車底座是非常重要的零件，承載著較大的壓力和拉力。它的質(zhì)量直接影響著整個系統(tǒng)的響應速度。一般情況下，設計者盡量增加底座鈑金的厚度以保證系統(tǒng)具有足夠的強度，但是如果升降車底座的質(zhì)量大，其慣性也大，對系統(tǒng)內(nèi)的齒輪傳動、鏈傳動及電機減速器的損害就會大。反之如果底座鈑金厚度小，致使強度不足，又會嚴重影響升降車的停留位置精度，并且隱藏著嚴重的安全隱患。由此可見，對其結構進行合理設計及分析，并提出優(yōu)化方案就顯得十分必要。

 

    隨著計算機技術的發(fā)展，應用基于有限元法的計算機輔助工程(CAE)的方法越來越普及，40多年來，解決了諸多難題，在結構優(yōu)化及減重方面發(fā)揮了不可替代的作用，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了設計周期，一些行業(yè)還將有限元方法指定為強度和剛度校核必須的工具［8—10］。

 

    1升降車組成與分析

 

    數(shù)控立體倉庫升降車見圖1，是由導向輪1、底座2、鏈輪錐齒輪安裝座3、縱向鏈條連接軸4、托輪5、托輪護罩6、傳動總成7、連接板8、電機連接板9、傳動軸支承座10等組成。升降車主要在出入庫時作升降運動，升降車通過縱向鏈條連接軸與豎直鏈條連接，在提升機構的作用下完成升降動作。出庫時，升降車在豎直鏈條的牽引下運動到目標倉位停止，傳動總成工作，水平鏈條上的小鉤將托盤拖到升降車上，傳動總成停止工作，升降車運動到出庫口，傳動總成工作，將托盤推到倉庫口載物臺。入庫時，水平鏈條上的小鉤將倉庫口載物臺上的托盤拖到升降車上，升降車上升到目標倉位，傳動總成工作，將托盤推入目標倉位。

 

    假設升降車處于滿載靜止狀態(tài)。4個縱向鏈條連接軸分別固定在4個鏈輪錐齒輪安裝座上，4個鏈輪錐齒輪安裝座通過螺栓連接在升降車底座上。因此，當豎直鏈條牽引小車上升時，可以看成4個鏈輪錐齒輪安裝座分別給升降車底座4個豎直向上的力Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c，F(xiàn)d。傳動總成通過螺栓連接到升降車底座上，由于傳動總成自身的質(zhì)量具有重力，給升降車底座一個豎直向下的拉力Fm。托盤通過12個托輪將托盤自身重力和貨物重力轉換為壓力分散作用在升降車底座上，表示為F1到F24，底座自身還受一個豎直向下的重力G，受力分析見圖2(其他零件由于對底座作用力不大，故忽略不計)。

 

    圖2升降車底座受力分析

 

    Fig．2StressAnalysisofthelifttruck'schassis

 

    在Solidworks中通過查找升降車底座、傳動總成和托盤的文件屬性可知升降車底座的質(zhì)量m1為42．665kg，傳動總成的質(zhì)量m2為13．860kg，托盤的質(zhì)量m3為5．452kg。

 

    由于靜止時升降車處于平衡狀態(tài)，所以Fa+Fb+Fc+Fd=Fm+G+F1+F2+……+F23+F24，其中G=m1×g=418．117N，F(xiàn)m=m2×g=135．828N。

 

    托盤最大載重量m4為500kg，所以，托盤和貨物對 升降車底座的壓力F=m3×g+m4×g=4953．430N。

 

    假設托盤和貨物對升降車底座的壓力平均地分散在升降車底座上，所以，F(xiàn)1=F2=……=F23=F24=1/24

 

    ×F=206．393N

 

    Fa=Fb=Fc=Fd=1/4×(Fm+G+F)=1376．844N

 

    2升降車底座強度分析

 

    2．1添加約束及力文中升降車底座采用的材料為Q－235。根據(jù)數(shù)控立體倉庫工作時升降車的運行狀態(tài)進行約束，采用在升降車底座4個側面約束，同時在升降車底座上加力，加力情況見圖3。

 

    圖3升降車底座加力示意

 

    Fig．3Schematicafterburnerofthelifttruck＇schassis

 

    2．2最大等效應力、最大變形量及最小安全系數(shù)圖

 

    升降車底座采用4mm厚和5mm厚鋼板時的等效應力、總體變形及安全系數(shù)見圖4。

 

    升降車底座采用4mm厚和5mm厚鋼板時參數(shù)見表1。

 

    由表1分析可知，底座厚度為4mm時強度明顯

 

    圖4不同厚度底座的等效應力、總體變形和安全系數(shù)

 

    Fig．4Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofchassiswithdifferentthickness

 

    表1不同厚度底座參數(shù)

 

    Tab．1Parameterofchassiswithdifferentthickness尋求一種方案既滿足強度要求，又使底座質(zhì)量不太大。

 

    底座厚度

 

    /mm最大等效應力/Pa最大變形量/mm底座質(zhì)量安全系數(shù)

 

    /kg

 

    47．1451．6400．64455．240

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    3優(yōu)化設計

 

    3．1優(yōu)化方案

 

    不足，不予采用;底座厚度為5mm時強度足夠大，于是從安全系數(shù)云圖中可以看出，強度最小處為底座受鏈輪錐齒輪安裝座拉力與托輪壓力交界處，特別是支撐托輪處的底座板非常危險。通過分析，4mm厚的升降車底座已不能滿足設計要求，現(xiàn)提出2種方案。

 

    1)將升降車底座板厚度整體增加至5mm。

 

    2)將4mm厚的升降車底座進行局部加強。第1種方案在第2節(jié)中已經(jīng)分析，強度足夠，滿足設計要求�，F(xiàn)對第2種方案進行分析，在支撐托輪的底座板設計8個厚度為60mm的加強筋，進行有限元分析。加強底座的最大等效應力圖、最大變形量圖和最小安全系數(shù)圖見圖5。

 

    圖5加強底座的最大等效應力、總體變形和最小安全系數(shù)

 

    Fig．5Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofthestrengthenedchassis

 

    3．2優(yōu)化結果分析

 

    5mm厚底座與4mm厚加強底座參數(shù)對比見表2。

 

    表2優(yōu)化前后參數(shù)變化對比

 

    Tab．2Comparisonofparametersbeforeandafteroptimization

 

    底座厚度/mm最大等效應力/Pa最大變

 

    形量/mm最小安全系數(shù)底座質(zhì)量

 

    /kg

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    4(加強)6．2271．0941．38456．270

 

    通過對優(yōu)化結果的分析可知，4mm厚的底座增加加強筋后與5mm厚的底座相比，雖然變形量增大，但1．094mm的變形量已經(jīng)滿足了設計要求;最小安全系數(shù)明顯提升，從1．253提升到1．384，升降車在運行過程中更加安全;底座質(zhì)量明顯減小，從76．280kg減少到56．270kg，不僅節(jié)省了20．010kg的材料，也提升了整個數(shù)控立體倉庫的性能。

 

    4結語

 

    文中通過Ansys有限元分析軟件對數(shù)控立體倉庫升降車底座進行了結構靜力的分析，分析結果直觀地表示出升降車底座應力最大位置以及受力變形情況。結果顯示，4mm厚的升降車底座經(jīng)過加強后能滿足強度及剛度要求，而且節(jié)省了材料，提升了系統(tǒng)的性能。

 

    參考文獻:

 

    ［1］徐偉民，孫國正．現(xiàn)代物流推動包裝工程學科的新發(fā)展［J］．包裝工程，2003，24(5):152—153

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    ［4］胡燕祝，呂宏義．物流配送中心的規(guī)劃與管理［J］．包裝工程，2007，28(5):24—27．

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