數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

馬　巖，趙敬光，李　虎，許洪剛，楊春梅

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械技術(shù)工程中心，哈爾濱 150040）

數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

馬巖，趙敬光，李虎，許洪剛，楊春梅

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械技術(shù)工程中心，哈爾濱 150040）

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)合理，符合使用要求的數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車。分析數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車的使用要求，通過(guò)SolidWorks 2010完成三維建模軟件，完成對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)總成的布局，將升降車底座導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析，根據(jù)軟件仿真分析結(jié)果，對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，滿足強(qiáng)度和剛度的要求。完成了數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車的三維模型的設(shè)計(jì)，對(duì)升降車底座進(jìn)行的仿真分析結(jié)果表明滿足使用要求。數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的升降車結(jié)構(gòu)和布局合理，升降車底座等效應(yīng)變量最大值4.3106e-5，等效應(yīng)力最大值86.211Mpa，總變形量0.11616mm，符合消除后即可恢復(fù)原狀，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)；升降車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；SolidWorks；ANSYS

0　引言

隨著現(xiàn)代化物流行業(yè)的發(fā)展，倉(cāng)庫(kù)作為物流系統(tǒng)的一個(gè)重要單元，已從人工對(duì)貨物的存取查找發(fā)展到數(shù)控自動(dòng)化階段。此時(shí)，人們以傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)物流技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)控制等技術(shù)發(fā)展成為數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)。據(jù)最新報(bào)告顯示，我國(guó)的自動(dòng)化水平較經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)在我國(guó)起步也比較晚，這造成企業(yè)自動(dòng)化水平低、加工效率低的現(xiàn)狀。出現(xiàn)在我國(guó)市場(chǎng)上的數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)雖然容量不大，產(chǎn)品單一，但憑借其低廉的價(jià)格占據(jù)了一定的市場(chǎng)。國(guó)外數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化程度高，存取準(zhǔn)確度高，效率高，但價(jià)格也比較貴，每臺(tái)高達(dá)幾十萬(wàn)。目前市場(chǎng)上對(duì)數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的需求量很大，這極大的刺激了國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的更新?lián)Q代［1～5］。

數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)根據(jù)工作原理的不同，分為垂直循環(huán)式數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)、水平循環(huán)式數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)和垂直升降式數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)［6～9］。在垂直式升降式數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)中，升降車作為一個(gè)重要機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降推拉動(dòng)作。其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的工作性能，因此升降車的合理設(shè)計(jì)與布局是十分重要的。

1　數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車整體設(shè)計(jì)

升降車作為數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中的核心部件，其性能的優(yōu)良直接影響著整個(gè)存取系統(tǒng)的好壞［11～13］。文中設(shè)計(jì)的升降車主要應(yīng)用于針對(duì)機(jī)床刀具等標(biāo)準(zhǔn)件中的數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)。升降車主要由傳動(dòng)總成、左前鏈輪總成、右前鏈輪總成、左后鏈輪總成、右后鏈輪總成、導(dǎo)向輪總成、升降小車底座和推拉滾子八部分組成。如圖1所示為數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車結(jié)構(gòu)。

圖1　數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車結(jié)構(gòu)

1.1工作原理

升降動(dòng)作，主動(dòng)鏈輪總成布置了鏈輪、錐齒輪來(lái)完成動(dòng)力和扭矩的傳遞，錐齒輪配合將水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并布置有縱向鏈輪連接軸，將升降小車串連在提升機(jī)構(gòu)的封閉的豎直鏈條中，從而帶動(dòng)升降小車作升降運(yùn)動(dòng)；推拉動(dòng)作，由左前鏈輪總成和右后鏈輪組成的從動(dòng)鏈輪總成，通過(guò)鏈條傳動(dòng)來(lái)自主動(dòng)鏈輪總成的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平方的同向移動(dòng)，以達(dá)到推入或拉出托盤的效果。

1.2運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)動(dòng)作主要是由升降車來(lái)完成，升降小車的上升、下降、減速停層和平層動(dòng)作采用變頻調(diào)速來(lái)控制。電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速與變頻器給定的頻率相對(duì)應(yīng)。升降車運(yùn)行曲線圖，升降車高度曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2　升降車運(yùn)行曲線圖

圖3　升降車高度曲線圖

推拉和提升電機(jī)采用變頻器控制轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）變頻器控制電機(jī)操作簡(jiǎn)單，功能易于實(shí)現(xiàn)。

2）采用變頻器工作啟動(dòng)電流低于電動(dòng)機(jī)額定電流，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命。

3）采用變頻器調(diào)速可以使電機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下工作，降低噪聲影響。

1.3升降車的特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)的數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車與以往升降車相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）導(dǎo)向輪總成設(shè)計(jì)既可以避免滾輪在方形管上左右滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能，又可以緩沖升降車與井道方形管剛性接觸時(shí)受力不平衡產(chǎn)生的沖擊，使升降車平穩(wěn)運(yùn)行。

2）在升降車底座平臺(tái)兩側(cè)各安裝六個(gè)托輪，使托盤變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減少摩擦大所帶來(lái)的噪音和托盤表面材料的磨損，又可以提高動(dòng)力總成傳遞的有效功率。

3）升降車中對(duì)角線布置的動(dòng)力傳遞方式，避免兩側(cè)需要兩個(gè)電動(dòng)機(jī)完成鏈輪?wèn)|西驅(qū)動(dòng)，這樣既可實(shí)現(xiàn)了鏈輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，又可以在滿足動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求的情況下，節(jié)省一個(gè)電動(dòng)機(jī)的使用，降低設(shè)備成本。

2　數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車零部件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車導(dǎo)向輪總成設(shè)計(jì)

導(dǎo)向輪是由尼龍制成，其中間凹陷與數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)井道的四根方形管菱角配合。導(dǎo)向輪總成由軸用彈性擋圈、孔用彈性擋圈、深溝球軸承、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向輪安裝軸和安裝座組成。圖4為升降車導(dǎo)向輪總成。

圖4　升降車導(dǎo)向輪總成

數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車安裝四個(gè)導(dǎo)向輪，其結(jié)構(gòu)都一樣，分別安裝在升降車四個(gè)鏈輪安裝座上。導(dǎo)向輪壓緊在方形管的棱角上，可以少量伸縮，使升降小車始終保持對(duì)中。

2.2數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車鏈輪總成設(shè)計(jì)

鏈輪總成包括主動(dòng)鏈輪總成和從動(dòng)鏈輪總成，它們的設(shè)計(jì)思路基本一樣，故本文以介紹主動(dòng)鏈輪為例。主動(dòng)鏈輪總成由縱向鏈條連接軸、安裝座、隔套、鏈輪錐齒輪安裝軸、雙排鏈輪和錐齒輪組成。圖5為升降車主動(dòng)鏈輪總成。

在安裝座上設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為30mm的孔，以實(shí)現(xiàn)豎直提升鏈條一側(cè)連接到鏈輪總成上，一側(cè)能穿過(guò)鏈輪安裝座，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)升降小車的上下運(yùn)動(dòng)，并使升降小車在運(yùn)行過(guò)程中受力平衡?？v向鏈條連接軸是固定在安裝座上的，在距離連接軸兩端8mm處開有比鏈條套筒滾子稍大的孔，以實(shí)現(xiàn)將鏈輪總成串接在提升機(jī)構(gòu)的鏈條中。在安裝座的側(cè)部斜面上，設(shè)計(jì)有3個(gè)M7的螺紋孔，用來(lái)安裝導(dǎo)向輪總成的。

圖5　升降車主動(dòng)鏈輪總成

2.3數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成主要包括了左傳動(dòng)軸、脹緊聯(lián)結(jié)套、半軸聯(lián)結(jié)套、平鍵、減速電機(jī)、右傳動(dòng)軸和錐齒輪組成。圖6為升降車動(dòng)力總成。

圖6　升降車動(dòng)力總成

升降車動(dòng)力總成為存取貨物時(shí)推拉機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供動(dòng)力。根據(jù)實(shí)現(xiàn)存取貨物功能及鏈傳動(dòng)方式，要求升降小車兩側(cè)的鏈傳動(dòng)相向運(yùn)動(dòng)，于是確定了傳動(dòng)系統(tǒng)在升降小車上的安裝需要對(duì)角安裝并兩側(cè)輸出扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

3　數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車底座分析

應(yīng)用基于有限元法的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性［14，15］。

升降車底座采用4mm鋼板，焊接6mm加強(qiáng)筋來(lái)提高受力點(diǎn)處承載強(qiáng)度。假設(shè)升降車處于滿載靜止?fàn)顟B(tài)，四個(gè)縱向鏈條連接軸分別固定在四個(gè)鏈輪錐齒輪安裝座上，四個(gè)鏈輪錐齒輪安裝座通過(guò)螺栓連接在升降車底座上。

升降貨物時(shí)，可以簡(jiǎn)化成四個(gè)鏈輪錐齒輪安裝座分別給升降車底座四個(gè)垂直向上的力Fm，F(xiàn)n，F(xiàn)x，F(xiàn)y。升降車底座自身受垂直向下的重力G，動(dòng)力總成通過(guò)連接機(jī)構(gòu)與升降車底座連接在一起，給升降車一個(gè)垂直向下的拉力Fa，托盤和貨物自身重量為Fb，位于升降車底座上面的托盤通過(guò)12個(gè)托輪把托盤自身重力和貨物重力平均分布在升降車底座上，受力從F1到F24，升降車底座受力分析如圖7所示（其余零件重力較小忽略不計(jì)）。

圖7　升降車底座受力分析

利用SolidWorks進(jìn)行三維建模得到升降車模型，對(duì)升降車添加材料Q235，通過(guò)查看質(zhì)量屬性得到升降車底座m1是38.33kg，動(dòng)力總成m2是13.86kg，托盤m3是6.35kg。

由于靜止時(shí)升降車處于平衡狀態(tài)：

托盤設(shè)計(jì)最大承載貨物質(zhì)量m4為500kg，因此托盤和貨物對(duì)升降車底座的垂直壓力：

假設(shè)托盤和貨物對(duì)升降車底座的壓力平均地分散在升降車底座上，所以：

分析結(jié)果如圖8～圖11所示，等效應(yīng)變量最大值4.3106×10-5，等效應(yīng)力最大值86.211Mpa，總變形量0.11616mm，符合消除后即可恢復(fù)原狀，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

圖8　網(wǎng)格劃分

圖9　等效應(yīng)變分析云圖

圖10　等效應(yīng)力分析云圖

圖11　總變形分析云圖

4　結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的數(shù)控立體倉(cāng)庫(kù)升降車通過(guò)導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)提高了升降車運(yùn)行平穩(wěn)性，安裝的六個(gè)托輪減少了升降車運(yùn)行的噪音和材料的磨損，提高動(dòng)力總成傳遞功率利用率，減少了電機(jī)的使用個(gè)數(shù)，節(jié)省設(shè)備生產(chǎn)成本；通過(guò)利用ANSYS有限元分析軟件校核和驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了使用強(qiáng)度和剛度要求。

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The design and analysis of NC warehouse lift truck’s structure

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TH692.3

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1009-0134（2016）09-0037-04

2016-06-07

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馬巖（1955 -），男，吉林榆樹人，教授，博士，主要從事現(xiàn)代木工機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控技術(shù)方面的研究工作。