鋁合金轉(zhuǎn)運器具的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

□ 郭 峰 □ 張宗鑠 □ 沈亞超 □ 劉占宇 □ 呂洪昌 □ 黃晶晶

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 轉(zhuǎn)運器具概述

全球氣候變化對世界各國提出了低碳發(fā)展的要求。我國為了實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展,提出碳達峰和碳中和目標(biāo),并將新能源汽車行業(yè)列為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。新能源汽車行業(yè)的興起帶動了汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,市場競爭日趨激烈。在當(dāng)前的市場環(huán)境下,如何快速、高效占領(lǐng)市場,同時降低供應(yīng)鏈物流成本,是目前汽車生產(chǎn)企業(yè)所面臨的一項重大挑戰(zhàn)。

轉(zhuǎn)運器具是車間生產(chǎn)活動中用于存儲、運輸汽車零件產(chǎn)品的輔助器具,本身不產(chǎn)生價值,但又不可不用。轉(zhuǎn)運器具作為現(xiàn)代化生產(chǎn)配送過程中的輔助性工具,保有量巨大,對生產(chǎn)現(xiàn)場管理、物流過程管理等方面起著相當(dāng)重要的作用。轉(zhuǎn)運器具作為生產(chǎn)輔助性工具,在供應(yīng)鏈降本中的作用日益突出,轉(zhuǎn)運器具設(shè)計的合理性直接影響汽車制造的生產(chǎn)效率及成本控制。

筆者對一種可裝載各類形狀汽車零件的新型框架類鋁合金轉(zhuǎn)運器具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)合鋁合金材料的性能優(yōu)勢,通過計算機輔助制造強度仿真分析驗證結(jié)構(gòu)可行性,為在汽車行業(yè)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 參數(shù)確定

設(shè)計轉(zhuǎn)運器具前,要明確具體設(shè)計要求,包括裝載零件的尺寸、承載質(zhì)量、最大承載高度。裝載零件如圖1所示,轉(zhuǎn)運器具設(shè)計要求見表1,g為重力加速度。根據(jù)裝載零件和設(shè)計要求,可得出所設(shè)計的鋁合金轉(zhuǎn)運器具尺寸為1 950 mm×900 mm×1 200 mm,單車可裝載零件16層,零件裝載總計224個。

表1 轉(zhuǎn)運器具設(shè)計要求

圖1 裝載零件

3 材料選用

根據(jù)材料物理特性及可加工經(jīng)濟性,選擇6063-T6鋁合金型材作為轉(zhuǎn)運器具的主要結(jié)構(gòu)材料,擋板材料為5052-H32鋁合金,底部墊塊材料為聚氯乙烯。6063-T6鋁合金具有極佳的韌性,加工后不易變形,可焊接性好,抗腐蝕性佳,易于拋光,硬度高,陽極氧化效果優(yōu)良,很適合作為框架類轉(zhuǎn)運器具的結(jié)構(gòu)材料。材料屬性見表2。

表2 材料屬性

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金轉(zhuǎn)運器具整體結(jié)構(gòu)分為四部分,分別為框架、前擋、側(cè)擋、底部支撐,如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運器具整體結(jié)構(gòu)

4.1 框架

框架的主要受力部件是橫梁和立柱,橫梁和立柱截面如圖3所示。框架底部接地截面如圖4所示,框架堆垛截面如圖5所示。為了保證轉(zhuǎn)運器具的結(jié)構(gòu)強度及美觀性要求,框架主要受力部分橫梁和立柱采用熔化極惰性氣體保護焊方式。

圖3 框架橫梁和立柱截面

圖4 框架底部接地截面

圖5 框架堆垛截面

4.2 前擋

前擋包括門閂與欄桿,均設(shè)計為可拆卸式,方便零件的存儲與取出。存儲與取出零件時,將門閂與欄桿取下。擺放好零件后,將欄桿插入欄桿座,并將門閂放入門閂座。門閂能夠提高轉(zhuǎn)運器具的結(jié)構(gòu)強度。門閂如圖6所示,欄桿如圖7所示。

圖6 前擋門閂

圖7 前擋欄桿

4.3 側(cè)擋

側(cè)擋采用鈑金結(jié)構(gòu),保證轉(zhuǎn)運器具側(cè)翻時零件不發(fā)生滑落,提高轉(zhuǎn)運器具安全性能。側(cè)擋如圖8所示。

圖8 側(cè)擋

4.4 底部支撐

對于底部支撐,選用聚氯乙烯墊塊與底部橫梁進行螺栓連接,避免劃傷零件,同時起到限位作用。底部支撐如圖9所示。

圖9 底部支撐

5 強度仿真分析

筆者參考GB/T 16564—1996《系列1平臺式、臺架式集裝箱 技術(shù)要求和試驗方法》,對鋁合金轉(zhuǎn)運器具堆碼、叉舉、側(cè)翻三種工況進行強度仿真分析,驗證其使用可靠性。分析工況見表3,轉(zhuǎn)運器具自身質(zhì)量為58 kg,轉(zhuǎn)運器具滿載質(zhì)量為290 kg,堆碼工況為兩層。

表3 分析工況

5.1 堆碼工況

堆碼工況轉(zhuǎn)運器具應(yīng)力云圖如圖10所示。轉(zhuǎn)運器具最大應(yīng)力為40.22 MPa,位于上層擋條固定桿和固定桿加強件連接處,上層轉(zhuǎn)運器具扁梁與下層轉(zhuǎn)運器具頂部接觸處應(yīng)力為39.44 MPa。

圖10 堆碼工況應(yīng)力云圖

堆碼工況轉(zhuǎn)運器具Z向位移云圖如圖11所示。上層轉(zhuǎn)運器具跨中最大位移為1.58 mm,下層轉(zhuǎn)運器具跨中最大位移為0.76 mm。

圖11 堆碼工況Z向位移云圖

堆碼工況分析結(jié)果表明,上層轉(zhuǎn)運器具應(yīng)力和位移較大,下層轉(zhuǎn)運器具應(yīng)力和位移較小。出現(xiàn)這種情況的原因主要是堆碼工況下上層轉(zhuǎn)運器具的扁梁大部分懸置于空中,并未與下層轉(zhuǎn)運器具頂部構(gòu)件完全接觸,導(dǎo)致上層轉(zhuǎn)運器具整體跨度增大,進一步導(dǎo)致上層轉(zhuǎn)運器具出現(xiàn)較大的應(yīng)力和位移。堆碼工況應(yīng)力均未超過材料屈服強度,滿足強度要求,不存在永久變形,滿足使用要求。

5.2 叉舉工況

叉舉工況轉(zhuǎn)運器具應(yīng)力云圖如圖12所示,位移云圖如圖13所示。叉舉工況下,轉(zhuǎn)運器具最大應(yīng)力為13.36 MPa,位于底部叉齒與中間橫梁接觸邊緣處,未超過材料屈服強度,滿足強度要求。轉(zhuǎn)運器具最大位移為0.67 mm,位置位于立柱頂端,不存在永久變形,滿足使用要求。

圖12 叉舉工況應(yīng)力云圖

圖13 叉舉工況位移云圖

5.3 側(cè)翻工況

側(cè)翻工況轉(zhuǎn)運器具應(yīng)力云圖如圖14所示,位移云圖如圖15所示。側(cè)翻工況下,轉(zhuǎn)運器具最大應(yīng)力為136.67 MPa,位于擋條下部與鋁板接觸處,擋板底角處應(yīng)力為110.05 MPa,均未超過材料屈服強度,滿足強度要求。轉(zhuǎn)運器具最大位移為5.17 mm,位置位于中間擋條頂端,不存在永久變形,滿足使用要求。

圖14 側(cè)翻工況應(yīng)力云圖

圖15 側(cè)翻工況位移云圖

5.4 小結(jié)

對堆碼、叉舉、側(cè)翻三種工況的鋁合金轉(zhuǎn)運器具強度分析進行小結(jié),在堆碼工況下,轉(zhuǎn)運器具最大應(yīng)力為40.22 MPa,滿足強度要求;在叉舉工況下,轉(zhuǎn)運器具最大應(yīng)力為13.36 MPa,滿足強度要求;在側(cè)翻工況下,轉(zhuǎn)運器具擋條下部與鋁板接觸處、擋板底角處應(yīng)力分別為136.67 MPa、110.05 MPa,均未超過材料屈服強度,滿足強度要求。

三種工況的強度分析結(jié)果表明,鋁合金轉(zhuǎn)運器具的結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全可行的。

6 結(jié)束語

筆者對一種新型鋁合金轉(zhuǎn)運器具進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過計算機輔助制造強度仿真分析驗證滿足使用要求。鋁合金轉(zhuǎn)運器具結(jié)構(gòu)設(shè)計精簡,質(zhì)量輕,承載力大,可回收率高,相比鋼制材料轉(zhuǎn)運器具有顯著優(yōu)點,配合叉車使用,可以適用于各類形狀汽車零件的轉(zhuǎn)運。鋁合金轉(zhuǎn)運器具不僅能夠為企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)成本,增加競爭優(yōu)勢,而且符合國家低碳發(fā)展的經(jīng)濟政策,在生產(chǎn)和物流環(huán)節(jié)中有較大應(yīng)用潛力,發(fā)展前景廣闊。