文/王永紅

一、引言

在現(xiàn)代物流倉儲中，堆垛機作為應(yīng)用最為廣泛的貨物搬運核心設(shè)備起著關(guān)鍵的作用。隨著大型立體倉庫應(yīng)用越來越多，為了進一步提高存儲量、提升土地利用率，對應(yīng)堆垛機在高度方向尺寸的要求也越來越大。作為超高堆垛機（高度達到36米以上）相比常規(guī)堆垛機（通常高度24米以下）在主體結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及穩(wěn)定性等設(shè)計參數(shù)發(fā)生了很大的變化。尤其在堆垛機啟停、加減速階段，堆垛機立柱在水平運行方向形成的撓度尺寸會大幅度增大；在存取貨物時，堆垛機立柱在垂直于水平運行方向晃動量會大幅度增大；顯然高度達到36米以上因為高度尺寸大幅度的變化對設(shè)備剛性的影響，對單個貨物存儲以及系統(tǒng)的運行效率造成重大的影響。

本文以公司在馬來西亞某物流倉儲項目設(shè)計的超高堆垛機為研究對象，對堆垛機主體結(jié)構(gòu)如何通過三維建模、Simcenter 3D有限元軟件相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法進行了論述，通過對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后其在運行及貨物存取過程中主體結(jié)構(gòu)強度、剛度以及穩(wěn)定性對比研究分析，推導(dǎo)出在超高尺寸工作條件下堆垛機合理的主體結(jié)構(gòu)。

二、概述

優(yōu)化前超高堆垛機主要結(jié)構(gòu)組成：整體框架（包括上橫梁、下橫梁、左右立柱），水平行走機構(gòu)、提升驅(qū)動機構(gòu)、載貨臺（包含雙工位、雙貨叉伸縮機構(gòu)）、電氣控制柜等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 優(yōu)化前超高堆垛機外形結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化后超高堆垛機主要結(jié)構(gòu)組成：整體框架（包括上橫梁、優(yōu)化設(shè)置上部輔助驅(qū)動及制動電機）、下橫梁、左右立柱（材料選型進行優(yōu)化、中間拉梁），水平行走機構(gòu)、提升驅(qū)動機構(gòu)、載貨臺（包含雙工位、雙貨叉伸縮機構(gòu)）、電氣控制柜等組成，超高堆垛機的外形結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 優(yōu)化后超高堆垛機外形結(jié)構(gòu)圖

隨著大型立體倉庫應(yīng)用越來越多，為了進一步提高存儲量、提升土地利用率，對應(yīng)堆垛機在高度方向尺寸的要求也越來越大。

三、主體結(jié)構(gòu)的三維建模及有限元分析

1.超高堆垛機主體結(jié)構(gòu)三維建模

應(yīng)用Solidworks三維軟件建立模型，模型包括上橫梁、下橫梁、左右立柱、載貨臺等組成。超高堆垛機左右立柱分別采用方形管（或矩形管）型材。

優(yōu)化前超高堆垛機分別選用矩形管（600x400x10mm）作為左右立柱，見圖3。

圖3 優(yōu)化前超高堆垛機參數(shù)化模型

優(yōu)化后超高堆垛機分別選用方管（600x600x10mm）作為左右立柱；且上橫梁增設(shè)輔助驅(qū)動及制動電機；立柱之間設(shè)置有水平拉梁，見圖4。

圖4 優(yōu)化后超高堆垛機參數(shù)化模型

2.超高堆垛機的有限元分析

本文在各工況下采用Simcenter 3D有限元軟件對優(yōu)化前后堆垛機立柱進行了有限元分析。因為左右立柱、上下橫梁采用不同厚度的矩形管或者方形管組成，對其矩形管或者方形管進行網(wǎng)格劃分時，則會遇到劃分網(wǎng)格特別多，會嚴(yán)重影響計算時間，所以在將參數(shù)化模型導(dǎo)入Simcenter 3D時對矩形管及方形管抽取中面，采用殼單元對中面進行網(wǎng)格劃分，則大大減少了網(wǎng)格的數(shù)量并減少了計算時間。載貨臺建模時根據(jù)不同工況與立柱設(shè)置為不同的聯(lián)接，貨叉簡化為1D單元連接，提升驅(qū)動力參數(shù)化為集中質(zhì)量加載；堆垛機的主體材料選用Q345，彈性模量E=2.09e11Pa，泊松比μ=0.28。

3.工作載荷

上橫梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量：800kg；

載貨臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量：3300kg（含左右雙工位貨叉及貨物質(zhì)量1200kg）；

立柱框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量：15000kg（含左右立柱）；

下橫梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量：2300kg；

電氣控制柜質(zhì)量：500kg；

水平運行加速度：a=0.5m/s2；

貨叉存取貨物加速度：a=0.5m/s2。

4.有限元分析研究

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的分析

優(yōu)化1：上部增設(shè)輔助驅(qū)動及制動電機的參數(shù)分析

● 優(yōu)化前，上部未設(shè)置輔助驅(qū)動及制動電機有限元分析

施加約束：在下橫梁有制動電機一側(cè)施加X，Y，Z方向的位移約束，在另一端施加Y，Z方向的約束，即下橫梁采用簡支約束；在上橫梁施加Y方向的約束。

堆垛機啟停階段載貨臺在堆垛機的高位為最差工況，此時對有限元模型整體施加重力加速度g=9.8m/s2，水平運行加速度a=0.5m/s2，雙立柱上端施加33000N以及在右立柱上部施加1700N（載貨臺加速度產(chǎn)生的力）對立柱的作用力。

從圖5可以看出，由于堆垛機的高度尺寸大，在加減速過程中，立柱上部變形非常大，變形尺寸約為235mm，嚴(yán)重影響了堆垛機的正常運行；從圖6可以看出立柱局部產(chǎn)生最大應(yīng)力集中點為319MPa，位置在下橫梁處，工況不能滿足使用的要求。

圖5 優(yōu)化前堆垛機變形分布圖

圖6 優(yōu)化前堆垛機應(yīng)力分布圖

● 優(yōu)化后，上部設(shè)置輔助驅(qū)動及制動電機時有限元分析

施加約束：在下橫梁有制動電機一側(cè)施加X，Y，Z方向的位移約束，在另一端施加Y，Z方向的約束，即下橫梁采用簡支約束；在上橫梁施加Y方向的約束以及X方向的強制位移約束。

由于上部設(shè)置輔助驅(qū)動及制動電機，啟停時貨物在堆垛機中間位置為最差工況。對有限元模型整體施加重力加速度g=9.8m/s2，水平加速度a=0.5m/s2，雙立柱上端施加33000N以及在右立柱中間施加1700N（載貨臺加速度產(chǎn)生的力）對立柱的作用力。

從圖7可以看出，在滿載額定貨物并加減速運動時，上下橫梁的變形很小，但是立柱產(chǎn)生的撓度相對增大，并且隨著加速度的增加，立柱產(chǎn)生的撓度也隨之增大，最大值在立柱的中間位置，撓度為21mm，整體結(jié)構(gòu)的變形滿足使用要求。

圖7 優(yōu)化后堆垛機變形分布圖

從圖8應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力主要集中在下橫梁與立柱的聯(lián)接位置，應(yīng)力值為123MPa，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均滿足使用要求。

圖8 優(yōu)化后堆垛機應(yīng)力分布圖

優(yōu)化2：立柱組合由矩形管600x400x10mm優(yōu)化為方管600x600x10mm對貨叉存取貨物時穩(wěn)定性分析。

施加約束：在下橫梁有制動電機一側(cè)施加X，Y，Z方向的位移約束，在另一端施加Y，Z方向的約束，即下橫梁采用簡支約束；在上橫梁施加Y方向的約束以及X方向的強制位移約束。

依照最差工況即貨物在堆垛機中間位置伸叉或者收叉時堆垛機立柱的變形情況進行分析。貨叉以0.5m/s2加速度進行伸、縮叉存取貨時，貨物的重心位置施加12000N（貨物及貨叉移動部分的重量）。

該堆垛機為雙工位（雙貨叉）結(jié)構(gòu)，從圖9和圖10可以看出，離取貨近的立柱較另一根立柱變形量大，優(yōu)化前與優(yōu)化后堆垛機立柱變形由15mm減小到4mm。從圖11和圖12可以看出，堆垛機的最大應(yīng)力值由148MPa降低到115MPa。

圖9 優(yōu)化前堆垛機變形分布圖

圖10 優(yōu)化后堆垛機變形分布圖

圖11 優(yōu)化前堆垛機應(yīng)力分布圖

圖12 優(yōu)化后堆垛機應(yīng)力分布圖

優(yōu)化后整體結(jié)構(gòu)晃動量及應(yīng)力值均滿足使用的要求。

5.結(jié)果分析

通過對優(yōu)化1（設(shè)置上部輔助驅(qū)動及制動電機）建模及分析，在堆垛機水平運行加減速階段，結(jié)構(gòu)最大變形量由235mm減少到21mm，集中應(yīng)力最大值由319MPa降低到123MPa，優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足設(shè)備使用的要求。

通過對優(yōu)化2（立柱組合由矩形管600x400x10mm優(yōu)化為方管600x600x10mm）建模及分析，貨物在堆垛機中間位置存取貨物時，結(jié)構(gòu)最大變形量由15mm減少到4mm，集中應(yīng)力最大值由148MPa降低到115MPa，優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足設(shè)備使用的要求。

可見，堆垛機隨著高度的增加，主體結(jié)構(gòu)的振幅及擺動量將會逐步增大，其中采用在上橫梁設(shè)置上部輔助驅(qū)動及制動電機的優(yōu)化設(shè)計，通過上下驅(qū)動電機同時加減速，可以抑制立柱上部的擺動，大幅度減小主體結(jié)構(gòu)的變形；同時優(yōu)化立柱的截面尺寸來增強立柱的剛度，有效降低貨叉在取放貨時立柱左右晃量，滿足準(zhǔn)確存取貨物的要求。通過后期對樣機實驗階段的跟蹤，優(yōu)化后的建模分析結(jié)果與樣機實驗測試結(jié)果基本吻合。

通過三維建模、Simcenter有限元結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計方法，可精準(zhǔn)獲得在不同設(shè)計參數(shù)下結(jié)構(gòu)變形量和應(yīng)力值的變化規(guī)律，快速優(yōu)選出滿足設(shè)計所需要的主體結(jié)構(gòu)，對于超高堆垛機主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。

四、 總結(jié)

本文通過三維建模、Simcenter有限元軟件對優(yōu)化前及優(yōu)化后超高堆垛機在各工況下變形量及應(yīng)力值的分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題并進行優(yōu)化改進，得到滿足使用要求的合理結(jié)構(gòu)?？梢?，對于超高堆垛機隨著高度尺寸大幅度增加而引起主體結(jié)構(gòu)在強度、剛度以及穩(wěn)定性等發(fā)生顯著變化的情況，通過三維建模、Simcenter有限元結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計方法，可精準(zhǔn)獲得在不同設(shè)計參數(shù)下結(jié)構(gòu)變形量和應(yīng)力值的變化規(guī)律，快速優(yōu)選出滿足設(shè)計所需要的主體結(jié)構(gòu)，對于超高堆垛機主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。