基于Ansys的数控立体仓库升降车底座优化

    摘要:目的为了减轻数控立体仓库升降车底座的质量，从而保证其结构强度满足要求，现利用有限元模拟升降车底座性能。方法先通过Solidworks2010完成升降车底座的建模，再导入有限元分析软件Workbench分析其结构强度，根据分析结果修改模型，直至其结构强度满足要求。结果通过改变升降车底座的厚度和结构得出不同受力以及变形情况，并对试验结果加以分析和优化。结论厚度为4mm的底座通过增加加强筋，结构强度满足要求，质量比厚度为5mm底座减少20．01kg，节省了材料，提升了系统整体的性能。

 

    关键词:数控立体仓库;Ansys;升降车底座;有限元分析

 

    数控立体仓库即自动化仓库货柜，是由电脑控制的自动存取货物的仓储设备。它的发展始于20世纪50年代中叶的欧洲，到了20世纪70年代，德国享乃尔和瑞士卡迪斯等公司相继开发出工业用的垂直旋转式自动货柜。进入20世纪80年代，世界市场对工业用的垂直自动化仓库有了巨大的需求，数控立体仓库处在物流系统的重要地位［1—3］。随着我国加入WTO，我国经济融入世界经济一体化的进程加快，电子商务、物流、供应链管理是当前经济发展的必然趋势［4—5］。它与传统仓库相比有以下优点:全自动化操作，存取物品方便，速度快，节省时间;充分利用空间，能够在占地面积最小的情况下，充分利用现有的空间高度，从而使仓储能力增加60%以上;降低劳动强度，提高生产效率;由于是密闭的，存储的物品可以有效地避免灰尘、阳光的侵害;具有保密授权功能，可以对不同的用户设置不同的密码，一般用户无法提取被锁定用户的物品;可以实现智能管理，当低于最小库存量时，系统会自动提示补充，因而不会出现库存短缺;具有先进先出的功能，不会有货物长期存放而失效;随着信息技术和网络技术的发展，数控立体仓库最大的优点是可以对货物进行实时管理。由于数控立体仓库的这些特点，因此已经有越来越多的用户使用这种产品，循环经济提高了生产效率［6—7］。

 

    在数控立体仓库的诸多零部件中，升降车底座是非常重要的零件，承载着较大的压力和拉力。它的质量直接影响着整个系统的响应速度。一般情况下，设计者尽量增加底座钣金的厚度以保证系统具有足够的强度，但是如果升降车底座的质量大，其惯性也大，对系统内的齿轮传动、链传动及电机减速器的损害就会大。反之如果底座钣金厚度小，致使强度不足，又会严重影响升降车的停留位置精度，并且隐藏着严重的安全隐患。由此可见，对其结构进行合理设计及分析，并提出优化方案就显得十分必要。

 

    随着计算机技术的发展，应用基于有限元法的计算机辅助工程(CAE)的方法越来越普及，40多年来，解决了诸多难题，在结构优化及减重方面发挥了不可替代的作用，提高了系统的可靠性，缩短了设计周期，一些行业还将有限元方法指定为强度和刚度校核必须的工具［8—10］。

 

    1升降车组成与分析

 

    数控立体仓库升降车见图1，是由导向轮1、底座2、链轮锥齿轮安装座3、纵向链条连接轴4、托轮5、托轮护罩6、传动总成7、连接板8、电机连接板9、传动轴支承座10等组成。升降车主要在出入库时作升降运动，升降车通过纵向链条连接轴与竖直链条连接，在提升机构的作用下完成升降动作。出库时，升降车在竖直链条的牵引下运动到目标仓位停止，传动总成工作，水平链条上的小钩将托盘拖到升降车上，传动总成停止工作，升降车运动到出库口，传动总成工作，将托盘推到仓库口载物台。入库时，水平链条上的小钩将仓库口载物台上的托盘拖到升降车上，升降车上升到目标仓位，传动总成工作，将托盘推入目标仓位。

 

    假设升降车处于满载静止状态。4个纵向链条连接轴分别固定在4个链轮锥齿轮安装座上，4个链轮锥齿轮安装座通过螺栓连接在升降车底座上。因此，当竖直链条牵引小车上升时，可以看成4个链轮锥齿轮安装座分别给升降车底座4个竖直向上的力Fa，Fb，Fc，Fd。传动总成通过螺栓连接到升降车底座上，由于传动总成自身的质量具有重力，给升降车底座一个竖直向下的拉力Fm。托盘通过12个托轮将托盘自身重力和货物重力转换为压力分散作用在升降车底座上，表示为F1到F24，底座自身还受一个竖直向下的重力G，受力分析见图2(其他零件由于对底座作用力不大，故忽略不计)。

 

    图2升降车底座受力分析

 

    Fig．2StressAnalysisofthelifttruck'schassis

 

    在Solidworks中通过查找升降车底座、传动总成和托盘的文件属性可知升降车底座的质量m1为42．665kg，传动总成的质量m2为13．860kg，托盘的质量m3为5．452kg。

 

    由于静止时升降车处于平衡状态，所以Fa+Fb+Fc+Fd=Fm+G+F1+F2+……+F23+F24，其中G=m1×g=418．117N，Fm=m2×g=135．828N。

 

    托盘最大载重量m4为500kg，所以，托盘和货物对 升降车底座的压力F=m3×g+m4×g=4953．430N。

 

    假设托盘和货物对升降车底座的压力平均地分散在升降车底座上，所以，F1=F2=……=F23=F24=1/24

 

    ×F=206．393N

 

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

 

    2升降车底座强度分析

 

    2．1添加约束及力文中升降车底座采用的材料为Q－235。根据数控立体仓库工作时升降车的运行状态进行约束，采用在升降车底座4个侧面约束，同时在升降车底座上加力，加力情况见图3。

 

    图3升降车底座加力示意

 

    Fig．3Schematicafterburnerofthelifttruck＇schassis

 

    2．2最大等效应力、最大变形量及最小安全系数图

 

    升降车底座采用4mm厚和5mm厚钢板时的等效应力、总体变形及安全系数见图4。

 

    升降车底座采用4mm厚和5mm厚钢板时参数见表1。

 

    由表1分析可知，底座厚度为4mm时强度明显

 

    图4不同厚度底座的等效应力、总体变形和安全系数

 

    Fig．4Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofchassiswithdifferentthickness

 

    表1不同厚度底座参数

 

    Tab．1Parameterofchassiswithdifferentthickness寻求一种方案既满足强度要求，又使底座质量不太大。

 

    底座厚度

 

    /mm最大等效应力/Pa最大变形量/mm底座质量安全系数

 

    /kg

 

    47．1451．6400．64455．240

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    3优化设计

 

    3．1优化方案

 

    不足，不予采用;底座厚度为5mm时强度足够大，于是从安全系数云图中可以看出，强度最小处为底座受链轮锥齿轮安装座拉力与托轮压力交界处，特别是支撑托轮处的底座板非常危险。通过分析，4mm厚的升降车底座已不能满足设计要求，现提出2种方案。

 

    1)将升降车底座板厚度整体增加至5mm。

 

    2)将4mm厚的升降车底座进行局部加强。第1种方案在第2节中已经分析，强度足够，满足设计要求。现对第2种方案进行分析，在支撑托轮的底座板设计8个厚度为60mm的加强筋，进行有限元分析。加强底座的最大等效应力图、最大变形量图和最小安全系数图见图5。

 

    图5加强底座的最大等效应力、总体变形和最小安全系数

 

    Fig．5Equivalentstress，overalldeformationandsafetyfactorofthestrengthenedchassis

 

    3．2优化结果分析

 

    5mm厚底座与4mm厚加强底座参数对比见表2。

 

    表2优化前后参数变化对比

 

    Tab．2Comparisonofparametersbeforeandafteroptimization

 

    底座厚度/mm最大等效应力/Pa最大变

 

    形量/mm最小安全系数底座质量

 

    /kg

 

    56．8770．6931．25376．280

 

    4(加强)6．2271．0941．38456．270

 

    通过对优化结果的分析可知，4mm厚的底座增加加强筋后与5mm厚的底座相比，虽然变形量增大，但1．094mm的变形量已经满足了设计要求;最小安全系数明显提升，从1．253提升到1．384，升降车在运行过程中更加安全;底座质量明显减小，从76．280kg减少到56．270kg，不仅节省了20．010kg的材料，也提升了整个数控立体仓库的性能。

 

    4结语

 

    文中通过Ansys有限元分析软件对数控立体仓库升降车底座进行了结构静力的分析，分析结果直观地表示出升降车底座应力最大位置以及受力变形情况。结果显示，4mm厚的升降车底座经过加强后能满足强度及刚度要求，而且节省了材料，提升了系统的性能。

 

    参考文献:

 

    ［1］徐伟民，孙国正．现代物流推动包装工程学科的新发展［J］．包装工程，2003，24(5):152—153

    ［2］梁美华，吴若梅．基于一体化包装设计的包装循环经济的研究与探讨［J］．包装工程，2007，28(8):198—199．

    ［3］杨玮，刘昌祺，曹巨江，等．物流配送中心拣货系统分析［J］．包装工程，2005，26(1):107—109．

    ［4］胡燕祝，吕宏义．物流配送中心的规划与管理［J］．包装工程，2007，28(5):24—27．

    ［5］陶钢．自动仓储货柜在电子制造业的应用［J］．物流技术 与应用，2004(4):99—100．

 

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