基于Ansys Workbench的堆垛机立柱动态性能分析及改进

2023-11-04孙永清马玉保张鹏飞

物流技术 2023年9期

孙永清，马玉保，张鹏飞

（三一机器人装备（西安）有限公司，陕西西安 710049）

0 引言

堆垛机作为自动化立体仓库中的核心装备，其运行速度与加速度决定了工作效率。当堆垛机以较高的速度和加速度工作时，存取货物的效率会明显提高，同时对堆垛机动态性能提出了更高的要求；在加速时，立柱部分作为整机的薄弱环节会产生较大的变形，影响货叉的到位精度从而影响取货时间。因此，具有良好动态性能的立柱会直接提升堆垛机的运行效率。本文以某型堆垛机立柱的优化设计为例，基于Ansys Workbench的协同仿真及优化方法，对立柱结构开孔的形式及外形设计参数进行了优化，不但提高了堆垛机立柱的动态特性，而且降低了成本。

1 简化力学模型及立柱截面初选

单立柱堆垛机由下横梁、立柱、上横梁以及载货台组成，立柱为冷弯型钢焊接而成。为便于建立力学计算模型，可将立柱和下横梁视作杆件，堆垛机计算力学模型如图1所示。

图1 力学模型

立柱静挠度f1可由式（1）进行计算：

式中：I—立柱惯性矩；h—立柱受力点到立柱顶端的距离；E—材料的弹性模量；M—货物和载货台对立柱产生的弯矩；H—立柱的高度。

根据JB/T7016-2017 巷道堆垛起重机6.3.6 章节中的要求：当起升高度不大于10m 时，其静刚度值应不大于Hh/2 000；当起升高度大于10m 时，其静刚度值应不大于Hh/1 500。Hh 为堆垛机全高。初步设计堆垛机全高为9 600mm,按照标准静刚度值应不大于9 600/2 000=4.8mm。

取H=9m，h=8m，载货台、货叉以及货物总重取500Kg，计算后初步选取立柱截面尺寸200mm×400mm×5mm。

2 模态分析

在三维建模软件creo 中建立整机三维模型，运用Ansys Workbench对堆垛机立柱进行模态分析，可以计算固有频率及对应振动频率下的振型特征。压缩模型的局部特征，如倒角、小孔、螺纹等均按实体处理。对初始设计模型进行模态分析，结果如图2所示。

图2 立柱振型图

从图2可以看出，前四阶立柱振型都表现为立柱的摆动，载货台随立柱摆动使得存取货物时间加长，存取效率降低，所以立柱为整机的薄弱环节。

根据《起重机设计规范》GB/3811-2008要求，堆垛机平稳工作时，行走方向上的固有频率值应当大于许用值1Hz，堆垛机高速工作时，下横梁行走轮在地轨上滚动，地轨由多根轨道焊接而成，在接头处做特殊处理，当主从动轮运行至接头处时，会产生周期性的激振力。激振力频率与水平运行速度以及行走轮的轮距有关。此款堆垛机的最大水平行走速度为V=240m/min，前后行走轮的轮距为2 510mm，则产生的激励频率f1n为：

由表1可知，堆垛机立柱第一阶固有频率为2.912 6Hz，而激振力频率1.59Hz小于堆垛机立柱一阶固有频率。为了提高立柱的动态性能，需要通过结构优化尽量提高固有频率，远离激振力频率段。

表1 立柱固有频率、振型表

3 立柱结构形式优选

由于缺少零部件及整机结构的静、动态特性对堆垛机产品性能的影响数据，导致结构相对笨重，设计偏于保守。因此，从优选开孔形式和优化外形尺寸两个方面着手改进设计。

选取几种不同的开孔形式，比较立柱动态性，开孔后的立柱重量基本相当，具体如图3所示。

图3 立柱类型

立柱通过螺栓与下横梁固定在一起，近似可以看作悬臂结构，而立柱前四阶振型均表现为弯曲摆动。

由图4可知：（1）开孔形式的不同对结构动刚度的影响差别不大。（2）沿开孔面方向的固有频率与没有开孔的结构相比有所提高。（3）内部植筋对结构整体动刚度贡献不大。

图4 不同开孔结构固有频率比较

4 筋板参数优化

在creo 中添加接口,直接点击菜单即可进入Ansys Workbench界面，将当前模型导入计算。建立接口后，可以共享模型数据，如尺寸、参数等，实现数据的双向互动，避免部分特性丢失、参数等数据不能传递的问题，为下一步结构优化设计提供了条件。筋板参数示意图如图5所示。其中，T：壁厚，L：矩形立柱边长1，D：矩形立柱边长2。

图5 参数示意图

由图6、图7可知，随着壁厚厚度从3mm到7mm变化，立柱一阶固有频率随之增大，在5mm处达到峰值后开始下降；立柱二阶固有频率先增大，在3.6mm达到峰值后开始下降，在5mm处出现最小值后开始上升，在6.35mm处达到峰值后再次下降。由图8可知，随着矩管边长L和矩管边长D增加，前两阶固有频率均呈现增大趋势，上升的幅度都比较大。