箱形单立柱有轨巷道堆垛机立柱机构研究

张煜哲 韩松涛 张 辰 岳森峰 赵志理

1 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 北方华锦联合石化有限公司 盘锦 124200 3 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007 4 机械工业物料搬运工程技术研究中心 北京 100007

0 引言

自动化立体仓库目前广泛应用于智能制造物流供应链和自动化仓储领域中，有轨巷道堆垛机（以下简称堆垛机）已成为自动化仓库建设和运行中至关重要的核心设备，主要用于搬运和存取货物。堆垛机的工作效率和工作稳定性决定着自动化立体仓库的整体运行效率。

常规堆垛机的结构按立柱形式分为单立柱堆垛机和双立柱堆垛机2种。目前，欧洲大型物流仓储行业的一些设备供应商普遍使用单立柱堆垛机，日本大型物流仓储行业设备供应商则普遍使用双立柱堆垛机。在我国，以北京起重运输机械设计研究院有限公司为代表的物流仓储行业设备供应商普遍使用单立柱堆垛机，只在超高、超重、多工位等特殊条件下选用双立柱堆垛机，而国内其他设备供应商普遍使用双立柱堆垛机。

单立柱堆垛机和双立柱堆垛机主要钢体结构由运行机构、立柱结构、起升机构和载货台等构成，其中单立柱堆垛机的立柱结构为单根箱形结构金属立柱，而双立柱堆垛机立柱结构为前后2根金属立柱，一般分为主副立柱，主立柱起主要支承作用，副立柱起辅助支承作用。运行机构作为运行基础安装在地面导轨上，由电动机驱动前后运行；起升机构和载货台分别安装在立柱结构内外侧，起升电动机运转并带动起升机构卷筒轴转动，带动卷筒正反向转动，带动钢丝绳往复缠绕，从而带动载货台上下移动；立柱结构安装在运行机构下横梁上，作为堆垛机最主要的承载结构，立柱结构具有重要的支承、承载作用，必须保证足够的强度和刚度。JB/T 7016—2017《巷道堆垛起重机》中规定：当起升高度大于10 m时，立柱结构的最大挠度不得超过堆垛机全高的1/1 500。堆垛机属于精密特种设备，在使用过程中需要快速精准地定位，其启停和控制有严格的要求。当起升高度大于10 m时，在一般设计中会保证立柱结构的最大挠度不超过堆垛机全高的1/2 000，甚至更低。

为此，本文基于有限元分析软件Ansys，分别对国内常规高度为20 m的箱形单立柱堆垛机和方管双立柱堆垛机的立柱结构进行计算分析，综合分析数据、质量、成本等因素，明确提出了箱形单立柱有轨巷道堆垛机在力学性能和经济性上的优势，为堆垛机的高安全性和高稳定性研究提供了参考方向和新的思路。

1 堆垛机立柱结构的静力学分析

1.1 堆垛机设计规范

1）结构许用应力

堆垛机的主要金属结构材料为Q235，其屈服极限为235 MPa。依据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，采用载荷组合A，强度安全系数n＝1.48，取许用正应力[σ]＝158 MPa。按堆垛机设计要求，为了提高安全系数，现设置安全系数不少于3，则取许用正应力[σ]＝78 MPa，本文按此数值进行强度校核计算。按照一般设计要求，20 m高的堆垛机静刚度值不应大于0.01。

2）载荷与载荷组合

此处的载荷主要包括因载货台等引起的施加于上横梁各滑轮组处的载荷、各结构自重引起的载荷、因加速度存在而产生的驱动加速力等载荷，考虑堆垛机的结构形式，所有载荷均视为集中载荷。

1.2 箱形单立柱堆垛机结构

箱形单立柱堆垛机结构主要由上横梁、箱形单立柱、起升机构、运行机构、载货台、货叉伸缩机构、电气控制柜和安全保护装置等构成，箱形单立柱结构为主要承载部件，与运行机构下横梁上端通过法兰连接，与上横梁下端通过法兰连接。在进行结构设计时，将其他部件分别以载荷的形式附载于堆垛机箱形单立柱结构。图1所示为箱形单立柱堆垛机横截面，由工字钢、2块腹板和背板焊接成为一体，构成箱形结构，工字钢左右焊接2条钢板作为载货台上下运行的导轨。

图1 箱形单立柱横截面视图

1.3 箱形单立柱堆垛机立柱结构危险工况受力分析

堆垛机在启停瞬间，立柱结构受到来自运行机构下横梁的水平驱动力，同时起升机构在电动机驱动下卷动钢丝绳牵引载货台在立柱机构竖直方向作加速运动，该工况为堆垛机立柱结构受力最大时的工况。图2所示为箱形单立柱堆垛机立柱结构的受力简图，载货台通过4个滑轮组夹抱在堆垛机立柱结构导轨上，即有

图2 箱形单立柱结构受力分析简图

G1＝Kv·m1·g

式中：G1为起升总重；Kv为动载系数，Kv＝1.6；m1为载荷台及货物等的质量；g为重力加速度。

将其分为2个同样大小的集中力，载货台滑轮组对导轨的正压力为

式中：F1、F2为载货台滑轮组对立柱结构导轨表面的正压力，G1为载货台及货物所受总重力，m1为载货台及货物的质量和，a2为载货台向上作加速运动时的加速度，a为载货台重心到导轨中心线的距离，b为滑轮组在竖直方向上的间距。

在图2中，M1为立柱结构、载货台、货物、起升机构的总重，a1为立柱结构启停时的加速度大小。

起升机构通过栓接的方式固定在立柱结构上，其对立柱结构的正压力为

式中：F3、F4为起升机构对立柱结构表面产生的正压力，T1为钢丝绳牵引力，c为钢丝绳牵引方向到立柱结构的垂直距离，d为起升结构上下2组螺栓在竖直方向上的间距。

起升机构通过起升电动机运转，带动起升机构卷筒轴转动，带动卷筒正反向转动，带动钢丝绳往复缠绕，从而实现载货台上下移动。滑轮组由3个滑轮构成，其中2个为定滑轮，1个为动滑轮，定滑轮位于上横梁，动滑轮固定在载货台侧边上，钢丝绳末端固定于上横梁，其受力简图如图3所示。其中，钢丝绳的牵引力为

图3 滑轮组受力分析简图

上横梁滑轮组对立柱结构产生正压力P，根据动滑轮和定滑轮的特性，即经过动滑轮绳上的力为载荷的一半，经过定滑轮绳上的力不变，P的值为

P＝3T

1.4 方管双立柱堆垛机结构

方管双立柱堆垛机的结构特点是主副立柱均为方管，上下螺栓与上横梁和运行机构连接组成矩形框架，载货台左右垂直框架均设有滑轮机构与起升机构配合，其余部件机构与箱形单立柱堆垛机类似。

堆垛机方管双立柱结构是主要承载部件，通常分为主副立柱，主立柱起主要支承作用，副立柱起辅助支承作用。双立柱与运行机构下横梁上端通过法兰连接，与上横梁下端通过法兰连接。在进行结构设计时，将其他部件以载荷的形式附载于堆垛机方管双立柱结构。载货台一般安装在2立柱之间，由2根钢丝绳牵引其上下运动。这种结构占用空间大，结构复杂，一般用于超高、超重、多工位堆垛机的选用。方管双立柱堆垛机横截面、主副立柱均由方管标准件切割而成（见图4）。

图4 方管双立柱横截面视图

1.5 方管双立柱堆垛机立柱结构危险工况受力分析

堆垛机在启停瞬间，立柱结构受到来自运行机构下横梁的水平驱动力，同时起升机构在电动机驱动下卷动钢丝绳牵引载货台在立柱机构竖直方向作加速运动，此工况为堆垛机立柱结构受力最大时的工况，本文针对这种工况对堆垛机立柱结构进行受力分析。

图5为方管双立柱堆垛机立柱结构受力简图，载货台通过左右共8个滑轮组夹抱在堆垛机左右主副立柱导轨，起升总重为

图5 方管双立柱结构受力分析简图

G2＝Kv·m2·g

式中：G2为起升总重；Kv为动载系数，Kv＝1.6；m2为载荷台及货物等的质量；g为重力加速度。

由于载货台和货物重心位置不居中，将其分为2对同样大小的集中力，载货台滑轮组对导轨的正压力为

式中：F5、F6为载货台滑轮组对主立柱导轨表面产生的正压力，G2为载货台及货物所受总重力，m2为载货台及货物的质量和，a3为载货台向上作加速运动时的加速度，c为载货台重心到主立柱导轨中心线的距离，d为滑轮组在竖直方向上的间距，F7、F8为载货台滑轮组对副立柱导轨表面产生的正压力，e为载货台重心到副立柱导轨中心线的距离，f为滑轮组在副立柱竖直方向上的间距。

在图5中，M2为立柱结构、载货台、货物、起升机构的总质量，a1为立柱结构启停时的加速度大小。

起升机构通过栓接的方式固定在主立柱上，其对主立柱的正压力为

式中：F9、F10为起升机构对主立柱表面产生的正压力，T2为钢丝绳牵引力，l为钢丝绳牵引方向到主立柱的垂直距离，h为起升结构上下2组螺栓在竖直方向的间距。

起升机构通过电动机带动双联卷筒旋转，通过缠绕2条钢丝绳经滑轮组对载货台上下运动进行牵引，滑轮组共由8个滑轮构成，其中定滑轮有6个，动滑轮有2个，定滑轮分别固定在上横梁左右两侧的顶端，动滑轮分别固定在载货台两侧边上，2条钢丝绳的末端分别固定在上横梁左右两侧，其受力简图如图6所示。

图6 双联卷筒与滑轮组受力分析简图

起升机构钢丝绳牵引力为

式中：G2为载货台及货物所受总重力；i为滑轮组倍率，i＝2；n为双联卷筒，n＝2；η为滑轮组效率，η＝0.98。

根据动滑轮和定滑轮的特性，即作用在动滑轮钢丝绳上的力为载荷的一半，作用在定滑轮钢丝绳上的力不变，由此可知其各滑轮主要受力为：

滑轮1：F11=FS·sin3°-FS，F12=FS·sin(90-3)°

滑轮2：F21=F11，F22=F12

滑轮3：F31=F32=FS

滑轮4：F41=-FS，F42=FS，

滑轮5：F51=F52=FS

滑轮6：F61=F62=FS

主立柱上横梁滑轮组对主立柱产生的正压力为P1，副立柱上横梁滑轮组对副立柱产生的正压力为P2，其表达式为

P1=4FS，P2=2FS

2 基于Ansys的静力学分析

应用有限元软件Ansys对2种形式的堆垛机电动机结构进行分析，功能全面的Ansys软件可对复杂机械结构的静态和动态进行模拟分析，能模拟庞大复杂的模型环境，处理高度非线性问题。

Ansys有限元分析的流程为前处理、分析计算和后处理。前处理主要对模型进行定义，设置材料的属性参数，设置边界条件，施加载荷，网格自定义划分，形成输入文件，提交给求解器；分析计算是通过求解器提取输入文件内的数据，建立数学模型，进行求解；后处理为提取出求解结果，按照用户指定数据类型形成云图、动画、曲线图等。

2.1 2种形式结构堆垛机模型基础工作条件

为比对2种形式结构堆垛机的力学性能，现设定2种堆垛机有相同的高度、载重和运行加速度等基础条件，其中堆垛机高度为20 000 mm，起重量为1 000 kg，起升速度为0～30 m/min，运行速度为0～120 m/min，货叉最高位置为18 000 mm，货叉行程为1 350 mm，起升动载系数为1.6，重力加速度为9.8 m/s2，载荷最大加速度为0.5 m/s2，滑轮效率为0.98，钢丝绳偏角为3°。

2.2 箱形单立柱堆垛机立柱结构危险工况分析

1）前处理 对箱形单立柱堆垛机的立柱结构进行三维建模，并转化为STP文件，将其导入到Ansys中进行前处理。设置密度、弹性模量、泊松比和抗拉屈服强度等材料属性；通过自动网格划分，观察后调整为四面体网格划分，再调整最小划分单位并再次划分网格，然后进行局部网格划分。根据单立柱堆垛机立柱结构的受力分析对结构模型进行对照设置。设置自由度约束，在上横梁施加正压力P；设置竖直方向的重力加速度g及水平方向启停加速度a1，施加载货台对于导轨的正压力F1、F2，起升机构对于立柱结构的正压力F3、F4；设置总变形和最大应力求解，确认前处理无误后进行求解。

2）后处理 在求解计算完成后，进入后处理模块，提取出求解结果，形成图7所示分布图。在图7中，当箱形单立柱堆垛机载货台位于最高位时，立柱结构上部位移为5.87 mm；对最大应力进行分析，应力最大值位于上横梁与立柱结构的连接处，最大值为43.2 MPa，远小于许用值，如图8所示。

图7 箱形单立柱堆垛机载货台位于最高位时总变形分布图

图8 箱形单立柱堆垛机载货台位于最高位时最大主应力分布图

2.3 方管双立柱堆垛机立柱结构危险工况分析

1）前处理 对方管双立柱堆垛机的立柱结构进行三维建模，并转化为STP文件，将其导入到Ansys中进行前处理。设置密度、弹性模量、泊松比和抗拉屈服强度等材料属性；通过自动网格划分，观察后调整为四面体网格划分，再调整最小划分单位并再次划分网格，然后进行局部网格划分。根据前述对方管双立柱堆垛机立柱结构的受力分析，对结构模型进行对照设置。设置自由度约束，在上横梁左端施加正压力P1，上横梁右端设置施加正压力P2；竖直方向的重力加速度g及水平方向启停加速度a1，施加载货台对于左端导轨的正压力F5、F6，载货台对于右端导轨的正压力F7、F8，起升机构对于立柱结构的正压力F9、F10；设置总变形和最大应力求解，确认前处理无误后，进行求解。

2）后处理 求解计算完成后，进入后处理模块，提取出求解结果，形成图9所示分布图。在图9中，当方管双立柱堆垛机载货台位于最高位时，立柱结构上部位移为9.46 mm；对最大应力进行分析，应力最大值位于下横梁与立柱结构主立柱的连接处，最大值为53.2 MPa，小于许用值，如图10所示。

图9 方管双立柱堆垛机载货台位于最高位时总变形分布图

图10 方管双立柱堆垛机载货台位于最高位时最大主应力分布图

3 结论

经力学分析、Ansys模拟仿真，得出表1所示模拟数据。对比同为常规高度20 m堆垛机，在相同载重和运行参数情况下，箱形单立柱堆垛机和方管双立柱堆垛机在最危险工况下均能满足许用最大变形量和许用应力。箱形单立柱堆垛机在最危险工况产生的最大变形量和最大应力点均大幅小于方管双立柱堆垛机，且力学性能优异，对快速精准定位和启停控制有很大优势。方管双立柱堆垛机主副立柱均为截面尺寸相同的方管，然而由力学分析可知主立柱上横梁滑轮组对主立柱产生的正压力是副立柱上横梁滑轮组对副立柱产生的正压力的2倍，在力学结构上劣势显著。

表1 方管双立柱堆垛机载货台最高位时最大主应力

从经济方面对比，在相同高度堆垛机情况下，箱形单立柱堆垛机自身总重小于方管双立柱堆垛机，既节省材料且性能优异；方管双立柱堆垛机沿巷道方向空间占用大，在总体规划中对比箱形单立柱堆垛机会往往减少列方向货位数，输送线亦需增长布置，不利于自动化立体仓库空间的最大化利用。

综上所述，国内常规高度下箱形单立柱堆垛机对比方管双立柱堆垛机在力学性能和经济性上有优势，在长期设计使用中更多设计箱形单立柱堆垛机对集成企业和仓库应用商性价比更高。