（工程力学专业论文）单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，随着企业生产与管理的提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善 与合理性对企业提高生产率、降低成本的重要性。自动化立体仓库的应用使得企业 的生产物流速度大大提高，而堆垛机作为自动化立体仓库的核心物流设备，其工作 效率的高低直接影响着自动化立体仓库的运行效率和经济效益。 本文以太原刚玉为蒙牛集团生产的单立柱巷道堆垛机为背景，利用s o l i d w o r k s 的建模功能建立堆垛机的实体简化模型，首先，导入有限元软件m s c m a r c 进行满载 静止及起动时堆垛机的强度、刚度和接触力分析，得出了堆垛机在不同状态下、不 同加速度下的应力、变形及接触力。其次，对堆垛机进行屈曲分析，得出堆垛机失 稳的临界载荷。最后，利用s o l i d w o r k s 对堆垛机进行运动仿真分析，考察了堆垛机 满载起动、制动运行时轨道处约束反力的变化情况，以及载货台沿直线轨迹和曲线 轨迹运行时货物的平稳情况及轨道处约束反力的变化情况。 对堆垛机有限元分析的结果表明：立柱的强度在许可范围内，能够保障堆垛机 的正常工作，而且有较高的安全储备。但当堆垛机的起动加速度达到0 8m s 2 时， 刚度已接近许用值上限。对堆垛机进行屈曲分析的结果表明：堆垛机稳定性能很高， 能够保障堆垛机正常稳定工作，而且有较高的安全储备。运动仿真结果显示：轨道 能够提供足够的力，并保证下横梁与轨道之间的摩擦力满足堆垛机正常运行的需要， 使堆垛机能够按照设计要求进行起动、加速、减速、制动，能够平稳运行且不会发 生脱轨：并当载货台沿凹曲线合成轨迹运行时较直线和凸曲线轨迹时货物的平稳性 较好。 利用s o li d w o r k s 的建模功能可以准确而高效地建立堆垛机的模型，有限元法分 析堆垛机这种大型复杂结构可以节省入力物力，又有比较高的模拟精度，为设计经 济、可靠、稳定和高性能的堆垛机提供了有力的工具和实现方法。另外本文以一种 新的思路和方法研究堆垛机的动态问题，通过在计算机上进行模拟，在设计阶段就 能够发现堆垛机工作性能和安全性等问题，获得解决这些问题的办法，为堆垛机的 高效、稳定、低噪音及整机综合性能的提高以及变频器的变频调速提供理论参考， 还将有助于降低开发成本，提高设计水平。 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 关键词：堆垛机；有限元分析；运动仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ei m p r o v e m e n to i lp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，m o r e i m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt ot h el o g i s t i cs y s t e m ，t h ei m p r o v e m e n ta n d a p p r o p r i a t e n e s so fw h i c hl e a d st oa ni n c r e a s ei np r o d u c t i v i t ya n dad e c r e a s e i nc o s t s t h ea p p l i c a t i o no ft h ea u t o m a t e dw a r e h o u s eh a sg r e a t l yi n c r e a s e d t h es p e e do fl o g i s t i cf l o w e f f i c i e n c yo ft h es t a c k e r ，a st h ec o r eo fl o g i c e q u i p m e n ti nt h ea u t o m a t e dw a r e h o u s e ，h a sad i r e c te f f e c to nt h eo p e r a t i o n a l a n de c o n o m i ce f f i c i e n c yo ft h ea u t o m a t e dw a r e h o u s e b a s e do ns i n g l e - c o l u m nr o a d w a ys t a c k e rm a d eb yt a i y u a ng a n g y u g r o u pf o r m e n g n i ud a i r yg r o u p ，at h r e e d i m e n s i o n a ls t a c k e rm o d e li s e s t a b l i s h e db ys o l i d w o r k s f i r s t l y , t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dc o n t a c tf o r c ei s a n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fm s c m a r ca ts t a r ta n ds t o pw h e nt h e s t a c k e ri sf u l l y1 0 a d e d ，a n dt h es t r e s s ，s t i f f n e s sa n dc o n t a c tf o r c ei so b t a i n e d w h e nt h es t a c k e ri su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n di nd i f f e r e n ta c c e l e r a t i o n s e c o n d l y , t h ec r i t i c a lb u c k l i n gl o a do fs t a c k e ri so b t a i n e db yb u c k l i n g a n a l y s i s f i n a l l y , t h es t a c k e ri ss i m u l a t e db ys o l i d w o r k sa n dr e s t r a i n i n g f o r c ei so b t a i n e da ts t a r ta n d s t o p w h e nt h es t a c k e ri s f u l l yl o a d e d f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t yo ft h eg o o d sa n dr e s t r a i n i n gf o r c ea r eo b t a i n e d w h e nt h ec a r g or u n n i n ga l o n gt h es t r a i g h ta n dt h ec u r v i l i n e a rp a t h t h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h e s t r e n g t ho ft h ec o l u m nt os u c he x t e n ta sm a yb en e c e s s a r yg u a r a n t e e st h e s t a c k e r ss m o o t ho p e r a t i o n w h e nt h es t a c k e rr e a c h e st h es t a r ta c c e l e r a t i o n 0 8m s z ，s t i f f n e s sv a l u ei sc l o s et ot h ea l l o w a b l e1 i m i t t h er e s u l t so f b u c k l i n ga n a l y s i ss h o wt h a tt h eh i g hs t a b i l i t yo ft h es t a c k e ri nt h er u n t i m e e n s u r e st h es t a c k e r sn o r m a la n ds t a b l ew o r kh i g hs e c u r i t yr e s e r v e s t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h et r a c kc a np r o v i d ee n o u g hp o w e rt o e n s u r et h a tt h ef r i c t i o nb e t w e e nt h et r a c ka n db e a m sm e e t st h ee q u i p m e n t s o ft h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es t a c k e r a n dt h a tt h es t a c k e rc a nb es m o o t h l y s t a r t e d ，a c c e l e r a t e d ，d e c e l e r a t e da n ds t o p p e di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n t i t r e q u i r e m e n t sw i t h o u td e r a i l i n g a n dt h es t a b i l i t yo ft h eg o o d si sb e t t e rw h e n t h ec a r g or t m n m ga l o n gt h ec o n c a v ec u r v et h a n a l o n gt h es t r a i g h ta n d c u r v i l i n e a rp a t h t h en e wm e t h o di s u s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cp r o b l e m so ft h e s t a c k e r t h ep r o b l e m so ft h es t a c k e r s s e r v i c e a b i l i t ya n ds e c u r i t yc a nb e d e t e c t e da n dt h e ns o l v e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o na tt h ed e s i g ns t a g e w h i c h p r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o ro v e r - a l lp r o p e r t i e so ft h es t a c k e ra n dt h e 疗e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o rs p e e do ft h et r a n s d u c e r , a n dh e l p st ol o w e r d e s i g nc o s t sa n di m p r o v ed e s i g ns t a n d a r d k e yw o r d s ：s t a c k e r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名： 塞偿彳炙 日期：作者签名： 盔! 竺：! 签 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 储签钲姐堑生隰 导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自动化立体仓库概述 随着科学技术和工业生产的飞速发展，现代物流技术领域内出现了一种新型仓 储方式自动化立体仓库。自动化立体仓库又称现代智能库、高层货架仓库等， 是近年来国际上迅速发展起来的一种新型仓储设施，是在不直接进行人工干预的情 况下能自动存储和取出物料的系统。它是以高层货架为主体，以成套搬运设备为基 础，以计算机控制技术为手段的高效率物流、大容量存储的机电一体化高科技集成 系统。它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一 体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物 流设计中产品生产与存储的枢纽。 1 1 1 自动化立体仓库的构造和用途 自动化立体仓库n 叫主要是由存储区、作业区、缓存区和办公区域等几部分组成。 自动化立体仓库最主要的部分是存储区和作业区。存储区的主要构件是货架和托 盘，作业区的主要构件是巷道堆垛机和叉车以及传送带。 一个自动化立体库主要由以下构件组成： 高层货架：用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种 基本形式。 托盘( 货箱) ：用于承载货物的器具，亦称工位器具。 巷道堆垛机：用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种 基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。 输送机系统：立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将 货物移走。输送机种类非常多，常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配 车、提升机、皮带机等。 a g v 系统：即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小 车。 自动控制系统：驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现 场总线方式为主要控制模式。 库存信息管理系统：亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体库系统的核心。 目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统( 如o r a c l e ，s y b a s e 等) 构筑典型的客户机服务器体系，可以与其他系统( 如e r p 系统等) 联网或集成。 1 单立柱巷道堆蝶机的有限元分析与运动仿真 自动化立体仓库的大小以及类型主要由存储的货物类型和单元存储方式来决 定。单元存储方式将决定仓库的面积和高度，以及布局和其他的辅助设备。企业可 咀根据自身的需求和行业特点。来设计专门的立体仓库。图11 和12 为一般自动 化立体仓库的平面示意图和立体示意图： 孵瓣 匿藿鎏i 鲎i 翟鏖鋈 气产陟2 2 = = l i a 自i l l 图11 自动化立体仓库平面示意图 f i 9 1la u t o m a t e d w a r e h o u s ep l a ”e d i a g r a m 图12 自动化立体仓库立体示意图 f i g 12a u t o m a t e d w a r e h o u s e t h r e e - d i m e n s i o n a ld i a g r a m 仓库系统现代化的标志是自动化立体仓库的出现。它较之普通仓库有着巨大的 优越性。它能大幅度地增加仓库面积，使仓库容量和密度增大，能提高仓库存取作 业的机械化、自动化程度，提高出入库效率，能有效的利用仓库的存储容积，实现 合理库存，易于实现先入先出的原则，防止货物变质、丢失，较好地适应各种环境 条件。因此，自动化立体仓库的出现，改变了数百年来形成的有关仓库的传统观念， 彗 立 第一章绪论 使“静态仓库”变为“动态仓库”。 自动化立体仓库能得迅速发展的主要原因，就在于它具有如下优点： ( 1 ) 货物存放集中化、立体化、减少占地面积。在地价昂贵的国家里，其效果 尤为显著。 ( 2 ) 仓库作业的机械化和自动化减轻了工人的劳动强度，节约劳力，缩短作业 时间。 ( 3 ) 物品出入库迅速、准确、减少了车辆了待装待卸时间，提高了仓库的存储 周转能力。 ( 4 ) 采用电子计算机控制与管理，有利于压缩库存和加速物品的周转，降低了 储存费用，从面降低了产品成本。 ( 5 ) 可以适应特殊环境下的作业，如高温、低温作业，剧毒、放射性和腐蚀性 等物资的储存。 ( 6 ) 提高仓库的安全可靠性，便于进行合理储存和科学的养护，提高保管质量， 确保仓库安全。 ( 7 ) 由于采用计算机管理，加快了处理各种业务活动的速度，缩短了交货时间。 1 1 2 自动化立体仓库的发展史及未来发展趋势 高层货架仓库的出现和发展足第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。在 生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，五十年代初开始出现了自 动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推广和发展。 自动化仓库最早产生于6 0 年代的美国，到现在大致经历了四代的发展，并逐 步向第五代过渡晴刊。 这五个阶段分别为：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成 化仓储阶段和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的 若干年内，将是仓库自动化技术的主要发展方向。 第一阶段是人工仓储技术阶段，在这一阶段，物资的输送、存储、管理和控制 主要依靠人工实现，至今国内外生产和服务行业中的许多环节都是这一技术的实 例，它具有直观、便于联系、减少了过程衔接之间的问题等优点。 第二阶段是机械化仓储技术阶段，它包括通过各种各样的传送带、工业输送车、 机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运物料，用货架、托盘和移动式货架存 储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关、螺旋机械制动和机械监视器等 控制设备的运行。这一阶段经历的时间比较长。 3 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 第三阶段是自动化仓储技术阶段，这时只是各个设备的局部自动化并各自独立 应用。随着计算机技术的发展，工作的重点转向物资的控制和管理要求实时、协调 和一体化，信息自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。 第四阶段是集成自动化阶段，在七十年代末和八十年代，自动化技术被越来越 多地应用到生产和分配领域，“自动化孤岛”被集成，在集成化系统中，整个系统 的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。 第五阶段是智能自动化仓储技术阶段，人工智能技术的发展推动了自动化向更 高级的阶段智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段， n - - 十一世纪仓储技术的智能化将具有更广阔的前景。 目前，自动化立体仓库在发达国家己相当普遍，以自动化功能齐全的立体仓库 取代传统的普通房式仓库己成为世界仓储建设发展的潮流。据不完全统计，美国拥 有各种类型的自动化立体仓库2 0 0 0 0 多座，日本拥有3 8 0 0 0 多座，德国拥有1 0 0 0 0 多座，英国有4 0 0 0 多座，高度达4 0 米以上的巨型立体仓库数量越来越多。我国自 动化立体仓库数量也已超过2 0 0 座。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化 控制和计算机管理方面的技术也同趋成熟。 在总体设计方面，国外已有采用计算机辅助设计的( c a d ) 即根据约束条件来确 定最佳的货架高度、巷道数量、货架尺寸和堆垛机数量以及出入库运行系统的参数， 并用计算机模拟技术来考核仓库的功能。货架在国外已系列化、标准化，对货架的 承载能力( 包括抗震) 进行了很多实验研究( 包括破坏性实验) ，货架计算采用计算机 程序。堆垛机产品已经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性 能好，一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测。国外立体仓库普遍采用抗 干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机和出入库系统，并且用计 算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统 相接，实现在线控制。 我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制丌始并不晚，1 9 6 3 年研制成第一台桥 式堆垛起重机( 机械部北京起重运输机械研究所) ，1 9 7 3 年开始研制我国第一座由 计算机控制的自动化立体仓库( 高1 5 米，机械部起重所负责) ，该库1 9 8 0 年投入 运行。到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过2 0 0 座。立体仓库由于具有很 高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现 代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企 4 第一章绪论 业的重视。这些立体仓库广泛使用在机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化 工企业、商储业、军需部门等各行各业。 以青岛海尔集团国际物流中心立体库为例，同前所开发的立体仓库经过第三次 技术革新，跃升为技术水平世界领先的物流中心。该立体库高2 2 米，全都操作采 用世界上屉先进的激光导引无人运输车系统，实现了物流的自动化和智能化，使海 尔集团库存资余占用从每年1 5 亿元降至6 亿元，杜绝了呆滞物资的产生。图l3 所示为高达2 2 米的自动化立体仓库。 图l3 海尔立体仓库 f 螗13h a l e r w a r e h o u s e 自动化立体仓库在现代物流系统中的作用是显而易见的，将自动化仓库技术应 用到物流领域中，充分利用自动化仓库的优势和特点，实现仓库信息管理自动化和 物品入出库作业的自动化，为提高货物的流通效率发挥重要的作用。国内外各个行 业采用自动化仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会 效益和经济效益。在货物流通领域中采用自动化仓库技术，也将获得巨大的经济效 益。 12 堆垛机概述 1 2 1 堆垛机的用途 自动化仓库系统一般由高层货架、堆垛机、输送设备、电气控制系统、信息处 理系统等组成，各部分相互协调共同完成货物的存储运输和管理。 对于自动仓储系统而言，自动仓储控制与管理系统就像人的大脑，是自动仓库 控制中枢神经系统，而货架、托盘、无人搬运车、堆垛机、输运分拣装备等属于硬 单立杵巷道堆垛机的有限元井析1j 楚动仿真 什系统，是物流日的达成的基础，是完成物流过程的思维目的。其中巷道堆垛机， 全名巷道式起重堆垛机，是市体仓库的主要存取怕i k 机械，是随着市体仓库的 现 而发展起来的专用起蕈机械，是自动化立体仓库的心脏部分，它在立体仓库高层货 架的巷道内来回运行，将位于巷道口的货物存入货架的货格，或者取出货格内的货 物运送到巷道口。稳定可靠的堆垛机在货物堆放流程中可代替繁重的人力搬运，以 及易损坏物品的忧虑。自动化立体仓库的优越性只有通过堆垛机才能充分体出来， 堆垛机的性能直接决定了整个系统的性能，是自动化仓库的核心设备，因此对于堆 垛机有严格的技术要求。 122 堆垛机的基本构造 初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的 大粱上悬挂一个门架( 立柱) ，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。1 9 6 0 年左 右，美国出现了没有大粱的巷道式堆垛机这种堆垛机是在地面上的导轨上行走， 利用天轨柬防止倾倒，或者相反，利用天轨行走，地面的导轨防止倾倒。随着立体 自动化仓库的技展，巷道式堆垛机逐渐代替桥式堆垛机。 图14 单王柱巷道堆垛机 f i gl 4 t h ep r o d u c t i o n o fs i n g l h o l u m ns t a c k e rr o a d w a y 1 按现行机械行业标准，有轨巷道堆垛机分类方式多种多样，如按支承方式、 用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。但无论何种类型的堆垛机，一般都由水 平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。在 目前立体仓库应用中，堆垛机最常见的是按结构形式和作业方式分类”；如表1 1 第一章绪论 所示。 表1 1 巷道式堆垛起重机的分类 t a b 1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f a i s l e s t a c k i n gc r a n e 分类特点用途 按单立 1 金属结构由一根立柱和上、下横梁组成( 或仅一般用于起重量2 t 以下，起升高 结柱型有下横梁) 度不大于1 6 m 的仓库 构2 自重较轻，但刚性较差 形双立 1 金属结构由两根立柱和上、下横梁组成一个刚1 能适用于各种起升高度的仓库 式柱型性框架 2 起重量可达5 t 或更大 分2 刚性好，自重较单立柱大 3 适用于高速运行，快速起、制 类 动 地面 1 支承在地面轨道上，用下部车轮支承和驱动。1 适用于各种起重量和起升高度 支承2 上部设水平导向轮的仓库 型 3 运行机构布置在下部2 用途最广 按悬挂1 仓库屋架下装设轨道，起重机悬挂于轨道下翼 1 适用于起重量较小、起升高度 支型缘上运行较低( 不大于1 5 m ) 的仓库 撑2 仓库货架下部装设导轨，起重机下部设水平导2 便于转移巷道 方向轮靠在导轨上防止摆动过大 3 使用较少 式3 运行机构设在上部 分货架 1 巷道两侧货格顶部敷设轨道，起重机支承在两1 适用于起重量和起升高度均较 类支承侧轨道上运行 小的仓库 型2 仓库货架下部设导轨，起重机下部设水平导向 2 使用很少 轮靠在导轨上防止摆动过大 3 运行机构设在起重机上部 按单元 1 以整个货物单元出、入库1 适于整个货物单元出入库的作 作 型 2 起重机载货台须备有叉取货物的装置业，或者“货到人”的拣选作业 业3 自动控制时，机上无司机 2 使用最广泛 方 拣选 1 堆垛机上设司机室，由司机从货物单元中拣选1 适用于“人到货”的拣选作业 式 一部分货物出库2 大多为手动与半自动控制 分 型 2 载货台上可以不设叉取装置，直接由司机手工3 全自动拣选机使用极少 类 操作取货 3 全自动拣选式堆垛机用自动取货装置拣选 2 巷道式堆垛机又称有轨堆垛机。它可以大大提高仓库的面积和空间利用率。 其中巷道式堆垛机的特点如下： ( 1 ) 整机结构高而窄。采用巷道式堆垛起重机的高架仓库很高，而货架巷道 又非常狭窄，起重机宽度一般和所搬运的单元货物的宽度相等。 ( 2 ) 起重机金属结构设计除需满足强度要求外，还应有足够的刚性和精度。 制动时机架顶端水平位移一般要求不超过2 0 m m 。而且振动衰减时间要短。机架立柱 上升降导轨的垂直度应严格控制，一般在全长上不应超过3 - - 一5 m m 。 7 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 ( 3 ) 起重机配备有特殊的取货装置，常用的有伸缩货叉或者伸缩平板，能向 两侧货格伸出存取货物。 ( 4 ) 起重机的电力拖动系统要同时满足快速、平稳和准确三方面要求。快速 性，工作速度高；起、制动快；尽量缩短搬运时间；平稳性，起、制动要平稳，以 防止货物单元在货台上发生滑移或者装在托盘上的货物发生倒塌，减少金属结构的 动载荷；保证司机舒适和起重机上的电子元件免受冲击振动；准确性，起重机的电 力拖动系统应能保证起重机与货台准确地停靠的指定的位置。停准偏差一般不超过 5 l o m m 。这就要求起起重机具有良好的低速特性。安全要求高，必须配备齐全的 安全装置，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。 3 堆垛机的结构包括起升机构、水平运行机构、载货台及货叉伸缩机构、金属 结构、电气设备、安全及联锁机构。 起升机构。起升机构实现堆垛机的升降运动，由电动机、制动器、减速机、卷 筒或链轮以及柔性件组成。目前，常用厂家专门生产的“三合一 ( 即电机、制动 器、筒合一) 起升卷扬机构，它相对结构紧凑。为减少起升机构电动机功率，常设 置质量等于载货台质量和一半起重量的配重。起升机构一般设置在立柱下部或下横 梁上，以便于维护。 水平运行机构。运行机构主要由电动机、减速器、行走轮组成。在堆垛机的下 横梁上装有水平运行机构和支撑堆垛机在钢轨上运行的车轮。按运行机构所在的位 置不同可以分为地面驱动式，项部驱动式和中部驱动式等几种，其中，地面运行式 使用最广泛。在这种运行方式中，堆垛机的上、下横梁分别有两组导向轮。 载货台及货叉伸缩机构。载货台是货物单元的承载装置，通常是一个刚性框架， 通过钢丝绳或链条与起升机构联结，载货台沿立柱上的导轨上下升降。货又伸缩机 构是堆垛机的主要工作机构，安装在载货台上，其结构特点是能够双向伸出，以便 向两侧货格送入( 取出) 货箱。缩回后，货叉连同载货台一起随大车在巷道内运行。 金属结构。金属结构是堆垛机的安装基础，承受和传递堆垛机所担负的各机构 的重量以及载重量。金属结构一般采用优质钢材，联结部分采用焊接，这样可以简 化结构和节省工料，且不削弱杆件截面，易于加工制造，缩短工期，而且可减轻自 重。单立柱结构主要由立柱与下横梁组成，其上横梁很短，有的甚至没有上横梁。 这种结构形式的堆垛机，起升高度较小，起重量不大，占用空间小，因而运行起来 较为灵活，广泛用于中小型立体仓库。 8 第一章绪论 电气设备。电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强。目前国 内外普遍采用的是变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准 的要求。检测系统必须具有堆垛机自动认址、货位虚实探测、货箱位置检查等功能。 安全及联锁机构。为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备有完善的硬件 和软件的安全保护措施，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。主要的安全 保护装置有：端限位保护、联锁保护、正位检测控制、载货台断绳保护和断点保护 等。 图1 5 为典型的单立柱有轨巷道堆垛机的结构( 由1 一地轨、2 一下横梁、3 一 载货台、4 - 货叉机构、5 一提升滑轮、6 一天轨、7 _ 立柱、8 一控制柜、卜起升电 机、1 0 行驶机构和驱动轮等构成。) 图1 5 单立柱巷道堆垛机的结构 f i g 1 5t h es t r u c t u r eo fs i n g l e c o l u m ns t a c k e rr o a d w a y 1 2 3 堆垛机的主要技术参数 堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用，将直接影响 到整座立体仓库的运行效率和经济效益。合理的选择各项参数，将大大提高整个系 统的运行效率和经济效益。我国现阶段立体仓库中，堆垛机技术参数的选用上，和 世界先进水平相比，存在着较大的差别。表1 2 为常见单立柱巷道式堆垛机主要技 术性能与参数。 9 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 表1 2 单立柱巷道式堆垛机主要技和陛能与参数 t a b 1 2m a i nt e c h n i c a lp e r f o r m a n c ea n dp a r a m e t e r so ft h e p r o d u c t i o no fs i n g l e - c o l u m ns t a c k e rr o a d w a y 额定起升重量( t )0 1 、o 2 5 、0 5 、0 8 、1 0 、1 5 、2 0 托盘尽寸axb ( m i l l )8 0 0 1 0 0 0 、8 0 0 1 2 0 0 、1 0 0 0 1 2 0 0 或任意 水平运行速度( m m i n )5 - - - 1 6 0 ( 变频调速) 起升速度( m m i n )2 1 2 、4 1 6 ( 双速) 或者变频调速3 - - 6 0 货义伸缩速度( m m i n )4 - - - 2 0 ( 变频调速) 总功率( k w ) i l 1 0 整机全高( m ) i i 6 5 0 最高货位标高( m ) 2 4 导电方式电缆小车、滑触线( 板式与管式) 通讯方式远红外通讯、串口、以太网 控制方式点动；手动；单机自动；联机自动 出入库作业方式 拣选式；单元式；混合式 最大搬运能力 0 3 0 5 0 盘4 、时 1 2 4 国内外堆垛机的发展现状 物流呻1 这一概念是在2 0 世纪5 0 年代首先在美国开始形成，6 0 年代已基本完善 这一概念，1 9 6 3 年引入日本及其它工业发达国家。1 9 8 0 年引入中国，随着科技的 发展和社会进步，物流正成为一门新兴产业。物流配送中心和自动化立体仓库的成 长是物流业兴旺发达的产物，而堆垛机是随着大型物流配送中心和自动化立体仓库 的发展起来的。 我国的现代物流业起步较晚，与工业发达国家比较，距离较大。改革开放以来， 在沿海的开放城市的工业发达地区，物流业在逐步兴起。自七十年代我国出现第一 座自动化立体仓库以来发展至今，国内仓储物流设备需求每年以2 0 - - 一3 0 速度递 增，随着国民经济的发展，对外交流的增加，人们对国外先进技术和先进管理方法 进行借鉴使用，各行业对仓储物流设备的认识逐步加深，仓储物流设备已经成熟， 需求对象已从军队后勤、物资部门、胶片、医药、电机、机床、工程机械、纺织、 轻工等行业向更广阔的领域发展。 1 0 第一章绪论 在立体仓库堆垛机的研发和使用方面，日本始终走在前列，从1 9 6 7 年开始安 装的2 卜2 5 米的高层堆垛机，到1 9 6 9 年出现的联机全制动化仓库，特别是1 9 7 3 年建成了一座储藏生鲜食品的冷藏库，这是世界上第一座- 4 0 的极低温仓库，解 决了低温条件下堆垛机的可靠性和技术方面的问题，取得了引人瞩目的成就，而我 国是从2 0 世纪7 0 年代开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库，与国外先进技术水 平相比有较大差距，近年来随着国内经济的发展，在商业配送中心、铁路运输、烟 草等行业对出入库能力提出了更好的要求，这就要求更高性能的堆垛机。随着立体 仓库技术的发展，巷道式堆垛机逐渐成为堆垛机的主流型式。按照堆垛机的主构件 形成可以分为单立柱式( 桅杆式) 和双立柱式两种，本文仅讨论单立柱有轨巷道式 堆垛机。 目前，国外的堆垛机运行速度可达3 0 0 4 0 0 m m i n ，且制动平稳；我国制造业 由于受基础工业水平和经济因素影响，与工业发达国家有一定差距，国产堆垛机的 运行速度一般在8 0 1 2 0m m i n 左右，且制动平稳性差。中国与主要发达国家堆垛 机的主要性能对比如表1 3 ： 表1 3 国内外堆垛机性能水平的对比 t a b 1 3t h ec o n s t r a s to fs t o c k i n gc r s n ef u n c t i o nl e v e ld e m e m i ca n da b r o a d 国际水平国内水平 设计高度( m )4 0 = 2 0 行走速度( m m i n )3 6 0 1 8 0 升降速度( m m i n ) 1 0 05 0 最大载重量( t )3 03 定位精度( m m ) 51 5 控制模式伺服控制和交流变频控制 整机重量轻重 安全措施完备不完备 1 3 课题研究的意义及本文主要工作 1 3 1 课题研究的意义 一个国家的物流水平充分反映出该国家的综合实力和市场竞争力，尤其在跨世 纪的未来十年中，物流科学对于经济发展的影响显得格外重要。而物流的关键就是 对于自动化立体仓库及成套设备的管理。 物流是经济发展的命脉，像人体的血液一样，时刻支撑着人体的各种循环，维 持着生命。在物流学说的研究领域中，工业企业物流一直是被关注的焦点，这不仅 由于物流组织的好坏直接决定着企业生产过程是否能够顺利进行，决定着企业产品 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 的价值和使用价值是否能够顺利实现，而且企业的物流费用己成为生产成本和流通 成本的重要组成部分。对于企业生产来说，在生产过程中仅有5 的时间用于产品 的加工和制造，其余9 5 的时间用于储存、装卸、检测、包装、等待和运输，而储 存、运输等费用占生产成本的4 0 左右。由此可见，无论生产设备多么现代化，进 一步提高其生产过程的效率和效益是有极限的。企业将主要力量花在降低生产成本 上是“不得要领 的，明智而有效的方法是改善物流，物流科学可以带来巨大的经 济效益。因此，以降低物流成本、减少资金占用、缩短生产周期为主要目标的物流 合理化( r a t i o n a l i z a t i o n ) 被称为企业的“第三利润源泉”、“最重要的竞争领域”，它 被放到企业发展的战略高度来加以研究和实施。向物流要利润成为了企业即席生存 和发展的基础。而自动化仓库作为物流系统的一个枢纽和核心，是物流系统实现物 流合理化的关键所在，在国民经济中有着举足轻重的地位。它具有节约用地、减轻 劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、 降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。与厂级计 算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今 c i m s ( 计算机集成制造系统) 及f m s ( 柔性制造系统) 必不可少的关键环节。自动化 立体仓库的实现是减轻工人劳动强度的最典型的例子，采用自动巷道堆垛机取代人 工存放货物和人工取货，既快捷又省力。由于工人不必进入仓库内工作，工作环境 大为改善。 堆垛机是自动化立体仓库的重要装卸机械，它在自动化立体仓库中的作用越来 越重要。生产物流速度的不断提高对堆垛机的高速性和整机综合性能提出了更高的 要求。它的力学性能，如强度、静刚度、动态特性、稳定性、运行与起制动的平稳 性等，对仓库实现作业自动化的可靠性与有效性有显著影响，具有节约用地和人力、 作业迅速准确、提高存取效率和降低储运费用等优点。 目前我国在巷道堆垛机的结构设计中存在的主要问题有随刮：( 1 ) 受设计方法和 计算方法的限制，结构参数得不到合理搭配，目前多数立体仓库采用的是单立柱结 构的巷道堆垛机。它虽然构造简单，横向尺寸紧凑，巷道宽度比较小，而且围绕立 柱可以选用不同载货台，但是受力情况比较复杂，立柱刚度难以满足正常的工作要 求；( 2 ) 动态性能差，体现堆垛机动态性能的优劣指标主要有：运行速度、提升速 度、货叉速度、定位精度的高低等直接影响到出入库频率的高低，目前堆垛机的三 项速度均比国外低的多；( 3 ) 振动噪声大：堆垛机在高速运行和升降中，特别是在 同时进行时，由于车轮与轨道摩擦和提升链条或钢丝绳的振动、摩擦等，将产生较 1 2 第一章绪论 大的噪音。标准中规定，堆垛机在工作时，其噪声值不高于8 4 分贝。堆垛机的振 动问题仍是制约堆垛机技术水平的主要因素之一；( 4 ) 所载货物在起动、制动、高 速运行时容易滑落，目前虽增加挡板后减少了此种情况的发生，但增加挡板必定增 加重量，造成结构负面影响；( 5 ) 结构相对笨重。 堆垛机从传统的经验设计方法到计算机辅助设计，但仍未解决结构笨重、振动 及噪声大、平稳性差、动态性能差等问题。一些学者在减振、减噪n h 4 3 方面做了大 量研究，通过模态分析、动态响应分析等，为减振、减噪提供理论依据。近年来随 着c a d 软件功能的增多，一些学者对堆垛机运行过程进行仿真分析，但一般局限 于分析运动过程对堆垛机振动的影响。从目前查阅的文献看，还未曾发现对堆垛机 的强度、刚度、稳定性的系统分析，也未曾看到对货物平稳性研究方面的文献。 本文通过对不同状态下、不同起动加速度下的堆垛机进行有限元分析，考察堆 垛机的强度、刚度和接触力变化情况，提出结构设计中应注意的问题，为堆垛机的 优化设计提供参考；通过研究堆垛机总体稳定性，可望为提高堆垛机高速性、稳定 性提供依据。通过对运行状态下的堆垛机进行运动仿真，得出货物平稳性及轨道处 约束反力的变化情况，将提供运行过程中的各种力学和运动学参数，可望为堆垛机 的设计、开发提供一种新的理论方法和思路，为堆垛机的高效、稳定、低噪音及整 机综合性能的提高提供理论参考，对变频器的变频调速提供理论参考，还将有助于 缩短堆垛机新产品开发周期，降低开发成本，提高设计水平，并使堆垛机获得更短 的操作周期和更大的生产能力。 随着现代工业生产的发展，有轨巷道堆垛起重机技术在不断提高和完善，世界 主要工业国家都把着眼点放在开发性可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实 用性和安全性。在堆垛机方面，我们应当看到和世界发达国家的差距，总结经验， 找出不足，打破传统思路，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。相信， 通过我们的不断努力，必能设计出高效、安全、可靠性能高的堆垛机，为增强我国 的综合国力，为我国填补一份科技空白。 纵观其发展现状可以肯定的是，将自动化仓库系统技术应用到物品流通领域 中，能实现物流系统与企业的商流、信息流、资金流等无缝对接，起到降低成本的 作用，提高服务水平的目的，使其在整个物流过程中发挥更大的作用。同时结合仓 库存储的特点，设计出适合一般工业及民用部门立体仓库自动分拣、储存的堆垛机， 以及适合物品流通的高速堆垛机位置控制系统。堆垛机将会有着广泛的庞用价值和 良好的发展前景。 1 3 单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真 1 3 2 本文的主要工作 本文的工作主要有： 1 对堆垛机进行模型简化，并用s o l i d w o r k s 对堆垛机进行实体建模。 2 对堆垛机立柱和下横梁进行强度、刚度及接触力的有限元分析。 因堆垛机金属机架结构在堆垛机静态和工作过程中要承担全部载荷、重力和惯 性力的作用，是变形最为严重的部件，并且作为支撑堆垛机稳定工作的物理机构， 它的设计的好坏直接决定了堆垛机的工作寿命和工作稳定性。因此本文着重对堆垛 机在满载时的静力及起动时的强度、刚度和接触力进行分析。 3 对堆垛机进行有限元屈曲分析，并求解失稳的临界载荷。 堆垛机立柱很高，发生失稳的可能性大，因此有必要对其进行稳定性分析。 4 对堆垛机进行运动仿真分析。 本论文，通过对起动、制动状态下的堆垛机进行运动仿真，得出堆垛机起动、 制动时轨道处约束反力的变化情况；同