穿梭車導向輪的結構設計與分析 *

張延武

(無錫凱樂士科技有限公司, 江蘇 無錫 214000)

0 引 言

隨著智能倉儲行業的迅猛發展,穿梭車在物流倉儲行業中的作用越來越明顯。近年來,穿梭車式密集倉儲系統逐漸發展成熟,穿梭車作為穿梭車式密集倉儲系統中的核心設備,其作用是在立體貨架里面行駛并對貨物進行出庫和入庫工作。由于貨架導軌加工精度和安裝精度會存在差異,很難保證穿梭車行走導軌的直線度及兩條導軌的平行度,而導軌不直或不平行又很容易導致穿梭車出現蛇形行駛或定位不準確等問題,嚴重時可能導致穿梭車脫軌沖出。因此,穿梭車在導軌上行走時,除了行走系統提供動力外,還需要導向輪輔助定向,以保證穿梭車可以沿著導軌高速直線運動而不偏向。

在實際工程項目中,由于導向輪結構設計不合理會導致導向輪與導軌接觸面產生嚴重磨損,進而使穿梭車出現蛇形行駛或脫軌,導致穿梭車驅動電機等傳動設備的負荷超載,從而引發電機燒壞、傳動軸扭斷等事故發生。因此,降低導向輪磨損、提高穿梭車行駛穩定性對穿梭車導向輪結構設計分析是十分必要的。目前市場上穿梭車導向方案有多種,但都缺少指導設計的理論依據。筆者通過對不同導向方案技術特點的對比研究,以及導向輪的具體受力情況的詳細分析討論,得出導向輪結構設計和優化改進的理論依據,從而為穿梭車導向結構設計優化提供新的方案選擇,彌補目前穿梭車導向方案的諸多不足之處。

1 穿梭車導向輪工作原理

在穿梭車式密集倉儲系統中,貨箱在多層貨架上緊密放置,穿梭車在立體庫貨架里面行駛示意圖如圖1所示。穿梭車沿著立體庫貨架行走導軌行駛,到達指定貨位后通過穿梭車上面的貨叉對貨箱進行出入庫操作。對于庫容量大的倉庫,行走巷道長度達到100 m以上。為了提高作業效率,對穿梭車的速度提出了更高的要求,需要穿梭車以更高的速度在貨架內快速到達貨位進行取放貨。由于導軌加工和組裝偏差,穿梭車如果在導軌上實現高速直線運動而不偏向就需要導向輪進行輔助定向。不同結構導向輪會影響穿梭車運行穩定性和效率,同時對導向輪的磨損程度和貨架的安裝精度要求也不相同。在實際運行過程中,立體庫內設備眾多,環境較為復雜,由于某些原因導致穿梭車運行出現偏斜的現象不可避免,因此設計一種可靠運行的導向輪裝置對穿梭車穩定運行至關重要。

圖1 穿梭車行駛示意圖1.貨箱 2.穿梭車 3.行走導軌

目前穿梭車常采用的導向輪方案主要有兩種,分別是單邊導向和夾持導向。穿梭車單邊導向方案是在穿梭車車體兩側分別安裝一組單導向輪,每個單導向輪沿著導軌的側面滾動進行限位,導向輪通過安裝座與穿梭車框架連接,結構如圖2所示。

圖2 穿梭車單邊導向結構示意圖1.導軌 2.導向輪 3.行走輪 4.穿梭車框架

由于導向輪分別沿著穿梭車兩側導軌側面滾動,因此要求穿梭車行走輪兩側導軌間距控制精確,且要保證兩側導軌導向面平行安裝。穿梭車兩側導向輪間距要固定,因為導軌間距過大或過小,都可能導致導向輪被導軌卡死;另外,如果兩側導軌導向面不平行,穿梭車會在軌道上蛇形行駛,導向輪與導軌側面會不停撞擊以糾正穿梭車行駛方向,這樣會導致導向輪磨損加快。因此,這種導向輪結構對立體庫貨架導軌安裝精度要求較高。

為了降低對穿梭車導軌安裝要求,夾持導向方案在穿梭車上得到了應用。這種導向方案是在穿梭車單側安裝兩組以上雙導向輪,且每組導向輪分為內導向輪和外導向輪。兩個導向輪直徑相同并夾著導軌側面進行導向,兩個導向輪之間的間距略微大于導軌側面板材厚度,其結構如圖3所示。

圖3 穿梭車夾持導向結構示意圖

這種夾持導向方案只對單側導軌安裝對接精度有要求,對穿梭車行走的兩側導軌間距和平行度沒有高精度要求,因此減輕了貨架安裝難度,避免了貨架兩側導軌變形導致的導向輪卡死現象,提高了穿梭車貨架導軌的適應性。這種導向方案每組需要兩個導向輪,穿梭車一側如果安裝四組就需要11個導向輪,導向輪數量需求較多,穿梭車使用成本較高。

2 導向輪結構設計要求

2.1 導向輪受力分析

穿梭車在行走導軌上運行時,導向輪會與行走導軌側面接觸而產生水平側向推力,以糾正穿梭車行駛方向。導向輪受力圖如圖4所示,導向輪滾動面主要受到偏斜運行水平側向載荷F的作用,導向輪直徑D和寬度B都與水平側向載荷F有關。影響水平側向載荷的因素很多,目前準確計算比較困難,但根據穿梭車的運行方式,可參考借鑒同樣沿軌道運行的起重機導向輪水平側向載荷的計算方法來近似計算側向載荷。

圖4 導向輪受力示意圖 圖5 穿梭車行走輪位置示意圖

參考《起重機設計規范》中對偏斜運行水平側向載荷的計算方法,穿梭車導向輪所受水平載荷可按照式(1)進行估算[1]:

(1)

式中:∑P為穿梭車承受側向載荷一側行走輪承受的最大輪壓之和,N;λ為水平側向載荷系數,它與穿梭車行走輪跨度S和有效軸距a的比值S/a有關。

穿梭車行走輪位置結構如圖5所示,λ取值可根據圖6確定。

圖6 水平側向載荷系數

穿梭車行走輪承受的最大輪壓主要考慮穿梭車靜止狀態下所受最大載荷時的承載,并不考慮動力效應。由于穿梭車所載貨物位于穿梭車中間貨艙,因此四個行走輪所受輪壓可近似認為均布相同,即:

P1=P2

(2)

根據分析得出穿梭車導向輪水平側向載荷為:

(3)

式中:M為穿梭車自重;G為穿梭車所載貨物質量。

2.2 導向輪結構計算

根據前述受力分析可知穿梭車導向輪主要受偏斜運行的水平側向力作用,因此導向輪的容許負載N應大于水平側向力F。導向輪的容許負載可按照下式進行計算[2]:

N=K×D×B×η

(4)

式中:K為導向輪許用比壓,它跟導向輪表面材料的抗拉強度有關系,材料的抗拉強度越高,許用比壓K就越大;η為計算系數,它與導向輪的轉速和使用時間有關系。導向輪的寬度B可以根據行走導軌結構提前確定,導向輪直徑計算式如下:

(5)

在理想狀態下導向輪與導軌不接觸,但當穿梭車偏斜行走時,導向輪將與導軌接觸。為了減少導向輪與導軌的沖擊,導向輪內部軸承選用圓柱滾子軸承,表面包膠聚氨酯材料,聚氨酯材料硬度可根據導向輪所受水平側向力來確定,同時通過水平側向力對軸承進行選型和校核。導向輪的轉速V計算如下[3]:

V=C×V1

(6)

式中:V1為穿梭車行走輪轉速;C為行走輪與導向輪的直徑之比。

此外,穿梭車導向輪的旋轉軸、支撐座以及固定螺釘主要承受水平側向力以及側向力傳遞產生的彎矩,可以通過材料力學第四強度理論或有限元分析對輪軸材料的應力進行校核[4-5]。

2.3 導向輪與導軌配合間隙

由于立體庫貨架導軌的加工和安裝誤差以及貨架支撐地面的沉降變形,不能保證導向輪在導軌上無間隙運行,因此導向輪和導軌導向面之間應當留有一定間隙,且間隙S需要選取一個合適的值。若間隙過大,穿梭車行駛過程中擺動幅度會較大,影響穿梭車的行駛速度;若間隙過小,穿梭車運行時導向輪會與導軌發生卡滯,增加了穿梭車行駛阻力。綜合考慮以上因素,并根據項目現場使用情況,穿梭車導向輪與導軌導向面間隙S至少大于3 mm,最大間隙應小于5 mm。另外,立體貨架行走導軌與穿梭車導向輪接觸的面需要保證一定的平面度和強度,平面度通常需要控制在1 mm以內,行走導軌材料屈服強度一般要求大于200 MPa,這樣可以避免行走導軌導向面與導向輪撞擊后變形造成穿梭車蛇形行駛。

2.4 導向輪安裝數量

穿梭車導向輪安裝數量與導向輪的導向形式有關,導向輪需要保證穿梭車經過導軌缺口時能正常沿直線行駛,這樣才不會出現脫軌現象。導向輪采用單邊導向方式時,導向輪至少需要布置四組,分別安裝在穿梭車前后四角,當車體過長時,穿梭車中間還需要增加兩組導向輪。

穿梭車采用夾持導向方式時,導向輪至少需要布置三組,兩組導向輪布置到穿梭車前后兩端,一組導向輪布置到穿梭車中間位置,這樣可以保證穿梭車始終有兩組導向輪沿著導軌進行導向。

3 導向輪改進方案

3.1 改進方案介紹

根據上述分析,目前穿梭車采用的兩種主要導向方案各有優缺點。單邊導向方案對穿梭車行駛導軌平行度要求較高,但需要的導向輪數量較少;夾持導向方案雖然降低了導軌的安裝要求,但由于一組導向輪需要兩個導向輪夾持導軌導向面,因此該方案需要的導向輪數量較多。結合這兩種導向方案特點,文中提出一種新的改進導向方案,結構如圖7所示。

圖7 穿梭車改進導向方案示意圖1.導軌 2.行走輪 3.導向輪 4.穿梭車框架

該改進導向方案導向輪安裝在穿梭車一側,導向輪在導軌的U型槽內運行,依靠U型槽的兩個垂直面作為導向面,導向輪直徑D小于導軌U型槽寬度H。為了保證導向輪能正常轉動,導軌和導向輪之間間隙滿足:

3 mm≤H-D≤5 mm

(7)

導向輪在穿梭車一側布置三組,兩組分別布置在車體前后兩側,剩下一組布置在車體中間位置。導向輪表面包覆聚氨酯材料,硬度選擇肖氏A90,這種硬度聚氨酯材料有足夠強度抵抗穿梭車水平側向力,可以減輕對導軌的沖擊。

由于穿梭車一側導軌U型槽通過加工即可保證兩個導向面的平行度,因此改進導向方案對導軌間距和安裝精度要求較低;同時,相較于夾持導向方案,改進導向方案使用輪子數量較少,極大節省了加工成本。另外,該方案導向輪承載面與導軌兩個導向面受力均衡,導向輪磨損減少,使用壽命得到極大提高。

3.2 改進方案測試驗證

為了驗證設計的合理性,也為了更好地測試,需搭建一個完整穿梭車測試貨架,同時制作一臺完整穿梭車。測試貨架巷道長度20 m,巷道寬度1 040 mm,行走導軌整體安裝偏差小于3 mm,對接處水平偏差小于2 mm,對接處間隙小于2 mm,行走導軌撓度變形控制在3 mm以內。

穿梭車行走輪跨度為993 mm,兩個行走輪軸距為928 mm,穿梭車負載料箱重量為50 kg,車體自重為97 kg。穿梭車選用導向輪直徑為40 mm,導向輪寬度為12 mm,輪子表面包覆聚氨酯材料,硬度為肖氏A90,車體一側前后兩端布置兩組導向輪,測試現場如圖8所示。

圖8 穿梭車導向輪測試現場

穿梭車按照5 m/s的速度和2 m/s2的加速度進行循環行走測試,以測試導向輪的磨損程度。穿梭車經過100 km行走測試后,測量導向輪外圓直徑,導向輪外圓直徑由測試前的40.1 mm變為39.6 mm,導向輪磨損量在可接受的范圍內,穿梭車運行過程平穩,沒有出現蛇形行駛或脫軌嚴重問題。測試表明:新改進導向輪結構可以極大提高導向輪使用壽命,降低導向輪使用數量和成本,滿足穿梭車式立體庫降本增效的需求。

4 結 論

(1) 穿梭車在立體庫貨架導軌行駛時需要導向輪輔助定向,不同導向方案會影響貨架導軌的安裝要求,也會對導向輪的使用壽命和使用成本產生影響。

(2) 導向輪在穿梭車上運行時,輪子滾動面主要受到偏斜運行的水平側向載荷,通過計算水平側向載荷可確定導向輪和行走導軌主要結構尺寸。

(3) 針對穿梭車兩種主要導向方案的優缺點,提出了一種新的改進導向方案,經過測試驗證,新導向方案降低了行走導軌的安裝精度,提高了導向輪的使用壽命,節省了導向輪的使用數量和成本,提高了穿梭車的運行穩定性和作業效率。