穿梭车导向轮的结构设计与分析.pdf

:./.穿梭车导向轮的结构设计与分析张延武(无锡凯乐士科技有限公司 江苏 无锡)摘 要:穿梭车是密集仓储系统的核心设备它在立体货架导轨上行走时除了需要穿梭车行走系统提供动力外还需要导向轮辅助定向 文章通过对导向轮不同导向方案的技术特点及导向轮的受力情况的对比研究和分析讨论提出了导向轮结构受力计算公式和选型方案 通过计算导向轮偏斜运行水平侧向载荷确定导向轮主要结构尺寸 最后介绍了一种穿梭车改进导向结构并进行了测试试验 测试验证表明改进结构具有明显优势可以有效提高导向轮的使用寿命并降低使用成本为后续穿梭车结构设计改进优化提供设计参考关键词:穿梭车导向轮导轨结构设计中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言随着智能仓储行业的迅猛发展穿梭车在物流仓储行业中的作用越来越明显 近年来穿梭车式密集仓储系统逐渐发展成熟穿梭车作为穿梭车式密集仓储系统中的核心设备其作用是在立体货架里面行驶并对货物进行出库和入库工作 由于货架导轨加工精度和安装精度会存在差异很难保证穿梭车行走导轨的直线度及两条导轨的平行度而导轨不直或不平行又很容易导致穿梭车出现蛇形行驶或定位不准确等问题严重时可能导致穿梭车脱轨冲出 因此穿梭车在导轨上行走时除了行走系统提供动力外还需要导向轮辅助定向以保证穿梭车可以沿着导轨高速直线运动而不偏向在实际工程项目中由于导向轮结构设计不合理会导致导向轮与导轨接触面产生严重磨损进而使穿梭车出现蛇形行驶或脱轨导致穿梭车驱动电机等传动设备的负荷超载从而引发电机烧坏、传动轴扭断等事故发生 因此降低导向轮磨损、提高穿梭车行驶稳定性对穿梭车导向轮结构设计分析是十分必要的 目前市场上穿梭车导向方案有多种但都缺少指导设计的理论依据 笔者通过对不同导向方案技术特点的对比研究以及导向轮的具体受力情况的详细分析讨论得出导向轮结构设计和优化改进的理论依据从而为穿梭车导向结构设计优化提供新的方案选择弥补目前穿梭车导向方案的诸多不足之处 穿梭车导向轮工作原理在穿梭车式密集仓储系统中货箱在多层货架上紧密放置穿梭车在立体库货架里面行驶示意图如图 所示 穿梭车沿着立体库货架行走导轨行驶到达指定货位后通过穿梭车上面的货叉对货箱进行出入库操作 对于库容量大的仓库行走巷道长度达到 以上 为了提高作业效率对穿梭车的速度提出了更高的要求需要穿梭车以更高的速度在货架内快速到达货位进行取放货 由于导轨加工和组装偏差穿梭车如果在导轨上实现高速直线运动而不偏向设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:张延武()男江苏无锡人工程师硕士研究生主要从事智能自动化物流设备研究方面的科研工作就需要导向轮进行辅助定向 不同结构导向轮会影响穿梭车运行稳定性和效率同时对导向轮的磨损程度和货架的安装精度要求也不相同 在实际运行过程中立体库内设备众多环境较为复杂由于某些原因导致穿梭车运行出现偏斜的现象不可避免因此设计一种可靠运行的导向轮装置对穿梭车稳定运行至关重要图 穿梭车行驶示意图.货箱.穿梭车.行走导轨 目前穿梭车常采用的导向轮方案主要有两种分别是单边导向和夹持导向 穿梭车单边导向方案是在穿梭车车体两侧分别安装一组单导向轮每个单导向轮沿着导轨的侧面滚动进行限位导向轮通过安装座与穿梭车框架连接结构如图 所示图 穿梭车单边导向结构示意图.导轨.导向轮.行走轮.穿梭车框架 由于导向轮分别沿着穿梭车两侧导轨侧面滚动因此要求穿梭车行走轮两侧导轨间距控制精确且要保证两侧导轨导向面平行安装 穿梭车两侧导向轮间距要固定因为导轨间距过大或过小都可能导致导向轮被导轨卡死另外如果两侧导轨导向面不平行穿梭车会在轨道上蛇形行驶导向轮与导轨侧面会不停撞击以纠正穿梭车行驶方向这样会导致导向轮磨损加快 因此这种导向轮结构对立体库货架导轨安装精度要求较高为了降低对穿梭车导轨安装要求夹持导向方案在穿梭车上得到了应用 这种导向方案是在穿梭车单侧安装两组以上双导向轮且每组导向轮分为内导向轮和外导向轮 两个导向轮直径相同并夹着导轨侧面进行导向两个导向轮之间的间距略微大于导轨侧面板材厚度其结构如图 所示图 穿梭车夹持导向结构示意图 这种夹持导向方案只对单侧导轨安装对接精度有要求对穿梭车行走的两侧导轨间距和平行度没有高精度要求因此减轻了货架安装难度避免了货架两侧导轨变形导致的导向轮卡死现象提高了穿梭车货架导轨的适应性 这种导向方案每组需要两个导向轮穿梭车一侧如果安装四组就需要 个导向轮导向轮数量需求较多穿梭车使用成本较高 导向轮结构设计要求.导向轮受力分析穿梭车在行走导轨上运行时导向轮会与行走导轨侧面接触而产生水平侧向推力以纠正穿梭车行驶方向 导向轮受力图如图 所示导向轮滚动面主要受到偏斜运行水平侧向载荷 的作用导向轮直径 和宽度 都与水平侧向载荷 有关 影响水平侧向载荷的因素很多目前准确计算比较困难但根据穿梭车的运行方式可参考借鉴同样沿轨道运行的起重机导向轮水平侧向载荷的计算方法来近似计算侧向载荷参考起重机设计规范中对偏斜运行水平侧向载荷的计算方法穿梭车导向轮所受水平载荷可按照式()进行估算:()式中:为穿梭车承受侧向载荷一侧行走轮承受的最大轮压之和 为水平侧向载荷系数它与穿梭车行走轮跨度 和有效轴距 的比值/有关穿梭车行走轮位置结构如图 所示 取值可根据图 确定图 导向轮受力示意图 图 穿梭车行走轮位置示意图机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发图 水平侧向载荷系数 穿梭车行走轮承受的最大轮压主要考虑穿梭车静止状态下所受最大载荷时的承载并不考虑动力效应 由于穿梭车所载货物位于穿梭车中间货舱因此四个行走轮所受轮压可近似认为均布相同即:()根据分析得出穿梭车导向轮水平侧向载荷为:().()式中:为穿梭车自重 为穿梭车所载货物质量.导向轮结构计算根据前述受力分析可知穿梭车导向轮主要受偏斜运行的水平侧向力作用因此导向轮的容许负载 应大于水平侧向力 导向轮的容许负载可按照下式进行计算:()式中:为导向轮许用比压它跟导向轮表面材料的抗拉强度有关系材料的抗拉强度越高许用比压 就越大 为计算系数它与导向轮的转速和使用时间有关系 导向轮的宽度 可以根据行走导轨结构提前确定导向轮直径计算式如下:()在理想状态下导向轮与导轨不接触但当穿梭车偏斜行走时导向轮将与导轨接触 为了减少导向轮与导轨的冲击导向轮内部轴承选用圆柱滚子轴承表面包胶聚氨酯材料聚氨酯材料硬度可根据导向轮所受水平侧向力来确定同时通过水平侧向力对轴承进行选型和校核 导向轮的转速 计算如下:()式中:为穿梭车行走轮转速 为行走轮与导向轮的直径之比此外穿梭车导向轮的旋转轴、支撑座以及固定螺钉主要承受水平侧向力以及侧向力传递产生的弯矩可以通过材料力学第四强度理论或有限元分析对轮轴材料的应力进行校核.导向轮与导轨配合间隙由于立体库货架导轨的加工和安装误差以及货架支撑地面的沉降变形不能保证导向轮在导轨上无间隙运行因此导向轮和导轨导向面之间应当留有一定间隙且间隙 需要选取一个合适的值 若间隙过大穿梭车行驶过程中摆动幅度会较大影响穿梭车的行驶速度若间隙过小穿梭车运行时导向轮会与导轨发生卡滞增加了穿梭车行驶阻力 综合考虑以上因素并根据项目现场使用情况穿梭车导向轮与导轨导向面间隙 至少大于 最大间隙应小于 另外立体货架行走导轨与穿梭车导向轮接触的面需要保证一定的平面度和强度平面度通常需要控制在 以内行走导轨材料屈服强度一般要求大于 这样可以避免行走导轨导向面与导向轮撞击后变形造成穿梭车蛇形行驶.导向轮安装数量穿梭车导向轮安装数量与导向轮的导向形式有关导向轮需要保证穿梭车经过导轨缺口时能正常沿直线行驶这样才不会出现脱轨现象 导向轮采用单边导向方式时导向轮至少需要布置四组分别安装在穿梭车前后四角当车体过长时穿梭车中间还需要增加两组导向轮穿梭车采用夹持导向方式时导向轮至少需要布置三组两组导向轮布置到穿梭车前后两端一组导向轮布置到穿梭车中间位置这样可以保证穿梭车始终有两组导向轮沿着导轨进行导向 导向轮改进方案.改进方案介绍根据上述分析目前穿梭车采用的两种主要导向方案各有优缺点 单边导向方案对穿梭车行驶导轨平行度要求较高但需要的导向轮数量较少夹持导向方案虽然降低了导轨的安装要求但由于一组导向轮需要两个导向轮夹持导轨导向面因此该方案需要的导向轮数量较多 结合这两种导向方案特点文中提出一种新的改进导向方案结构如图 所示图 穿梭车改进导向方案示意图.导轨.行走轮.导向轮.穿梭车框架 该改进导向方案导向轮安装在穿梭车一侧导向轮在导轨的 型槽内运行依靠 型槽的两个垂直面作为导向面导向轮直径 小于导轨 型槽宽度 为了保证导向轮能正常转动导轨和导向轮之间设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用间隙满足:()导向轮在穿梭车一侧布置三组两组分别布置在车体前后两侧剩下一组布置在车体中间位置 导向轮表面包覆聚氨酯材料硬度选择肖氏 这种硬度聚氨酯材料有足够强度抵抗穿梭车水平侧向力可以减轻对导轨的冲击由于穿梭车一侧导轨 型槽通过加工即可保证两个导向面的平行度因此改进导向方案对导轨间距和安装精度要求较低同时相较于夹持导向方案改进导向方案使用轮子数量较少极大节省了加工成本 另外该方案导向轮承载面与导轨两个导向面受力均衡导向轮磨损减少使用寿命得到极大提高.改进方案测试验证为了验证设计的合理性也为了更好地测试需搭建一个完整穿梭车测试货架同时制作一台完整穿梭车 测试货架巷道长度 巷道宽度 行走导轨整体安装偏差小于 对接处水平偏差小于 对接处间隙小于 行走导轨挠度变形控制在 以内穿梭车行走轮跨度为 两个行走轮轴距图 穿梭车导向轮测试现场为 穿梭车负载料箱重量为 车体自重为 穿梭车选用导向轮直径为 导向轮宽度为 轮子表面包覆聚氨酯材料硬度为肖氏车体一侧前后两端布置两组导向轮测试现场如图 所示 穿梭车按照 /的速度和 /的加速度进行循环行走测试以测试导向轮的磨损程度 穿梭车经过 行走测试后测量导向轮外圆直径导向轮外圆直径由测试前的.变为.导向轮磨损量在可接受的范围内穿梭车运行过程平稳没有出现蛇形行驶或脱轨严重问题 测试表明:新改进导向轮结构可以极大提高导向轮使用寿命降低导向轮使用数量和成本满足穿梭车式立体库降本增效的需求 结 论()穿梭车在立体库货架导轨行驶时需要导向轮辅助定向不同导向方案会影响货架导轨的安装要求也会对导向轮的使用寿命和使用成本产生影响()导向轮在穿梭车上运行时轮子滚动面主要受到偏斜运行的水平侧向载荷通过计算水平侧向载荷可确定导向轮和行走导轨主要结构尺寸()针对穿梭车两种主要导向方案的优缺点提出了一种新的改进导向方案经过测试验证新导向方案降低了行走导轨的安装精度提高了导向轮的使用寿命节省了导向轮的使用数量和成本提高了穿梭车的运行稳定性和作业效率参考文献:/.起重机设计规范.张质文王金诺虞和谦等.起重机设计手册.北京:中国铁道出版社.吴雪涛辛宏彦赵文迪.无轮缘车轮加装水平导向轮的设计.起重运输机械():.成大先.机械设计手册.第 版.北京:化学工业出版社.李广良.一种可调节升降的水平导向轮装置的设计及应用.起重运输机械():.(上接第 页)问题提出了一种智能衣柜旋转衣架系统设计方案设计了升降机构机械臂平行机械手智能旋转衣架以完成衣物的智能取放分析了各个机构的运动效果并且进行了部分关键零件的强度校核以确保整体结构的可行性 后续将继续开展电控部分设计以对该系统进行进一步改良使得其可以精准地存取衣物 该装置对于阳台晾衣架设计具有一定的参考价值参考文献:王逸诚.智能衣架的市场营销策略研究.科技经济市场():.柴鹏飞王晨光.机械设计课程设计指导书.北京:机械工业出版社.王 鑫周洪艳张 硕等.智能鞋柜存取清洗装置设计.机械研究与应用():.马晟哲蒋东霖.饮水机水桶自动换取机械手结构设计.机械研究与应用():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发