四向穿梭車換向轉彎板結構設計與有限元分析

張延武

（無錫凱樂士科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著工業4.0時代的開啟，更加集成與智能自動化的高密度立體庫系統得到越來越廣泛的應用，越來越多的倉庫采用基于四向穿梭車的貨到人揀選系統[1]。四向穿梭車可以在立體倉庫中沿著貨架中縱向巷道和橫向巷道水平行走，同時利用垂直移動的換層提升機穿行于貨架不同層的巷道中，穿梭車可以在倉庫三維空間內任意位置進行取放貨，提高了系統的作業效率和柔性，以及倉儲作業調度的響應要求[2]。在這種倉庫系統中，多層高位貨架的緊密放置，存儲密度大，提高了倉庫的空間利用率，使物品存儲費用得到降低，大大降低了倉庫對設備和人力的需求[3]。

在四向穿梭車自動化立體倉庫中，穿梭車要實現同層換巷道，就需要在橫行巷道和直行巷道交叉處布置換向轉彎板，它可以使穿梭車從一個直行巷道行駛至同層的另外一個直行巷道，增大了穿梭車的作業范圍。穿梭車在換向轉彎板處換向的效率和成功率直接影響整個立體庫的作業效率，因此利用有限元分析對換向轉彎板結構進行受力分析是十分必要的，并為轉彎板結構設計優化提供新的方案選擇。

1 穿梭車轉彎板處換向工作概述

穿梭車在立體庫貨架里面換向示意圖如圖1所示，貨架直行巷道和橫行巷道交叉處布置有換向轉彎板，穿梭車從直行巷道行駛至換向轉彎板處切換為橫行狀態，通過橫行輪沿著橫行巷道到達相鄰巷道的轉彎板處，穿梭車在轉彎板處切換為直行狀態沿著另外一條直行巷道行走，從而實現同層不同巷道的切換。

圖1 穿梭車換向示意圖

2 換向轉彎板結構設計要求

換向轉彎板作為穿梭車在立體庫貨架里面換向的主要部件，其結構如圖2所示，主要包括固定板、行走支撐板、直行導向條、橫行導向條等部件。轉彎板通過4個固定板固定于貨架上，行走支撐板與固定板通過螺栓連接，行走支撐板上安裝有直行導向條和橫行導向條，導向條保證穿梭車在轉彎板處能沿著正確的方向行駛。換向轉彎板的設計要求是既要保證穿梭車能夠在直行巷道和橫行巷道交叉處快速平穩切換，又要保證整個轉彎板有足夠強度支撐穿梭車行走。當換向轉彎板變形過大時，轉彎板上定位點會發生偏移，穿梭車定位就會異常。另外，穿梭車在變形過大的換向轉彎板上行走時，其車體在換向時會發生傾斜，從而導致車輪脫離原軌道而卡住。因此穿梭車在換向轉彎板上行走時，整個換向轉彎板的最大垂直變形量應小于2 mm，轉彎板上單個部件的最大應力不應超過材料的屈服強度，安全系數需要大于1.3。

圖2 換向轉彎板結構示意圖

2.1 固定板部件

固定板起到承載整個轉彎板組件的作用，分別與貨架直行導軌和橫行導軌通過螺栓連接，轉彎板與貨架立柱連接成為一體，考慮到整體強度，固定板材料選用碳素結構鋼Q235，板材厚度為5 mm。

2.2 導向條部件

穿梭車進入換向轉彎板時，有直行和橫行兩種選擇，穿梭車行駛方向切換需要導向條輔助實現。當穿梭車從直行巷道過來時需要沿著直行導向條進入轉彎板，直行導向條除了輔助穿梭車導向外還輔助穿梭車進行精確定位，從而保證穿梭車能停在轉彎板的中心位置，因此直行導向條中間位置需要布置定位片。同理，穿梭車橫行導向條中間位置也有對應定位片，保證穿梭車在切換為橫行狀態時定位準確。直行導向條和橫行導向條整體受力較小，因此材料使用3 mm厚度碳素結構鋼Q235，通過鈑金折彎加工。

2.3 行走支撐板部件

行走支撐板是換向轉彎板最主要的部件，它起到穩定承載穿梭車行駛的作用。另外，它還是轉彎板上導向條與固定板的承載部件，當穿梭車在行走支撐板上面行駛時，為保證穿梭車行駛平穩，該部件垂直變形量應盡量小, 同時最大應力不應超過材料的屈服強度，材料選用碳素結構鋼Q235，板材厚度為8 mm，采用4塊板材拼接組成。

3 換向轉彎板受力分析

穿梭車在換向轉彎板處的位置如圖3所示，穿梭車從直行巷道行駛到轉彎板處通過頂升機構可以切換為橫行狀態，此時穿梭車4個直行輪升起，兩側4個橫行輪降下，穿梭車可以沿著橫行巷道行走至下一個轉彎板處更換直行巷道。由于穿梭車存在直行和橫行兩種狀態，因此換向轉彎板處的受力情況也分為兩種工況。每種工況下，穿梭車在換向轉彎板處使用的輪子和支撐位置不同，轉彎板的受力情況也不同。目前工程設計中，通常利用有限元分析的原理進行計算機仿真模擬，代替傳統的現場測試方法對零件進行受力分析。有限元法是將整個系統離散為有限個元素，用較簡單的問題代替復雜問題后進行求解，它將函數定義在簡單幾何形狀的單元域上，且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一個單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解[4]。這種處理過程簡單清晰，適宜于對線性問題與非線性問題的處理。SolidWorks軟件自帶的應力分析插件Simulation就是根據有限元法對零件進行應力分析的工具，本文將采用該插件對換向轉彎板受力情況進行有限元分析。

圖3 穿梭車換向轉彎板位置示意圖

3.1 直行工況分析

穿梭車從直行巷道進入換向轉彎板的過程中，4個直行輪中前面2個直行輪先行駛至換向轉彎板上，隨著穿梭車繼續行駛，最終4個直行輪全部行駛在換向轉彎板上面。通過SolidWorks建立換向轉彎板3D模型，利用SolidWorks軟件自帶的Simulation模塊對轉彎板進行有限元仿真分析，采用靜應力分析模式，采用線性假定、彈性假定和靜態假定條件，解算器選用迭代階段器進行計算[5]。

為了提高分析精度，對換向轉彎板采用3D實體單元進行網格劃分，邊界條件為在4個固定板底面添加固定約束，換向轉彎板各個零件之間接觸按照全局接合接觸定義，零件材料都定義為Q235，材料密度為7850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為200 GPa，抗拉強度為375 MPa，屈服強度為235 MPa。整個轉彎板受到的載荷為穿梭車自重加上貨箱的質量，總質量為150 kg，因此載荷按照1470 N進行加載，輪子與轉彎板接觸面為載荷加載面，換向轉彎板約束和加載如圖4所示。

圖4 直行工況轉彎板受力分析邊界條件

根據穿梭車進入換向轉彎板的過程可知，載荷加載面也是在不斷變化中，從剛開始2個輪子接觸到轉彎板，到最終4個輪子接觸到轉彎板，通過對整個行走過程不同位置受力分析，當穿梭車前面2個直行輪行駛到換向轉彎板中間位置，后面2個輪子還在直行軌道時轉彎板變形最大，垂直方向最大變形發生在轉彎板中間，最大變形量為1.4 mm（如圖5），最大應力位置在直行導向條中間位置，其最大應力為157 MPa（如圖6），轉彎板的安全系數為1.5，最大應力在材料承受范圍之內，滿足使用要求。

圖5 直行工況轉彎板位移變形云圖

圖6 直行工況轉彎板應力云圖

3.2 橫行工況分析

穿梭車從橫行巷道進入換向轉彎板過程與從直行巷道進入類似，區別主要為輪子的行走支撐板上的接觸位置，轉彎板載荷加載面也是在不斷變化中，整個換向轉彎板的約束和加載如圖7所示。通過對穿梭車在換向轉彎板處橫行方向行走過程受力分析，當穿梭車前面兩個橫行輪行駛到換向轉彎板中間位置時轉彎板發生最大變形，轉彎板位移變形云圖如圖7所示，垂直方向上最大變形發生在轉彎板中間位置，最大變形量為0.41 mm；轉彎板應力云圖如圖8所示，最大應力在固定板位置，其最大應力為109 MPa，轉彎板的安全系數為2.1，轉彎板不需要額外加強滿足使用要求。

圖7 橫行工況轉彎板受力分析邊界條件

圖8 橫行工況轉彎板位移變形云圖

圖9 橫行工況轉彎板應力云圖

3.3 換向轉彎板結構優化及校核

從前面的分析結果可以看出，直行工況下轉彎板應力變形比橫行工況下大，這主要是換向轉彎板直行方向長度大于橫行方向長度，行走支撐板依靠4個固定板支撐，類似于簡支梁支撐，它的結構直接影響整個換向轉彎板的受力變形和整體質量。在項目實際應用中，由于換向轉彎板在每一層直行巷道和橫行巷道交叉處都需要安裝，對于大型立體倉庫，層數達到10層以上，換向轉彎板需求數量巨大，數量達到200個以上，因此換向轉彎板需要通過輕量化設計來降低制造成本。

根據前面受力分析可知，采用4塊8 mm厚度碳鋼拼接組成的換向轉彎板雖然強度和變形量滿足使用要求，但總體質量達到24 kg,整體加工成本較高，同時也給立體庫里面高空作業安裝帶來難度?；跍p重考慮，對行走支撐板的結構進行優化，材料采用3 mm厚度Q235板材，整塊板材利用鈑金折彎方式加工，板材中間鏤空切割，四周邊折彎高度為25 mm，行走支撐板優化后結構如圖10所示。

圖10 行走支撐板改進結構

對改進結構后的換向轉彎板分別進行直行工況和橫行工況下強度校核，轉彎板的約束邊界條件和載荷加載與前述工況分析相同，換向轉彎板直行工況的位移變形云圖和應力云圖如圖11和圖12所示，橫行工況的位移變形云圖和應力云圖如圖13和圖14所示。從云圖可以看出，換向轉彎板在直行工況和橫行工況下垂直方向最大變形量分別為1.2 mm和0.5 mm，位置都在轉彎板中間位置；換向轉彎板在直行工況和橫行工況下的最大應力分別為183 MPa和121 MPa,位置都在固定板支撐處。

圖11 直行工況改進轉彎板位移變形云圖

圖12 直行工況改進轉彎板應力云圖

圖13 橫行工況改進轉彎板位移變形云圖

圖14 橫行工況改進轉彎板應力云圖

從受力分析結果可知，換向轉彎板在直行工況下受力最惡劣，最大變形量大于橫行工況變形量，但應力不大，最大應力沒有超過材料屈服強度，安全系數為1.3，換向轉彎板結構滿足使用要求。改進結構的換向轉彎板整體質量僅為14 kg，相比原結構轉彎板減重41%，大大節省了材料和加工成本。同時，換向轉彎板減重不僅提高了立體庫貨架搭建的便利性，同時也降低了貨架立柱的額外負載，提高了立體庫貨架的貨物承載量。

4 結論

1）四向穿梭車從巷道進入換向轉彎板過程中，轉彎板受力變形是一個變化的過程，當穿梭車前面兩個輪子行走到轉彎板中間位置時轉彎板受力變形最大，其垂直方向最大變形位置也位于此處。

2）換向轉彎板在直行工況下受力變形情況比橫行工況惡劣，最大應力位置基本位于轉彎板的固定板支撐處。

3）針對換向轉彎板過重的問題，提出了改進優化結構，通過鈑金折彎方式加工，在確保使用強度需求的前提下有效減輕了換向轉彎板質量。

4）利用SolidWorks軟件自帶的Simulation模塊對四向穿梭車換向轉彎板進行有限元分析，可以極大縮短設計時間，利用計算機仿真代替傳統的現場測試方法，為后續進一步結構改進優化提供依據。