铝合金重型货架结构计算与分析

李柏林，刘占宇，张宗铄，唐鸿洋，王洪卓，王东辉

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

随着社会经济的快速发展，物流业也随之兴盛起来，使得仓储的概念不断地进行着演绎[1]。货架种类已由最初的品种单一逐步发展成为基于不同物料尺寸、重量乃至存取方式而区分的多种类型货架，货架行业也由单纯的钢铁加工转变成集力学仿真计算、仓储自动化运行技术及仓储管理信息化于一身的多学科多专业的应用领域[2]。自动化立体仓库的出现对货物储存具有划时代的意义，它不仅彻底改变了仓储行业劳动密集、效率低的落后面貌，而且拓展了仓库功能，使之从单纯的保管型向综合流通型方向发展[3]。货架作为自动化立体仓库存储货物的重要基础设施，要求具有良好的承载性、抗震能力和结构稳定性[4]。

重型货架是仓储货架系统中最为常见的一种货架形式，是以立柱片+横梁形式的全组装结构。其结构简明有效，适合于箱式货物的存储，或者与周转箱配套装载零散重型货物，通常配合叉车作业。本文结合铝合金自身优势，提出一种新型铝合金重型货架，通过设计和计算分析来验证产品的可行性，以便于推广使用。

1 设计参数确定与材料选用

1.1 设计参数确定

在设计重型货架时需考虑托盘和货物的尺寸、重量以及叠放的层数，以便决定重型货架的设计尺寸。本文设计的重型货架所使用的托盘规格为1 200 mm×1 000 mm×150 mm，托盘自重为20 kg，托盘存储载荷1 100 kg，存储高度不超过1 200 mm。根据上述条件，设计一款单个货格可存储两个托盘货物的铝合金重型货架，设计存储层数为4层，图1为货物存储示意图。结合实际使用工况和相关设计标准[5]，确定相关设计参数，见表1。

图1 新型铝合金重型货架存储示意图

表1 新型铝合金重型货架相关设计参数

1.2 材料选用

结合重型货架的使用工况，根据经验，确定重型货架结构材料均选用可热处理强化的6061铝合金。6061铝合金属于Al-Mg-Si系，其挤压型材已广泛应用于强度和耐蚀性能要求较高的工业型材及结构件，涉足工业生产、机械制造、交通运输等领域[6]。表2为6061铝合金在T6状态下的主要力学性能[7]。

表2 6061铝合金T6状态下的主要力学性能

2 结构设计

2.1 承重横梁截面设计

承重横梁是铝合金重型货架的重要承力构件，在货物存储过程中托盘货物是直接置于承重横梁上的，因此，承重横梁的截面设计至关重要。图2为承重横梁的截面示意图。其截面呈“曰”字形，可增强其抵抗变形能力，同时截面轮廓设计为波浪形，可进一步提高承重横梁的承重能力。此外，承重横梁的截面设计符合国家相关标准[8]。

图2 承重横梁截面示意图

2.2 整体结构设计

铝合金重型货架是由立柱、承重横梁、连接板、斜撑和柱底构件组成，如图3所示。连接方式采用全螺接固定，无焊接工艺。在保证重型货架整体的承载能力和稳定性的同时，该连接方式极大地降低了产品的制造成本。在安装过程中，首先装配立柱、斜撑和柱底构件，组成立柱片，然后与承重横梁和连接片组装，形成重型货架结构。此外，铝合金重型货架各零件均采用特殊的表面处理方式，代替原钢制重型货架的喷涂表面处理方式。该表面处理方式提高了重型货架的使用寿命，降低了其维修成本。

图3 结构数模

3 计算分析

本文设计的铝合金重型货架为室内使用，因此重型货架的计算载荷包括恒载荷、活载荷以及在装卸货物时所产生的竖向冲击载荷。其中恒载荷为货架自重，活载荷为托盘货物重量，竖向冲击载荷通常可取一个装载单元静载设计值的50%。

3.1 铝合金重型货架相关参数

铝合金重型货架恒载荷Gk=8 000 N，活载荷Qk=179 200 N，竖向冲击载荷Q1k=15 680 N，立柱计算长度L0=1 650 mm，立柱有效截面积Aen=3 636 mm2，立柱截面回转半径ix=26.02 mm、iy=43.63 mm；单个货格存储载荷Q=22 400 N，承重横梁计算长度L=2 300 mm，承重横梁抗弯截面系数Wz=76243.2 mm3，承重横梁的截面惯性矩I=6242808.12 mm4。

3.2 立柱的强度与刚度计算

由于铝合金重型货架为对称结构，因此只需对其中一个柱的具体受力状况进行分析，将柱受力简化为轴心受力构件即可，计算结果如下：

立柱所受载荷为：

式中，γG和γQ分别为为恒载荷和活载荷的分项系数，γG=1.2、γQ=1.4。

最大应力为：

立柱的刚度是以保证其长细比λ来实现的，立柱容许最大长细比[λ]=150，计算结果如下：

由于σmax=18.99 MPa＜[]σ=240 MPa

因此铝合金重型货架的立柱是安全的，设计可行。

3.3 承重横梁的强度与刚度计算

由于铝合金重型货架单个货格可存储两个托盘货物，因此可根据承重横梁的受力形式将其力学模型简化为受两个均布载荷的两端固定的形式，其简化载荷如图4所示。承重横梁的允许最大变形[ω]=L/200=11.5 mm[9]。

图4 承重横梁载荷简化示意图

承重横梁上均布载荷q为：

最大弯矩为：

此处b为托盘货物的横向规格尺寸，b=1000 mm。

最大应力、最大挠度为：

由于σmax=96.87 MPa＜[]σ=240 MPa

因此铝合金重型货架的承重横梁设计是安全可行的。

计算结果表明，当对铝合金重型货架单个货格施以1.4倍的托盘货物载荷作为设计载荷时：（1）铝合金重型货架立柱的最大应力σmax=18.99 MPa，小于6061-T6的屈服强度[σ]=170 MPa，长细比λx=63.41，λy=37.82，均小于允许最大长细比[λ]=150；（2）铝合金重型货架承重横梁的最大应力σmax=96.87 MPa，小 于6061-T6的 屈 服 强 度[σ]=170 MPa，最大挠度ωmax=9.46 mm，小于允许最大挠度[ω]=11.5 mm。综上所述，此铝合金重型货架立柱和承重横梁均满足设计要求，该产品的设计是安全可行的。

4 发展前景

近年来，随着更多的外资注入我国市场，越来越多的企业为了提高效益和规范经营，就要从物流这第三利润来源着手，所以企业对货架的需求量就越来越大。越来越多的人逐渐认识到货架的重要性，渐渐出现了对货架大量需求的现象[9]。

现阶段市场上所投入使用的重型货架大多为钢制，由于其成本低、性能稳定、安全可靠，因此被广泛应用于该领域。而铝合金重型货架相比于钢制重型货架具有质量轻、装拆方便、使用寿命长、环保等诸多优势，同时国家工业和信息化部在《有色金属工业发展规划（2016-2020年）》[9]中也提出将大力发展绿色能源，而铝及其合金就是一种可回收的再生绿色资源，因此铝合金重型货架将在未来会逐渐取代钢制重型货架，成为该领域的主流产品。

5 结论

铝合金重型货架具有质轻、便于装拆、使用寿命长、生产成本低等诸多优势，通过结构设计和计算分析对铝合金重型货架的安全性进行了验证。结果表明：当对其单个货格施以1.4倍的托盘货物载荷作为设计载荷时，立柱的最大应力和长细比以及承重横梁的最大应力和最大挠度均符合相关设计规定和标准，因此该设计方案是安全可行的。同时铝合金作为一种绿色资源，相比于钢材有诸多优势，相信铝合金重型货架在未来将会成为仓储系统中的主流产品，并发挥重要作用。