重载AGV高举升纸卷夹取装置门架设计研究

张红卫，赵克钦，刘凤嘉

（1.常州信息职业技术学院智能装备学院，江苏常州，213164；2.江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡，214122）

0 引言

随着现代物流生产的自动化、智慧化的发展，对于货物的搬运周转要求越来越高。传统的人工物料分拣搬运已无法满足工业化生产需求，而AGV小车的加入有效地缓解了这一状况，使得产品的生产和搬运更加便捷迅速，AGV自动导引车被广泛应用于各种类型的仓库和车间[1]。

目前国内AGV大多应用在轻载、小体积货物的搬运，运载质量多在3吨以下，对重载AGV设计理论和方法研究开展并不不多[2]。尽管已有一些研究者采用有限元分析方法对重载AGV车架进行过模态分析和强度校核[3]。但对重载AGV夹取装置门架结构的模态分析和强度刚度校核方面的研究并不多。

基于上述原因，本文对承载量为5吨的AGV门架结构进行有限元建模分析，对AGV门架的结构设计和优化提供了重要的参考依据。

1 重载AGV门架设计方案

1.1 设计要求

设计参数要求：额定载重量：5000kg;举升高度：0～7200mm；最大提升速度 ：20mm/s；行走速度 ：0～60m/min。

1.2 门架的设计建模

一般来说，门架有三种级别，如图1所示。本文需要将5吨纸卷提高至7.2米，因此选用三级门架更加适宜。三级门架由三个门架、两个液压缸和板式链等组成。首先，三个门架嵌套，在门架内靠近外门架立柱两边分别装有长行程活塞液压缸，液压缸底部与外门架下方的横板连接，液压缸顶部连接到中门架的上横梁处，中门架上横梁处还装有槽轮，板式链一段连接到外门架的横梁处，绕过槽轮，另一端连接到内门架的下方，在外门架上横梁上装有激光导航器。工作时，液压缸推动中门架上升，同时板式链带动内门架上升，由此达到提升功能。

图1

门架主要由纵向支撑架和横梁连接组合而成。根据门架的结构强度和门架机构的加工要求，门架的材料可以选为65Mn钢。

门架有四种常见的组合方式，包括CC重叠型和CC、CJ、CL并列型，如图2所示。其中，CC重叠型虽然节省了空间[4]，但是这样组合导致能够安装的滚轮不够大，门架滑移时不稳定。而CC并列型结构简单，便于安装维修；但是门架立柱截面相同导致支撑整体宽度较大，导向不稳定。CJ型和CL型组合的内门架抗弯模量比CC并列型的抗弯模量大，且便于安装滚轮，提高了门架的导向和支撑作用，CL并列型和CJ并列型是改良型，减小了滚轮的压力，改善了受力情况，是现有门架立柱截面最合理的组合形式，考虑到滚轮的安装和参考常用叉车式AGV的门架结构，选用CL并列型作为本次设计的门架。

图2

门架与门架之间装有滚轮，有两种方式，一种是在同时独立装有主滚轮和侧滚轮，要保证主滚轮和侧滚轮之间有一定距离，门架强度足够，这使得整个门架的升降位移空间受到限制，不便于安装和维护。另一种是安装复合滚轮轴承，如图3所示，复合滚轮轴承将主滚轮和侧滚轮很好的结合在一起，极大地节省了内部空间，这种方式要优于上一种方式，在轴头上打孔，通过螺钉连接在门架上，定位精度高，结构紧凑，安全性好。外门架上方内部，中门架上方内部和下方外部以及内门架下方外部都装上复合滚轮轴承。

图3 复合滚轮轴承三维图

链条承载能力强，可以带动内门架和夹抱机构上下运动，并支撑物料的重量。在本装置中，纸卷和夹抱机构重量大于5吨，选择板式链来承载重量更加适宜，在中门架两侧靠内处同时放置链条和滑轮，内门架和夹抱部分的惯性力Fg1=580N，单根链条承受的力为：

式中s:板式链的安全系数，s=4；

Gc:内门架和夹抱部分的质量，Gc=800kg；

g:重力加速度，取g=9.8m/s2。

查GB/T 6074-2006，选用LH1634型号的3×4组合的板式链，抗拉强度为129kN，如图4所示。

图4 板式链三维图

最终设计完成的AGV小车通过外门架、中门架和内门架的相互嵌套，并且采用液压缸托举门架，板式链连接门架，完成高度的升降作业。

2 重载AGV门架强度和刚度校核

在CREO软件对门架进行有限元分析[5]，将简化的门架装配，使得门架组合状态是门架提升到额定高度的状态，此时，门架的受力状态比较危险，选择门架材料：弹性模量E=2.1×105Mpa，密度 ρ=7800kg/m3，泊松比 μ=0.3。对模型进行2D网格划分，网格大小为3mm，划分完成后检查网格质量，然后对模型进行分析，最终得到的受力情况图如图5所示。

图5 门架受力图

将纸卷对门架产生的负载转换成一对力偶的作用，大小为41527.02N；内门架下横梁处受到板式链的拉力和惯性力，大小为57420N；中门架横梁下与槽轮连接的部分总共承受两倍板式链的拉力，方向向下，总共为114840N；外门架的上横梁处受到板式链的拉力，也是57420N；门架自身重力，取g为9800mm/s2。此外，外门架下方伸出的圆筒与车体相连，固定了位置，外车架底部置于车体底盘上。然后，建立静态分析，计算结束后，门架应力图和位移图如图6所示。

图6

由图4-5和图4-6可以看出，门架最大载荷在内门架与中门架连接处，最大载荷为431.73MPa，门架材料为25MnV，屈服强度σsσs86MPa[6]，安全系数大于2时，门架的许用应力小于443MPa，大于最大载荷，满足要求。最大位移为14.82mm，在内门架上方，符合要求。

3 重载AGV门架模态分析

重载AGV了受到路面激励的影响，可能导致小车的关键机构的固有频率与外部激励的频率相同，引起共振，继而造成AGV小车的扭转或弯曲变形，使小车产生疲劳损伤、断裂等结构破坏，减少夹抱式AGV自动引导车的使用寿命。因此，有必要对夹抱式AGV的关键结构进行模态分析。

重载AGV在正常行驶过程中，速度为1m/s，路面产生的激励为：

式中λ：路面的波长。

不同的路面波长不一样，将路面主要分为三种，由公式2计算可得，路面激励产生的频率如表1所示。

表1 不同路况波长及频率

对夹抱式AGV自动引导车进行模态分析，前几步与有限元分析相同，完成网格划分，施加载荷和约束，建立模态分析，进行计算，得出门架的前六阶振型如图7所示。

图7

门架的前六阶振动频率如表2所示。

表2 门架前六阶振动频率

由表1和表2对比可得，路面激励产生的频率与重载AGV正常行驶时门架产生的频率不相同，不会产生共振，影响不大。但是要避免重载AGV长期在7～25Hz频率的激励下工作，会引起共振。

4 结语

为了验证设计的合理性，利用CREO对设计的重载AGV门架进行建模设计并进行强度校核，最大载荷小于门架材料的许用应力，结果表明设计的车架符合强度和刚度要求。对门架进行模态分析，门架不会与路面激励产生共振。