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 214000)

0 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。

1 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1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100 m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1 穿梭车行驶示意图1.货箱 2.穿梭车 3.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2所示。

图2 穿梭车单边导向结构示意图1.导轨 2.导向轮 3.行走轮 4.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3所示。

图3 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11个导向轮,导向轮数量需求较多,穿梭车使用成本较高。

2 导向轮结构设计要求

2.1 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4所示,导向轮滚动面主要受到偏斜运行水平侧向载荷F的作用,导向轮直径D和宽度B都与水平侧向载荷F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。

图4 导向轮受力示意图 图5 穿梭车行走轮位置示意图

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(1)进行估算[1]:

(1)

式中:∑P为穿梭车承受侧向载荷一侧行走轮承受的最大轮压之和,N;λ为水平侧向载荷系数,它与穿梭车行走轮跨度S和有效轴距a的比值S/a有关。

穿梭车行走轮位置结构如图5所示,λ取值可根据图6确定。

图6 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:

P1=P2

(2)

根据分析得出穿梭车导向轮水平侧向载荷为:

(3)

式中:M为穿梭车自重;G为穿梭车所载货物质量。

2.2 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N应大于水平侧向力F。导向轮的容许负载可按照下式进行计算[2]:

N=K×D×B×η

(4)

式中:K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K就越大;η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B可以根据行走导轨结构提前确定,导向轮直径计算式如下:

(5)

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V计算如下[3]:

V=C×V1

(6)

式中:V1为穿梭车行走轮转速;C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[4-5]。

2.3 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S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S至少大于3 mm,最大间隙应小于5 mm。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1 mm以内,行走导轨材料屈服强度一般要求大于200 MPa,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。

2.4 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。

3 导向轮改进方案

3.1 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7所示。

图7 穿梭车改进导向方案示意图1.导轨 2.行走轮 3.导向轮 4.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U型槽内运行,依靠U型槽的两个垂直面作为导向面,导向轮直径D小于导轨U型槽宽度H。为了保证导向轮能正常转动,导轨和导向轮之间间隙满足:

3 mm≤H-D≤5 mm

(7)

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A90,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U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。

3.2 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20 m,巷道宽度1 040 mm,行走导轨整体安装偏差小于3 mm,对接处水平偏差小于2 mm,对接处间隙小于2 mm,行走导轨挠度变形控制在3 mm以内。

穿梭车行走轮跨度为993 mm,两个行走轮轴距为928 mm,穿梭车负载料箱重量为50 kg,车体自重为97 kg。穿梭车选用导向轮直径为40 mm,导向轮宽度为12 mm,轮子表面包覆聚氨酯材料,硬度为肖氏A90,车体一侧前后两端布置两组导向轮,测试现场如图8所示。

图8 穿梭车导向轮测试现场

穿梭车按照5 m/s的速度和2 m/s2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100 km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40.1 mm变为39.6 mm,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。

4 结 论

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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。