張紅衛(wèi)，趙克欽，劉鳳嘉

（1.常州信息職業(yè)技術學院智能裝備學院，江蘇常州，213164；2.江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫，214122）

0 引言

隨著現(xiàn)代物流生產(chǎn)的自動化、智慧化的發(fā)展，對于貨物的搬運周轉(zhuǎn)要求越來越高。傳統(tǒng)的人工物料分揀搬運已無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，而AGV小車的加入有效地緩解了這一狀況，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)和搬運更加便捷迅速，AGV自動導引車被廣泛應用于各種類型的倉庫和車間[1]。

目前國內(nèi)AGV大多應用在輕載、小體積貨物的搬運，運載質(zhì)量多在3噸以下，對重載AGV設計理論和方法研究開展并不不多[2]。盡管已有一些研究者采用有限元分析方法對重載AGV車架進行過模態(tài)分析和強度校核[3]。但對重載AGV夾取裝置門架結(jié)構的模態(tài)分析和強度剛度校核方面的研究并不多。

基于上述原因，本文對承載量為5噸的AGV門架結(jié)構進行有限元建模分析，對AGV門架的結(jié)構設計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

1 重載AGV門架設計方案

1.1 設計要求

設計參數(shù)要求：額定載重量：5000kg;舉升高度：0～7200mm；最大提升速度 ：20mm/s；行走速度 ：0～60m/min。

1.2 門架的設計建模

一般來說，門架有三種級別，如圖1所示。本文需要將5噸紙卷提高至7.2米，因此選用三級門架更加適宜。三級門架由三個門架、兩個液壓缸和板式鏈等組成。首先，三個門架嵌套，在門架內(nèi)靠近外門架立柱兩邊分別裝有長行程活塞液壓缸，液壓缸底部與外門架下方的橫板連接，液壓缸頂部連接到中門架的上橫梁處，中門架上橫梁處還裝有槽輪，板式鏈一段連接到外門架的橫梁處，繞過槽輪，另一端連接到內(nèi)門架的下方，在外門架上橫梁上裝有激光導航器。工作時，液壓缸推動中門架上升，同時板式鏈帶動內(nèi)門架上升，由此達到提升功能。

圖1

門架主要由縱向支撐架和橫梁連接組合而成。根據(jù)門架的結(jié)構強度和門架機構的加工要求，門架的材料可以選為65Mn鋼。

門架有四種常見的組合方式，包括CC重疊型和CC、CJ、CL并列型，如圖2所示。其中，CC重疊型雖然節(jié)省了空間[4]，但是這樣組合導致能夠安裝的滾輪不夠大，門架滑移時不穩(wěn)定。而CC并列型結(jié)構簡單，便于安裝維修；但是門架立柱截面相同導致支撐整體寬度較大，導向不穩(wěn)定。CJ型和CL型組合的內(nèi)門架抗彎模量比CC并列型的抗彎模量大，且便于安裝滾輪，提高了門架的導向和支撐作用，CL并列型和CJ并列型是改良型，減小了滾輪的壓力，改善了受力情況，是現(xiàn)有門架立柱截面最合理的組合形式，考慮到滾輪的安裝和參考常用叉車式AGV的門架結(jié)構，選用CL并列型作為本次設計的門架。

圖2

門架與門架之間裝有滾輪，有兩種方式，一種是在同時獨立裝有主滾輪和側(cè)滾輪，要保證主滾輪和側(cè)滾輪之間有一定距離，門架強度足夠，這使得整個門架的升降位移空間受到限制，不便于安裝和維護。另一種是安裝復合滾輪軸承，如圖3所示，復合滾輪軸承將主滾輪和側(cè)滾輪很好的結(jié)合在一起，極大地節(jié)省了內(nèi)部空間，這種方式要優(yōu)于上一種方式，在軸頭上打孔，通過螺釘連接在門架上，定位精度高，結(jié)構緊湊，安全性好。外門架上方內(nèi)部，中門架上方內(nèi)部和下方外部以及內(nèi)門架下方外部都裝上復合滾輪軸承。

圖3 復合滾輪軸承三維圖

鏈條承載能力強，可以帶動內(nèi)門架和夾抱機構上下運動，并支撐物料的重量。在本裝置中，紙卷和夾抱機構重量大于5噸，選擇板式鏈來承載重量更加適宜，在中門架兩側(cè)靠內(nèi)處同時放置鏈條和滑輪，內(nèi)門架和夾抱部分的慣性力Fg1=580N，單根鏈條承受的力為：

式中s:板式鏈的安全系數(shù)，s=4；

Gc:內(nèi)門架和夾抱部分的質(zhì)量，Gc=800kg；

g:重力加速度，取g=9.8m/s2。

查GB/T 6074-2006，選用LH1634型號的3×4組合的板式鏈，抗拉強度為129kN，如圖4所示。

圖4 板式鏈三維圖

最終設計完成的AGV小車通過外門架、中門架和內(nèi)門架的相互嵌套，并且采用液壓缸托舉門架，板式鏈連接門架，完成高度的升降作業(yè)。

2 重載AGV門架強度和剛度校核

在CREO軟件對門架進行有限元分析[5]，將簡化的門架裝配，使得門架組合狀態(tài)是門架提升到額定高度的狀態(tài)，此時，門架的受力狀態(tài)比較危險，選擇門架材料：彈性模量E=2.1×105Mpa，密度 ρ=7800kg/m3，泊松比 μ=0.3。對模型進行2D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為3mm，劃分完成后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，然后對模型進行分析，最終得到的受力情況圖如圖5所示。

圖5 門架受力圖

將紙卷對門架產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)換成一對力偶的作用，大小為41527.02N；內(nèi)門架下橫梁處受到板式鏈的拉力和慣性力，大小為57420N；中門架橫梁下與槽輪連接的部分總共承受兩倍板式鏈的拉力，方向向下，總共為114840N；外門架的上橫梁處受到板式鏈的拉力，也是57420N；門架自身重力，取g為9800mm/s2。此外，外門架下方伸出的圓筒與車體相連，固定了位置，外車架底部置于車體底盤上。然后，建立靜態(tài)分析，計算結(jié)束后，門架應力圖和位移圖如圖6所示。

圖6

由圖4-5和圖4-6可以看出，門架最大載荷在內(nèi)門架與中門架連接處，最大載荷為431.73MPa，門架材料為25MnV，屈服強度σsσs86MPa[6]，安全系數(shù)大于2時，門架的許用應力小于443MPa，大于最大載荷，滿足要求。最大位移為14.82mm，在內(nèi)門架上方，符合要求。

3 重載AGV門架模態(tài)分析

重載AGV了受到路面激勵的影響，可能導致小車的關鍵機構的固有頻率與外部激勵的頻率相同，引起共振，繼而造成AGV小車的扭轉(zhuǎn)或彎曲變形，使小車產(chǎn)生疲勞損傷、斷裂等結(jié)構破壞，減少夾抱式AGV自動引導車的使用壽命。因此，有必要對夾抱式AGV的關鍵結(jié)構進行模態(tài)分析。

重載AGV在正常行駛過程中，速度為1m/s，路面產(chǎn)生的激勵為：

式中λ：路面的波長。

不同的路面波長不一樣，將路面主要分為三種，由公式2計算可得，路面激勵產(chǎn)生的頻率如表1所示。

表1 不同路況波長及頻率

對夾抱式AGV自動引導車進行模態(tài)分析，前幾步與有限元分析相同，完成網(wǎng)格劃分，施加載荷和約束，建立模態(tài)分析，進行計算，得出門架的前六階振型如圖7所示。

圖7

門架的前六階振動頻率如表2所示。

表2 門架前六階振動頻率

由表1和表2對比可得，路面激勵產(chǎn)生的頻率與重載AGV正常行駛時門架產(chǎn)生的頻率不相同，不會產(chǎn)生共振，影響不大。但是要避免重載AGV長期在7～25Hz頻率的激勵下工作，會引起共振。

4 結(jié)語

為了驗證設計的合理性，利用CREO對設計的重載AGV門架進行建模設計并進行強度校核，最大載荷小于門架材料的許用應力，結(jié)果表明設計的車架符合強度和剛度要求。對門架進行模態(tài)分析，門架不會與路面激勵產(chǎn)生共振。