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1、 1 第十五章 自动化立体仓库巷道堆垛机结构 第一节 自动化仓库系统简介 自动化仓库系统(AS/RSAutomated Storage and Retrieval System)是在不直接进行人工处理的情况下能自动地存储和取出物料的系统。如图151所示。 图15- 1 自动化仓库平面布置示意图 它主要包括: A 货架。立体多层式，用于存放货箱（单元）。 Bi 巷道堆垛机。 在货架巷道内任何货位能自动存入和取出货物。i为巷道堆垛机台数。 Cj 出入库系统。联结货架巷道口和出入库台口的货物输送及缓冲调节设备。j为独立的链、辊段数。 Dk AGV（自动地面搬运车辆）或其它地面搬运车辆。用于联结出入库
2、台口和仓库外部运输车辆（或自动运输线）的货物搬运和装卸。为搬运车台数。 E管理控制中心。包括整个仓库的信息、数据处理的管理计算机、监控终端、货物形状重量检测显示、条形码阅读设备及有关主要电气控制操作台等。 第二节 巷道堆垛机 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2 巷道堆垛机是立体仓库中用于搬运和存取货物的主要设备。是随立体仓库的使用而发展起来的专用起重机。巷道堆垛机起重量一般不超过2吨，特殊情况可达45吨， 起升高度最高到40米， 大多数在20米左右， 堆垛机正常的作业过程是：在高层货架区的巷道内沿纵向往返运行（运行机构），载货台沿立柱高度方向升降（起升卷绕机构
3、），货叉从巷道横向伸入货格或缩回（货叉伸缩机构）。堆垛机由以上三个机构运行，可以从巷道口到巷道内两侧任何一个货格位置完成货物的存取作业。因此，堆垛机具有整机结构高而窄，其金属结构设计时强度、刚度及稳定性均有很高要求的特点。另外依据结构形式可分为单立柱和双立柱两种类型。如图152所示。 图152 堆垛机结构简图 (a) 单立柱形式；(b)双立柱形式。 第三节 单立柱巷道堆垛机结构计算 目前多数立体仓库采用的是单立柱结构的巷道堆垛机，如图153所示。它的优点是构造简单，横向尺寸紧凑，巷道宽度可以小，而且围绕立柱可以选用不同载货台。它的缺点是受力情况比较复杂，特别是在大型立体仓库里，立柱高达20米以
4、上， 载货重量达1500公斤， 立柱难以保证具有足够的强度、 刚度和稳定性。下面应用极限状态法，按照钢结构设计新规范的有关规定，对堆垛机结构进行强PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 3 度、刚度和稳定性分析计算，为有关设计计算提供理论依据。 1、 结构计算简图 （1） 外载荷计算 巷道堆垛机沿巷道内的地面轨道运行，视为Y轴向运行，立柱上的载货台沿导轨升降，视为Z轴向运行；载货台的货叉对巷道两边货架进行存取作业，视为X轴向运行。图153是堆垛机正常作业的示意图。 图153 单立柱堆垛机结构示意图 1- 立柱; 2-货叉机构; 3-载货台; 4-导轨; 5-地面轨道;
5、 6-提升机构; 7-钢丝绳; 8-滑轮; 9-上部导轨。 当载荷处于最高位置时，立柱的受力状况最为不利，这时各部分的载荷位置及尺寸示于图154。参看图154，由力学平衡条件可求得载货台滚轮对立柱导轨的作业力和提升总拉力。 图中 Q 额定起重量（kN）； Gt 载货台自重（kN）； Gs包括司机体重在内的司机室自重（kN）； Gc货叉机构自重（kN）； PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 4 图154 载货台受力分析简图 cG伸出部分货叉自重（kN）； L1、L2、L3、L0、Ls、e各种载荷作用位置（mm）； Pz 、Pc 分别为导轨对正滚轮和侧滚轮的反作用力（
6、kN）； T提升总拉力（kN）。 载货台滚轮压力 由图154(a)，= 0M ，得正滚轮压力 )(1 321TeLGLGLGQLPstc sz+= （151） 由图154(b)，= 0M， 得侧滚轮压力 0)(1LGQLPc sc+= （152） 总提升力 由图154(a)，= 0xF， 得 stcGGGQT+= （153） 立柱顶部作用力 利用图155表示堆垛机载货台提升卷绕系统的力学简图，由此确定立柱顶部上横梁上的作用力F，即立柱的轴向压力。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 5 图155 提升卷扬系统力学简图 (a) 起升载荷 )(22stcGGGQTW+
7、= （154） 式中 2动力系数，一般可取2=1.051.1。 (b) 滚动摩擦力 fPPFczf+=)(2 （155） 式中 f 滚动摩擦系数，钢制滚轮取f =0.08。 (c) 提升绳张力 )()( mFWSf+= （156） 式中 m绕绳倍率，图中m2； 提升系统效率，可取0.980.99。 (d) 立柱顶部压力 lhGGSF+= 3 （157） 式中 hG、lG分别为顶部滑轮与上横梁的自重。 通过以上分析可知，立体在两个平面内分别承受外载荷作用，对立柱进行受力分析亦应分两个平面考虑。 （2） 沿巷道纵向平面（即YOZ平面） YOZ平面内计算简图 当载货台满载位于最高位置，以最大加（减）
8、速度起（制）动，立柱受力处于最不利情况。 此时的YOZ平面结构计算简图如图156。 图中H和B分别为堆垛机总高与走轮间距；PH为水平惯性力，h为上滚轮距立柱顶端的距离，b1和b2分别为立柱截面X方向中性轴到下横梁两支点（车轮中心线）的距离。图中的轴向压力FPDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 6 可用式（157）计算，立柱横向力矩用下式计算： szzLPM= （158） 以公式（15-1）代入上式，则 TeLGLGLGQMstcz+=321)( （159） 立柱横向力HP用下式计算 weHaSmP = （1510） 式中 a最大加（减）速度(m/s2)； me 由各
9、部分质量换算得出的等效质量(kg),按下式计算： 式中 ml 、mh 、mt 、mts 、mlz分别为上部横梁质量、滑轮质量、包括货物在内的载货台总质量、提升机构质量和立柱均布质量。 Sw 立柱振动系数，1cos=tSnw, Sw的最大绝对值取2。 其中 n 立柱振动圆频率。 弯矩放大系数 由图156可见，在YOZ平面内，立柱承受轴向压力F、横向力PH 和横向力矩Mz的共同作用，是压弯构件，它可以简化认为：轴向压力始终平行于Z轴，并在顶端作用有弯矩，因而立柱弯曲变形可用图157表示。图中f0 是由横向载荷PH与Mz 的作用在顶端产生的挠度。在轴向力F的作用下，挠度由f0 增大为f，根据弹性分析
10、和有关公式： )1 (0 =ff （1511） 式中 kFF=, Fk 是立柱中心受压的临界载荷。)1 (1称为挠度放大系数。 ()lztsthlemmHHmHhHmmm412 12 + +=PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 7 图156 YOZ平面内结构受力简图 图 15-7 结构挠曲变形示意图 由图157，立柱任意截面Z的弯矩为： zHMzHPyfFzM+=)()()( （1512） 令 zHxMzHPzM+=)()( （1513） 并称)(zMx为横向弯矩，则有 )()()(zMyfFzMx+= （1514） 在式（15-13）、（15-14）中，当z=0
11、，y=0，立柱根部有最大弯矩： （1515） 式中 kxk mFF MfF +=110，称为等效弯矩系数，它和横向载荷作用方式有关； )1 (=m x称为弯矩放大系数。 对于图157所示结构，0 . 1=m，则 ()xxxmxkxxxxxxyMM MfFMMFfMFfMFfMM= += +=+=+=111111100000maxPDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 8 )1 (1=x（15-16） 立柱结构临界载荷 参看图158，当立柱顶端作用有临界力Fk ，产生侧位移时，下端由于下横梁的抗弯刚度阻碍其自由产生转角,因此下横梁是立柱的弹性支座,弹性转角为,kF11=
12、是支座截面上作用单位载荷( 1=m)时引起的弹性变形。 根据压杆稳定计算的基本假定,从图158可得立柱任意截面(图示的Z截面)上的力学平衡方程: )()(yFzMk= 平衡微分方程 22nyny=+ 式中 )(12xkEIFn = 通解 +=)sin()cos(nsBnsAy 边界条件 z=0处 y=0 ,得 A+=0 z=0处 kFy11=，得 012 1111=xkEInnBFnB z=H处 y=，得 Acos(nH)+Bsin(nH)=0 以表示求解以A、B、为未知数的三元一次方程组的系数行列式，该方程组是由边界条件确定的。即 由0可得到两种情况，() AB0，它对原微分方程无意义； (
13、) A、B、有无穷多解。我们确定临界载荷时需求其最小值或称本征值。 展开后整理得 () xnEInHtg 1111 =（1517） 变化公式（15-17）得 ()()0 0sincos01011211= nHnHEInnxPDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 9 ()nHEIHnHtgx1111=令=nH，则 或写成 （1518） 图158 立柱临界载荷作用示意图 为了确定11值， 先计算下横梁和立柱连接处截面产生单位转角的力矩。 根据位移法，由于节点单位位移引起的附加约束反力矩11r（见图158b）等于节点各杆由于单位位移产生的杆端弯矩之和（见图158c）。图中i1、i2分别表示两段下横梁的线性刚度，即 12 1bEIix=； 22 2bEIix= 则：
