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压入式货架结构设计与分析

编辑:南京维达物流设备有限公司时间:2019-07-20

压入式货架又名后推式货架,是由托盘单元化横梁式货架结构演变而成的主流货架存储结构体系之一,主要由货架立柱结构与横梁组件、托盘运动小车、轮轨结构、安全防护结构部件等组成,如图一,即以横梁式货架结构作为压入式货架的主体承载支撑结构体,并依据货架横梁的不同层高结构要求设计前梁、中间横梁、后梁等梁柱连接节点结构,再根据轨道梁下的支撑梁布局、托盘单元荷载及尺寸、托盘运动小车结构等合理选型及布置一定间距的特制轨道梁,轨道梁上再叠放或前后相接的多层托盘运动小车或托盘存储单元,配置合理的安全防护结构部件构成完整的压入式货架结构体系;其中货架梁柱结构为本存储系统的荷载支撑骨架体,托盘运动小车及其轮轨结构实现装载单元出入相应货位的运动,实现储位的动态化作业及管理;托盘运动小车的特制轮及轮缘结构作用在轨道梁面上,既起到装载单元的荷载支撑作用,又实现装载单元动态化作业的自控制运动导向,为先进后出存储作业管理模式;适用于单元规整的、出入库批次大、少品种的装载单元存储形式,压入式货架空间存储利用率很高,存取作业灵活方便,常用于冷库、密集存储中心等存储空间成本较高的场合,也是客户进行库房密集化存储改造时的优选主流货架形式之一。

装载托盘单元存储时,利用叉车或其他搬运设备依次把装载单元分层次和步序置于各托盘运动小车上,后储存的装载单元会利用叉车或搬运设备的水平推力将前置装载单元及托盘运动小车沿其轮轨推移进去一个托盘单元存储位,实现货架储位暂存,依次可实现货架储位满载状态;当操作端装载单元取走时,随后的托盘运动小车将失去前挡货物或托盘运动小车的阻碍,其本体及装载单元自重形成的运动分力将克服轮轨间的滚动静摩擦力和导向阻力沿着有一定下倾角的轨道梁自由缓慢下移,后装载存储单元将逐步随托盘运动小车返回到货架前一个储位暂存区,同理可依次取出装载存储单元,以实现多托盘货物单元在货架操作端的出入货存储作业,为先进后出的存储模式,如图二、图三中的示意工作模式:

压入式货架的结构特点及托盘运动小车的运动特性

货架主体梁柱结构设计与选型:考虑装载单元或其它搬运设备的运动荷载作用与影响,转化为等效静力附加荷载及矩作用,综合装载单元的静力荷载,实现货架结构体的再设计与选型;压入式货架结构中由于轨道梁存在一定的坡度设计,装载单元及托盘运动小车的重力影响比较明显,存在一定的垂直分力与水平分力下的不同作用与影响,其前梁、中间梁及后梁上表面设计高度依据该前倾角度合理布置,以确保每层横梁能均匀承担来自于托盘运动小车及其装载单元上传递来的重力、运动振动荷载、停车撞击力、叉车或搬运设备的操作推力和其它影响,对于较大存储单元,梁结构单元相对比较长,既要考虑梁柱节点、梁结构单元的承载稳定性,还要校核梁柱节点、梁结构单元的水平等效荷载作用下的侧向稳定性,这也是区别于其它类型货架梁柱结构设计与选型的主要力系影响参数。

压入式货架的总深度不宜过深,否则需要分析存储空间损失率及货物存储效率影响,一般控制在4个托盘位深度以内比较经济实用;由于托盘运动小车的叠放原理会损失存储空间高度,托盘运动小车的结构设计也局限于支撑腿部高度的强度与稳定性要求,又要考虑装载单元在托盘运动小车上的重心高度、重心位置及托盘运动小车的运动特性等因素,重心过高,托盘运动小车支撑轮上的荷载不均匀性比较明显,装载单元的运动平稳性变差,对装载单元的包装、堆放及搬运的要求都会严苛很多,由于托盘运动小车的叠放原理,首尾托盘运动小车的前后支腿尺寸将占据一定的空间,让最后的托盘运动小车的承载中心前移,稳定承载的投影面积变小,对装载单元的搬运存储作业过程的稳定及其安全性要求也会严苛很多,且附属结构的安全性部件的强度设计与结构稳定性校核也显得尤为重要,如托盘运动小车的防掉落机构、防脱轨止挡块或背挡杆、存储作业过程的防倾覆结构设计等,避免装载单元的重量分布不均匀或运动负荷不均匀等偏载情况下不发生倾覆事故,以确保托盘运动小车在存储作业过程中的平稳性与安全性。考虑到大多数存储单托货物重量的范围,单托货物(装载单元)重量一般控制在1500kg以内,在前梁设计有减震前后挡件,以确保托盘运动小车能有效停稳不脱轨,同时有效降低托盘运动小车下移运动中的急停作用而形成的货物冲滑、掉落事故等,可有效降低对前梁造成的水平冲击荷载作用,提高前梁的承载及抗侧弯稳定性。托盘运动小车为四轮运动机构,考虑到“三点成面”原理,要确保四轮在轨道梁上的有效受力面作用及四轮运动的平稳性,对托盘运动小车的生产制造及其装配调试的精度要求、对装载单元的托盘变形控制量及其对装载单元尺寸与托盘运动小车的匹配性、对导轨梁的直线度和扭曲度要求等都比常规货架结构部件的制造精度高,尤其是运动装配精度和运动调试精度对托盘运动小车的平稳运行影响极大。

在托盘运动小车的腿部运动轴承外套轴套结构,轴套上设计有特殊结构的轮缘,且轮缘高度要确保合适,类似高铁车轮设计外形与结构;建议针对重载项目的结构设计中辅以侧向导正轮缘设计,以有效防止托盘运动小车的侧滑、脱轨、导正导向及运动摆动、“卡车”事故等现象,轴套结构上车轮踏面外形设计可采用过渡圆弧形面,将轮套踏面制成与轨道梁顶、侧面基本吻合的曲线形状,并考虑装配间隙和变形量的补偿,从而有效保证运行的平顺性,改善轮轨运动作用面的曲线补偿,有效避免左右侧轴套轮的半径制造偏差、轮轨游动间隙、轮轨变形等因素造成的蛇行运动轨迹补偿和导向运动游动间隙补偿等。

托盘运动小车的轴承是压入式货架的灵魂之一,既要满足一定动、静荷载设计要求,也要满足一定的使用环境要求,如灰尘、温湿度等,灰尘会影响到设计寿命的长短,轴承内存在一定的润滑油脂,不同的温度条件下润滑油脂的粘度存在一定的差异性,它直接影响到轴承的运动摩擦特性,关系到压入式货架能否顺畅滑动,需要根据库房存储温湿度条件、客户的特殊要求等进行客制化设计与服务,如低温冷库环境下的润滑油脂的选择对托盘运动小车的运动特性影响很明显。

压入式货架的设计依据

压入式钢货架结构的型式、尺寸、连接、构造应根据存储货物单元的类别、数量、尺寸、重量、存取频率以及储运设备的种类、型式、性能和控制方式等使用要求,经综合比较、分析确定。压入式钢货架结构的高度可结合存储总量要求、库房可规划存储高度、配置的叉车或其他搬运机械的提升能力等确定;结构的巷道宽度应根据叉车、堆垛机或其他储运设备的正常运行及操作要求确定,其基本设计依据如下:

(1)存储物单元化:是压入式货架的结构尺寸、承载能力、结构稳定性与存储操作方式等的设计依据,即储存物品的外形及尺寸,直接关系到选用标准托盘的深度与可选用规格,并依据托盘规格及其与立柱的单边间隙不小于75mm等要求设计出压入式货架的货格尺寸、托盘运动小车的配套规格及进深数等设计参数;储存物品的单重则决定了托盘运动小车的结构强度及稳定性校核与设计要求、托盘运动小车支撑轴承的选型、轨道梁规格及货架梁柱规格设计计算与校核等;储存物品的重量分布均匀性则决定了压入式货架结构部件变形的不均匀性,极大地增加了货架结构设计计算的难度和不确定性,也会让整体结构的经济性下降。

(2)托盘运动小车与轨道梁的运动匹配性:合理的轮轨配合面与运动接触面是托盘运动小车运动特性分析与设计的基础,轨道梁设计总长≥托盘总深度+250mm,且在轨道梁的前后端头设计有前挡块或后挡块,以限制托盘运动小车的运动行程,确保物品存储操作过程的安全性和运动平稳性、导向性;

(3)库房结构及其基础:考虑库房的消防设施、照明设施、作业流程工序及可操作利用的存储空间及货架结构里横梁的有效高度,以决定压入式货架的结构高度与布局、出入库操作作业的合理性及存储设备的配套选型等;其中库房的梁柱位置会影响压入式货架的总体布局与总存储货位数,库房地面基础承载力、地面的平整度等会对压入式货架的设计与布局规划、安装调整等造成一定的影响。

(4)存取合理性:一般存取性与储存密度是相对的,为了得到较高的储存密度,则必须相对牺牲物品的存取性,压入式货架结构主体确定后,需要结合其结构存储操作的工艺性、安全性、储存密度、储位管理等要求,合理配置搬运设备和作业通道及其通道安全配置部件、作业区域及功能区域,以优化方案和存储作业模式,也需要合理调整轨道梁的前倾角的设计,提高存储作业的合理性与操作效率。

(5)搬运设备:货品的存取作业是以搬运设备来完成,尤其是压入式货架中需要利用搬运设备的水平推力实现托盘运动小车的推进作业,需要考虑搬运设备的运动限位和安全提示,搬运设备的配置合理性会直接影响压入式货架的使用效率与使用效益。

(6)出入库总量与作业效率:压入式货架的出入库量及作业效率并不高,适合于低频率的作业,可结合其他形式的货架结构及作业区域管理、储位管理等措施来解决部分出入库频次高的物品,以综合评价指标来合理规划库区的存储结构与规划布局。

压入式货架的力学模型简化与计算

(1)托盘运动小车的轮轴设计:该轴为非动力驱动轴,分列于托盘运动小车的两侧,且中间无通根轴相连,与托盘运动小车车体框架可形成门式刚架结构,故轮轴可简化为刚性悬臂梁结构校核模型,运动轮传递的荷载正压力位于轮的中心,该中心到托盘运动小车的两侧支腿处的距离为轮上反作用的作用力臂,并产生相应的弯扭矩作用,其中支腿的结构强度设计必须满足轮上反作用力所产生的轴力支撑强度及其附加抗弯刚度,由于支腿结构的高宽比接近1,且支腿上部与托盘运动小车整体框架焊接相连,支腿的刚度、稳定性削减量不大,可忽略;考虑到轮轴的运动特性,考虑动荷载作用系数的情况下设计的支腿结构要能满足实际荷载作用下的设计要求,根据托盘运动小车上的装载单元重量及其自重,利用刚性悬臂梁集中力作用下的力学校核模型,可按弯曲及扭转合成强度进行轮轴的强度计算与校核,其中运动扭矩


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