面向冷鏈的四向穿梭車關鍵結構設計與可靠性分析

張洪鵬 王 成 王子豪 劉 振

（濟南大學 機械工程學院，濟南 250022）

冷鏈物資自動化立體倉庫是一種利用高層貨架存儲冷鏈物資的新型倉儲設施。目前，我國智能立體倉庫的建設剛剛起步，體系還不完善，特別是適用于冷鏈倉庫的自動化搬運設備十分匱乏。

PLOEG 等人設計一種新型的四輪自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV），并對其進行系統仿真研究[1]；AMATO 等人對穿梭車的使用進行了優化設計[2]；GUO 等分析了穿梭車自動存取系統的性能[3]；白光利通過調研目前市場冷庫自動化應用案例并通過重點分析四向穿梭車立體庫與堆垛機立體庫，指出自動化立體庫是未來冷庫運營發展的趨勢[4]。

四向穿梭車具有結構簡單、運輸方便的特點，雖然其在煙酒等輕載行業已經得到廣泛應用，但是在冷鏈肉類倉儲等方面的應用中存在不足。冷凍肉類出入庫的頻次高、吞吐量大，因此要求設備有較好的可靠性、疲勞壽命，而目前大多數穿梭車設備無法滿足需要[5]。因此，自主研發適用于冷鏈的智能倉儲四向穿梭車，有利于進一步推動物流行業的發展。

1 傳統四向穿梭車介紹

傳統四向穿梭車的控制系統采用的是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[6]，行走系統采用的是鏈條與鏈輪組合，舉升換向系統采用的是齒輪齒條組合。傳統的四向穿梭車的設計已不符合當下冷鏈倉儲的要求，在機械結構方面主要體現在以下方面。第一，傳統鏈條組合鏈條易松動，漲緊鏈輪易斷裂，導致穿梭車定位不準確且后期維修保養麻煩。第二，齒輪齒條舉升機構僅適用于低載環境，設計中將用于冷鏈肉類食品的出入庫，承載質量達1.5 t，因此亟須一種新的舉升換向機構來代替傳統機構。第三，設計用于-26 ℃冷庫，設備的泊松比和彈性模量等都會改變，因此需合理設計設備結構及低溫驗證。現有傳統四向穿梭車的組成部分如圖1 所示，部分性能指標如表1 所示。

表1 現有四向穿梭車部分性能指標

圖1 現有四向穿梭車

2 四向穿梭車系統設計

設計的新型四向穿梭車的機械系統結構，包括行走機構、換向機構等。在UG 軟件中建立三維模型，并利用ANSYS 軟件進行有限元分析和關鍵部件優化設計。

2.1 X/Y 向行走機構設計

四向穿梭車行走機構的主要作用是讓穿梭車沿著子母軌軌跡直線運動，其設計直接決定穿梭車是否能平穩運行。選用齒輪結構代替傳統鏈輪結構，比鏈輪更穩定，使傳動平穩、清潔、無摩擦和能耗、無油污、防塵防水，可以大幅降低長期維護成本，提高傳輸系統的可靠性。行走機構三維圖如圖2 所示。

圖2 四向穿梭車行走機構三維圖

2.2 舉升換向機構設計

四向穿梭車采用不完全齒輪加凸輪升降換向機構。該機構不僅可以實現穿梭車穿越軌道平穩、快速的方向切換，而且節省換向時間。舉升換向機構如圖3所示。

圖3 四向穿梭車舉升換向機構三維圖

2.3 三維建模與關鍵零部件的有限元分析

四向穿梭機三維模型的整體外觀如圖4 所示。建立四向穿梭車關鍵結構部件的有限元參數模型，基于ANSYS 軟件分析其在-26 ℃的剛強度校核和疲勞，并進行關鍵結構部件的優化設計。

圖4 四向穿梭車整體三維模型

四向穿梭車的升降機構等部件在運行過程中會承受較大的應力，其性能將影響存取貨物的效率和工作的可靠性。采用ANSYS 軟件對設計進行優化，使頂升板等關鍵部件在滿足結構強度和剛度條件的同時，盡可能節省材料、降低成本。優化前后頂板在-26 ℃條件下的最大應力云圖如圖5 所示，優化后頂板總變形圖如圖6 所示。

圖5 頂升板優化前后的最大應力云圖

圖6 頂升板優化前后總變形圖

由設計點可知，該裝置的最小變形為1.657 4 mm，最大變形為3.731 6 mm，最小等效應力為275.33 MPa，最大等效應力為362.42 MPa。為了更好地選取頂升平板的各項數據，需要分析舉升板長D1、寬L1、厚H1與整體變形量和最大等效應力之間的對應關系，其中舉升板的長寬與變形和應力的三維響應面如圖7 所示。

圖7 D1、L1、H1 與變形、應力三維響應面

優化前頂升板所受最大應力為38.5 MPa。經過計算設置優化條件與參數得到頂升板的結構尺寸最優解，優化后的變形為27.2 MPa，優化后的最大變形為2.2 mm。

3 樣機實驗

3.1 性能指標設定

四向穿梭車的性能指標如表2 所示。該四向穿梭車的續航時間為7～8 h，車體高度為140 mm，充電時間為2 h，使用溫度為-26～20 ℃，額定承載質量為1 500 kg。

表2 性能指標

3.2 整車性能測試

通過以上的研究，制作出面向冷鏈立體倉庫的新型四向穿梭車樣機，如圖8 所示。通過樣機試驗驗證四向穿梭車的行走、舉升方案的可行性，并進行可靠性實驗驗證四向穿梭車的可靠性。經多個工作任務與實際測量，驗證該四向穿梭車均滿足各項技術指標，整車在冷庫中運行良好，滿足使用條件。

圖8 四向穿梭車樣機

4 結語

根據目前穿梭車存在的不足，針對四向穿梭車的機械結構，設計了一種新型四向穿梭車，通過實驗驗證該四向穿梭車達到了冷庫運行的基本條件，對于冷鏈立體倉庫的穿梭車結構設計研發具有一定的參考價值。