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浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (10): 1948-1959    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.017
机械与能源工程     
重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化
蒋君侠(),廖海鹏
浙江大学 机械工程学院,浙江 杭州 310027
Stiffness modeling and structure optimization of heavy-duty intelligent stacking equipment
Jun-xia JIANG(),Hai-peng LIAO
School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(2282 KB)   HTML
摘要:

针对重载、高精度、高可靠性、长距离等货物搬运要求,提出重载智能堆垛装备的结构方案.通过对堆垛装备的工作原理及承载受力分析,提出基于V型滚轮接触力计算法的堆垛装备综合刚度求解方法,给出计算实例. 利用有限元方法求解V型导轨的接触刚度及堆垛装备的综合变形量,与理论计算结果进行对比,验证了理论方法的准确性. 通过建立基于刚度最大为优化目标的优化模型,对龙门立柱与三级货叉进行结构优化,得到立柱优化结构以及货叉最优的截面参数. 对堆垛装备进行实机运行及静态承载下的综合挠度检测. 结果表明,优化后的堆垛装备能够满足工程应用的要求.

关键词: 堆垛装备V型导轨刚度建模有限元分析(FEA)结构优化    
Abstract:

The structure scheme of heavy-duty intelligent stacking equipment was proposed aiming at the goods handling requirements of heavy duty, high precision, high reliability and long distance. The calculation method of the comprehensive stiffness of stacking equipment based on the calculation method of the contact force of V-type roller was proposed through the analysis of working principle and bearing force of stacking equipment. A calculation example of stacking equipment was given. The finite element method was used to solve contact stiffness of V-type guide rail and comprehensive deformation of stacking equipment compared with the theoretical calculation results. The accuracy of the theoretical method was verified. The structure of the gantry column and the three-level cargo fork was optimized by establishing optimization models for maximizing stiffness as optimization objective. The optimal structure of the column and the optimal section parameters of fork were obtained. The actual operation of stacking equipment was conducted, and its comprehensive deflections under static loads were tested. Results show that the optimized stacking equipment can meet the requirements of engineering applications.

Key words: stacking equipment    V-type guide rail    stiffness modeling    finite element analysis (FEA)    structure optimization
收稿日期: 2020-12-05 出版日期: 2021-10-27
CLC:  TH 246  
作者简介: 蒋君侠(1968—),男,研究员,博导,从事智能装备结构创新设计与开发、飞机数字化装配的研究. orcid.org/0000-0001-7920-8282. E-mail: jiangjx@zju.edu.cn
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蒋君侠
廖海鹏

引用本文:

蒋君侠,廖海鹏. 重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(10): 1948-1959.

Jun-xia JIANG,Hai-peng LIAO. Stiffness modeling and structure optimization of heavy-duty intelligent stacking equipment. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(10): 1948-1959.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.017        https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I10/1948

图 1  堆垛装备的总体结构
图 2  三级货叉伸缩原理图
图 3  堆垛装备的工作原理
图 4  刚度建模流程图
图 5  堆垛装备的力学模型
图 6  V型滚轮组安装示意图
图 7  稳定状态下V型滚轮受力
图 8  倾覆状态下V型滚轮受力
图 9  龙门立柱的受力分析
图 10  三级货叉受力分析
图 11  综合挠度的计算
组件 材料 ρ /(g·cm?3 E /GPa ν
货叉、底座 不锈钢 7.75 193 0.31
立柱、底板 Q345 7.85 206 0.28
滚轮、导轨 轴承钢 7.81 206 0.30
表 1  堆垛装备的材料属性
部件 i mi /kg zi /mm
底板 1 630 0
龙门立柱 2 1040 ?130
货叉支架 3 350 ?200
货叉 4 180 850
货物 5 800 1700
表 2  堆垛装备的组件参数
参数 数值 参数 数值
I1 9.45×105 mm4 b 400
I2 1.71×106 mm4 c 200
I3 5.21×105 mm4 d 400
a 600 e 600
表 3  三级货叉的结构参数
V型导轨 龙门立柱 三级货叉
α/rad δq/mm β/rad u/mm θ/rad w/mm
5.25×10?6 0.005 2.6×10?4 0.416 1.5×10?2 12.818
表 4  转角与挠度的计算结果
图 12  V型滚轮的计算模型
滚轮编号 Fx /N Fy /N Fz /N F /N
1 2 148 5 431 1 397 6 005
2 1 253 4 385 ?850 4 639
3 ?2 752 3 579 1 509 4 760
4 2 038 6 143 967 6 544
5 1 351 6 854 3 530 7 827
表 5  内侧滚轮的计算结果
图 13  稳定与倾覆状态下的刚度曲线
图 14  装备总变形量的求解结果
方向 dT /mm dF /mm Ed /%
y 13.297 13.924 4.7
z 0.426 0.463 8.7
表 6  800 kg货物质量下堆垛装备综合刚度的对比
图 15  龙门立柱的初步结构
图 16  拓扑优化结果与优化后的模型
状态 dco /mm σco /MPa mco /kg
优化前 0.765 104.682 856.4
优化后 0.794 117.406 749.4
表 7  立柱优化前、后的计算结果对比
图 17  货叉参数优化
图 18  货叉的初步结构
变量 名称 当前取值 取值下限 取值上限
D1 上叉宽 160 150 170
D2 上叉高 55 50 60
D3 中叉宽 140 130 150
D4 中叉高 55 50 60
表 8  设计变量的参数设置
图 19  货叉参数的灵敏度分析
方案序号 D1/mm D2/mm D3/mm D4/mm da/mm σre/MPa mf1/kg mf2/kg
1 160 55 140 55 20.18 196.59 19.63 34.77
2 150.26 54.09 130.55 58.44 18.88 178.45 18.72 33.96
3 151.24 56.97 131.27 59.85 17.21 182.97 19.25 34.25
4 151.49 57.21 130.37 52.82 18.27 179.27 19.30 33.14
5 151 57 131 60 17.43 189.26 19.21 34.51
表 9  参考点计算结果的对比
步骤 dy /mm dz /mm da /mm
优化前 24.859 0.965 24.934
优化后 18.860 0.841 18.968
表 10  堆垛装备优化前、后综合刚度的对比
图 20  堆垛装备测试现场原理
图 21  Leica激光跟踪仪及靶标
m5 /kg dvt /mm dvf /mm dte /mm
100 1.351 1.404 1.712
300 4.053 4.211 4.441
500 6.754 7.020 7.227
800 10.805 11.231 11.335
表 11  货叉垂向挠度的对比
图 22  垂向综合挠度的对比
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