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后推式货架结构设计与分析—亚尚仓储

更新日期:2017-05-11 09:40:59  浏览次数:558次  作者:admin  【打印此页】  【关闭

    后推式货架又名压入式货架,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后推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后推式货架结构体系;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,后推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最大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:

  后推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;后推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。  
  后推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后推式货架的灵魂之一,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,关系到后推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。

  后推式货架的设计依据

  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:是后推式货架的结构尺寸、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等要求设计出后推式货架的货格尺寸、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后推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最高横梁的有效高度,以决定后推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后推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后推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,后推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,尤其是后推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后推式货架的使用效率与使用效益。
  (6)出入库总量与作业效率:后推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。

  后推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,其中运动扭矩可考虑重力分力作用下可形成的最大运动速度到撞击止挡块停止的速度变化换算获得,轮轴可选用45钢调质处理,根据整个托盘运动小车的受力分析,获得相应轴的剪力图、弯矩图和扭矩图,再合理选择与校核轴径大小与强度,轴端挠度变形控制值不宜大于轴长/300,圆整轮轴尺寸,然后根据轮上反作用力的大小合理选择相应轴承的动、静荷载设计值,并合理选择选配轴承规格。
  (2)轨道梁设计:根据托盘运动小车的轮距尺寸、荷载大小与位置,确定托盘运动小车的支撑轮作用在轨道梁上的集中荷载作用点及轨道梁下横梁支撑作用点,确定合理的支撑轮轴套宽度,构成轨道梁的受力作用模型,把轨道梁看作为梁结构单元,考虑托盘运动小车上的荷载不均匀系数,可校核轨道梁截面上的等效静力强度、刚度及稳定性设计指标的满足性,合理选择后推式货架的配合托盘运动小车的轮运动的系列轨道梁;再根据轨道梁的位置和作用荷载的大小、方向和作用点,简化货架主体结构的力学模型,选择并校核货架结构的立柱、横梁等主体规格参数,配置合适的其它附件,满足客制化的设计与规划。
 
  (3)后推式货架设计:后推式货架的装载单元在一定程度上又是运动单元,由于单体托盘运动小车的运动速度低,所产生的运动附加动能小,可等效为结构内力小作用扰动,对整个货架体系结构影响较小,在后推式货架结构的梁柱选型与结构计算中可以忽略其运动特性造成的影响,仍然依据等效静荷载特性建立相应的结构校核力学简化计算模型,后推式货架的主体货架结构仍然是主流的梁柱结构,即货架结构单元上的所有装载荷载均通过横梁与立柱的连接节点所传递的支座反力相互作用转化为货架立柱的轴心荷载作用,在梁柱节点局部的力学破坏形态比较复杂,多采用试验模拟或有限元模型分析,立柱选型及理论计算原理可参考相关货架设计规范或各企业成熟的重型托盘式货架结构选型表;考虑来自轨道梁上作用于后推式货架结构横梁上的力与力矩,并做等效集中荷载处理梁跨中挠度叠加,可按简支梁力学模型设计计算横梁结构,其中后推式货架横梁的设计校核需要依据轨道梁在横梁上的位置点处理集中力作用效应,并考虑设计装载单元荷载的50%的组合作用,来计算横梁的叠加跨中挠度及横梁两端的支座反力,可不计竖向冲击荷载的影响,横梁的最大跨中挠度不宜大于其跨度的1/200,而特殊案例需要根据客户存储货物的价值和安全要求提出;叉车操作端对于托盘运动小车有一定的水平作用力并传递到货架结构体上,货架结构的设计与选型时需要考虑该水平力作用的特殊性,立柱应与基础锚固牢靠并确保能抵消水平力作用的影响。

  (4)托盘运动小车的轮轨设计:最后再重点考虑和设计合适的运动轮套和轮套轮缘外过渡轮廓的形状、配套的轨道梁边缘的过渡弧,以实现合理的轮轨配合面与运动接触面,实现托盘运动小车的自导正作用,市面上有很多的后推式货架结构仅仅采用圆柱形轮套踏面或者轴承面与轨道梁面接触,或再靠侧向导向轮来进行托盘运动小车的运动导向是不完善的结构设计原理,事实上也很难确保托盘运动小车的运动导正,建议采用锥度轮套踏面或结合侧向辅助导向轮可以较好地解决托盘运动小车的生产制造、安装调试与托盘运动小车的运动轨迹的自修正之间的矛盾,当托盘运动小车偏向轨道梁一侧时,对称锥度接触面造就左右轮套滚动半径、滚动轨迹线的不同,托盘运动小车仍能返回轨道梁中心,但仍存在托盘轴套接触运动轨迹蛇行的现象,也存在轮套与轨道梁接触面小的缺陷,最好能实现轮轨轮廓形状的过渡配合轮廓和不同受力作用变形、装配间隙等因素来修正支撑轮轮廓形状,既能确保托盘运动小车两侧的轮套、轨道梁受力变形下的运动曲线的差量修正导向并返回到轨道梁中心,又能极大地增加轮套与轨道梁的接触面积,减小接触应力变形和轨道梁的弯曲变形应力、减少接触面磨损等影响;经模型分析和计算:当托盘运动小车及单托盘货物的自重达到1500kg时,每个运动轮套与轨道梁的接触作用反力均分后将达到375kg,一般运动轮套与轨道梁的静摩擦系数为0.15,如果不采用合适的轮轨技术,仅利用侧向导向轮作用来导向,柱型轮面与轨道梁接触支撑运动荷载,则必须确保对应的四个侧向轮的侧向作用力分别大于562.5N,实际上该侧向作用力仅为单侧作用,极限状态为单侧单个侧向轮要克服4倍的562.5N静摩擦作用力,才能有效实现托盘小车的导向纠正调节,还须考虑侧向轮对侧向作用基准轨道梁壁的冲击变形作用产生的偏差,才能让轴套克服最大静摩察力后发生侧向移动,从而修正托盘运动小车的运动轨迹,这个作用力是比较大的,既对侧向导轮的结构强度设计、轨道梁的抗侧弯强度设计、轨道梁间距一致性等提出了更高的设计要求,又由于轴套轮的垂直支撑力、侧向水平导向力及轨道梁反作用应力的变化、轨道梁的弯曲应力的变化等都会直接影响托盘运动小车的动态特性和运动稳定性,增加了设计、制造难度,无法确保产品的使用运行安全及其平稳性,如荷载不均匀等影响下的托盘运动小车的蛇行轨迹运动、轮轨磨损、轮轨运动脱轨等缺陷运动,这种设计结构是具有一定的局限性的,需要通过合理的结构分析与优化,确保托盘运动小车的运动平稳性和自导向作用;经验表明:托盘运动小车的运动轮套与轨道梁的轮轨配合面设计是整个后推式货架成功使用的关键,轨道梁间距的刚性也是结构设计的关键要点之一,也需要反复进行托盘运动小车的存取货试验验证和模拟来确定合理的轮轨设计参数,让托盘运动小车的运动特性与存取物品的特性相匹配。
 
  案例分析
  某案例:仓库长度100米,宽度24米×2跨,高8米,货架含地可规划5层,确保库区内可规划设计照明和消防系统,每跨规划有四列后推式货架,两个叉车通道可规划尺寸约3450mm,每列后推式货架可规划4个托盘深度,可规划有32个双托盘位的后推式货架单元,设计有三种规格的托盘运动小车,货架主体结构选择90立柱、B120*2700L横梁、特制前梁及专用轨道梁,其中横梁长度不建议低于2600mm,托盘规格选用1200W*1000D*1100H;每储位荷重1000kg,仓库可规划存储面积约为2145㎡×2跨,运作功能区域面积约:250㎡×2跨左右,共设计规划有2560个储位×2跨;配定制四个托盘深度的三类规格的同系列托盘运动小车和轨道梁,其中各式托盘运动小车可以通过喷涂不同的颜色实现存储位的可视化管理,考虑到托盘运动小车作用在轨道梁上时可产生的最大跨中挠度变化角为0.57度(依据挠度极限控制值为梁长的1/200计算),则托盘运动小车下滑重力分力的有效坡度值为0.687度,托盘小车与轨道梁的运动部件选用深沟球轴承及轴套,其滚动摩擦系数约0.0015,静滚动摩擦系数约0.01,同时考虑到托盘小车的四个车轮存在一定的制造与安装精度,存在一定的轴线误差,会产生一定的额外附加阻力,试验后考虑其影响系数约为2,则托盘小车与轨道梁之间的综合摩擦系数约为0.012左右,当设计轨道梁前倾角为1.26°时,根据物品及托盘小车的重力分力原理,其可产生的最大滚动静摩擦力为117.59N,产生的下滑滚动分力约117.51N,此刻几乎形成动静运动平衡,托盘运动小车无法实现自下滑运动,当设计轨道梁前倾角1.6°时,产生的下滑滚动分力约175.66N,由于下滑分力大于最大滚动静摩擦力,则可以打破运动平衡,一般滚动摩擦力小于最大静摩擦力117.58N,将促使托盘运动小车运动加速下移,车轮滚动运动,并建立新的动摩擦力与重力下滑滚动分力的运动平衡,形成加速度约为0.06m/s2,托盘运动小车运动相对比较缓慢、平滑,该运动特性参数将随着轨道梁的前倾角而发生变化;并将随着叉车对存储货物的操作,依靠叉车推力实现托盘小车自动移入货架操作端入口的自然运动,如果此刻存在侧向导向的轮轨摩擦、运动轨迹变化等阻挡现象,则上述托盘小车与轨道梁之间的综合摩擦系数将会提升到为0.042左右,极有可能产生的静摩擦力远大于175.66N和惯性作用,托盘小车将卡住形成静平衡;故后推式货架的制造、安装调试精度要求较高,托盘小车运动轮套及其轮缘与轨道梁间的运动配合及轨道梁呈现的设计坡度等尤为重要,如制造、安装调试精度不高,轨道梁设计坡度不合理,后期的后推式货架的维护保养不到位,极易导致货架系统的运作不畅。经验表明:轨道梁的设计坡度角约为1.6~2.5°,需根据存储环境温湿度、货物的单元化程度、轮轨匹配参数及后推式货架的制造、安装精度等进行轨道梁坡度的适应性设计调整;由于货物重量的大小的变化会对轨道梁产生一定的挠度变形,货物重心位置也会影响重力分力的大小与分布,包括各个企业的生产制作工艺及安装验收标准上的差异,轨道梁表面灰尘及滚轮之间的运动副摩擦系数等影响,或在低温冷库中也会在轨道梁表面形成结霜、结冰等影响,低温也会影响到轴承润滑脂的粘度,影响轴承的运动特性,故在很多的实际案例实施中仍然需要结合客户的需求进行试验和运动学模拟,轨道梁设计倾斜角度需要根据货物重量的大小与运动摩擦力相平衡的条件计算或试验获得,以期满足客户需求,确保具体项目的成功实施与运作;根据多年的设计规划经验表明:单个冷库区域在不满足1500个储位数时,选择后推式货架的性价比最佳,既能满足存储密度要求,又能避免高密度储存货架在装卸作业中常容易产生的货损;如单体冷库区域超大,且存取密度很大,建议选用穿梭式货架,但是要考虑冷库对电气设备的要求和后期逐年递增的穿梭车维护费,也需要根据客户存储物品的要求,多种货架结构形式进行合理混搭配置。在冷库内部使用后推式货架,需要综合考虑货架及可存储操作高度、货架结构用钢材的材质选择、结构承载性、托盘运动小车上运动轴承及润滑脂选择、货架的跨度及结构细节设计等因素,以及冷库内的结霜、结冰等对于小车与轨道梁这对运动副综合摩擦系数的影响等,以确定托盘运动小车的运动特性,既保证托盘运动小车的动态顺滑特性,又可避免造成物品存储操作上的一些不可预料的安全隐患;并针对后推式货架的结构、运动特性及操作特点等进行理论分析与实载工况模拟试验研究,以充分发挥出后推式货架的存储与操作优势,从而高效、稳定、安全地使用这一类别的货架结构形式。(文/亚尚仓储)

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