笼状货物牛腿式货架底部设计

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　　摘 要：文章以巨石集团美国的牛腿式自动化立体库物流设备货架的设计为例，对项目的大致情况进行了概述，分析了项目设计过程中面临的技术难点以及交期的限制对设计造成的重要影响。阐述了当前常见的牛腿式货架（又名贯通式货架）的工作原理与技术特点，提出了针对项目的设计难点我们采取的管理措施与技术措施，最终经过理论分析与实际测试发现其运用效果良好，笼状货物牛腿式货架投入使用后，赢得客户的认可，为我们设计非标准部件带来了宝贵的设计经验。
　　关键词：牛腿式货架；货架底部设计；笼状货物；非标准货架设计
　　中图分类号：TH692.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0106-03
　　Abstract： Taking the design of the logistics equipment shelf in automatic three-dimensional warehouse of Jushi Group Co.， Ltd. in the United States as an example， this paper summarizes the general situation of the project. The technical difficulties in the process of project design and the important influence of delivery time on the design are analyzed. This paper expounds the working principle and technical characteristics of the common cow leg shelf（also known as through shelf）， and puts forward the management and technical measures we take in view of the difficulties in the design of the project. Finally， through theoretical analysis and practical testing， it is found that the application effect is good. After the cow leg shelf of cage goods is put into use， it has won the recognition of customers and brought valuable design experience for us to design non-standard parts.
　　Keywords： cow leg shelf； shelf bottom design； cage goods； non-standard shelf design
　　引言
　　貨架是指用于存放成件物品的架子。在现代化社会中，为了使得仓库的存储效率得到提高，货架作为其中发挥关键作用的工具，催生了现代化货架行业，并且随着时代的不断进步和发展，其市场也日益增大。随着全球化的进程，大量的外资企业带着其区别于传统形式的新型管理理念和技术涌进我国沿江地区，使得当地各项发展水平都得到很大程度的提高[1-2]。在此时代背景之下，众多企业也开始不断追求更大的经济效率，致力于实现增产和扩容的目标，因此，如何使得仓库运作更为专业化和高效化也就成为了企业关注的重点。与此同时，货架自动化立体仓库的出现，则是与当下时代的发展进程相适应的。现代化的大生产对于工业生产社会化、集中化的要求不断提升，而它能够达到实现仓库高层更为合理化、操作更为简便化的目的。总体而言，在现代社会中，立体仓库技术代表了在该领域上较高的发展水平，能够保证货物在整个仓储过程中较好地运行。
　　1 项目概况
　　2018年1月，我司承接了巨石集团美国的牛腿式自动化立体库，我司主要负责立库的物流设备货架的设计、制造、安装事宜。本项目是我司在美国的第二个项目，我司对处理施工地点在美国的项目已经有了很多经验。
　　该项目的难点有二，其一为存放的产品较为特殊，与我们常规存放的产品具有较大的差异，由于存放的产品的特殊要求的缘故，使得货架的设计与常规货架的设计也存在极大差异。其二在于设计日期受限，项目为出口项目，同时客户确认合同的时间过晚，预留给我方的时间是原计划的二分之一，设计日期过于紧迫的缘故，外加对设计的特殊要求导致设计压力极大。
　　2 牛腿式货架的特点
　　牛腿式货架也叫做贯通式货架，因其主要靠牛腿受力保证货架的稳定性而取名牛腿式货架。牛腿式货架的框架由立柱、顶梁、拉杆（水平拉杆、斜拉杆、顶交叉拉杆）组成，框架搭好以后，将牛腿安装在每根立柱上，然后将载重梁按深度方向装在牛腿上，使货物平稳地存放在牛腿及载重梁上。另外，牛腿让载重梁紧密挨着立柱并与其连接，货物架在载重梁上，等于中间无障碍，叉车或穿梭车才得以顺利进入货架内部进行工作，并且也正是由于牛腿作用，使其实现高密度存储。
　　牛腿式货架具有工作效率高，大大减少工作时间；安全性好，减少货架碰撞；作业方式灵活；货物的存取可以先进先出和先进后出；高密度储存，仓库利用率比横梁式货架系统高30%等诸多优势。除了靠近通道的货位之外，考虑到平衡重及前移式叉车还有要进入到牛腿式货架内部对货物进行存取的需求，为了避免占用过多通道，对其他工作造成影响，使其运作过程更为顺利且高效，通常在单面取货时会建议不超过8个货位深度。并且，牛腿式货架作为常用的货架形式之一，还可以根据实际的情况进行调整，在存取货物时选择符合现实需要的配置导向轨道，能够合理有效地进行货存控制并实现系统的整理优化，并采取先存后取、后存先取的方式从货架同一侧进出，大大提高了单位面积的仓库利用率，从而使得其存取水平更为专业且高效[5]。 　　3 设计关键技术
　　3.1 选取牛腿式货架
　　存储物是卷料化纤品，考虑到存储物的产品特点，采用笼架存取并运输产品，出于方便运输的考虑，将万向笼加装于笼架底部。考虑到笼架的存取与存放过程中，如果使用了普通的横梁式货架，将出现横梁与笼架相互干涉的情况而无法进行存放，见图1；因此采用牛腿式货架存放存储物以便于存取，牛腿式货架的正立面与侧立面见图2与图3。
　　图1 横梁式存取方式（轮子与横梁已干涉）
　　3.2 设计方案比选
　　目标产品较为特殊，因此存放过程中该如何妥善处理产品的存放问题是技术上的最大难题。以往的类似货架常均采用托盘进行产品的存放，产品与货架之间为面接触，其受力为均匀分布的载荷，发生变形时也是有规律可循的，并未发生过局部变形的情况，但是本次设计的牛腿式货架是用于存放笼状物的，笼状物与底部货架的接触方式为点接触，而点接触与面接触相比，其底部支撑的承载力显著上升，因此设计不合理将导致发生承载梁局部变形，还会导致其稳定性被破坏，导致货架的使用效果受到严重影响。
　　为了解决这一问题，分析强度计算公式可以发现，使承载物的截面积加大可有效提高强度，因此解决这一问题的关键将在于如何增加截面积。为此提出诸多设计方案，经过比选后最终得出设计方案一共两个：第一个是增加底板以对强度的不足发挥弥补作用，主要是改变承载物的材质与强度，这个设计方案的优势在于能有效弥补强度不足的缺陷，但是这个设计方案的缺点在于增加厚度也就意味着整体用钢量上升，而钢材的运输、安装等都需要相应的费用，将会导致费用上升。第二个方案则是将更换掉承载物的结构，这个技术方案与第二个技术方案相比能有效减少钢材的使用量，预计可减少用钢量30%，对控制运输、安装成本均具有重要作用，但缺陷在于这种技术方案的属于非标准结构，因此更换结构的过程中需要认真核算承载性能。经过认真比选后，最终决定选取第二种技术方案。
　　4 异型截面扭曲风险测试
　　选取第二种技术方案后，由于其结构为非标准结构的缘故而需要仔细核算承载性能，异型截面容易发生扭曲，因此需要避免这种现象的产生，将各项指标带入结构计算公式后进行计算，最终发现理论核算的强度完全满足要求。
　　为了确保即使在异常情况下，笼架也不至于脱落，将载重梁设置于牛腿之间，从而为安全性提供保障，载重梁发挥着构造作用与载货的作用，见图4。
　　对载重梁的强度进行验算，确认其符合要求才能投入使用，根据相关设备的要求，载重量均载变形下，挠度应≤10mm。
　　总体信息为：自动计算梁自重，其自重放大系数为1.20。材性为Q235冷弯型钢，质量密度ρ=7850kg/m3；泊松比ν=0.30；弹性模量E=206000MPa；剪变模量G=79000MPa；线膨胀系数α=12×10-6/°c；屈服强度fy=235MPa；抗剪强度设计值fv=125MPa；抗拉、压、弯强度设计值f=215MPa。载重梁的截面参数是，截面的上下不对称，截面面积A=353mm2；自重W=0.027kN/m；面积矩S=4954mm3；抗弯惯性矩I=353923mm4；抗弯模量W=12628（上边缘）/5711（下边缘）mm3；塑性发展系数γ=1.05（上边缘）/1.05（下边缘）。载荷信息为活荷载均布均布荷载，5.75kN/m，荷载分布：满布。单元验算结果：内力范围为弯矩设计值-0.73～0.00kN·m；剪力设计值-3.44～3.44kN；最大挠度为0.54mm，最大挠跨比1/1577。强度应力为：最大剪应力τ=Vmax*S/I/tw=3.44*4954/353923/2.0*1000=24.1MPa≤fv=125MPa满足要求；上边缘最大正应力σ上=Mmax/γ上/W上=0.73/1.05/12628*1e6=55.1MPa≤f=215MPa满足要求。下边缘最大正应力σ下=Mmax/γ下/W下=0.73/1.05/5711*1e6=121.8MPa≤f=215MPa满足要求。稳定应力为：整体稳定系数φb=0.80；最大压应力σ=Mmax/φb/W=0.73/0.80/12628*1e6=72.3MPa≤f=215MPa满足要求。验算结论为满足要求。
　　但是为了确保计算结果的准确性，我们还是进行了实际测试，对强度进行测试以确认其足以满足要求。经过两次测试后，承载物的强度已经与客户要求相符合。
　　5 结束语
　　笼状货物牛腿式货架经过精心设计，设计方案经过检验之后发现完全满足客户的需求，项目建设完毕后，其运用效果理想，取得客户的好评。笼状货物牛腿式货架的成功设计案例，也为我们设计非标准部件带来了宝贵的设计经验，当以后再次出现这种非标准货架设计时，我们将更加游刃有余，相信一定会取得更理想的成绩。
　　参考文献：
　　[1]郭海峰.全镀锌货架开孔腐蚀特性及梁柱节点力学性能研究[D].东南大学，2017.
　　[2]李翔.高密度敏捷存储分拣系统初始货道分配与入库计划优化研究[D].山东大學，2017.
　　[3]穆晓强.基于改进的单元货格式立体仓库调度优化研究[D].昆明理工大学，2017.
　　[4]高海珍.重型驶入式货架设计及稳定性研究[D].天津职业技术师范大学，2016.
　　[5]李乐，曾德贵.贯通式货架系统和Fishbone布局方法结合的物流仓库布局优化[J].物流技术，2015，34（03）：201-204.
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