垂直提升货柜托盘的弹性变形及解决办法

0 引言

2009年虽受金融危机影响，但在烟草、医药、食品、铁路、电力等行业的拉动下，自动仓储系统的市场需求和项目建设基本保持平稳。预计2010年中国制造业发展仍处于惯性趋势，加之国家在拉动消费、加大民生工程建设、企业产能结构优化等方面的政策导向，自动仓储系统行业将随同国民经济平稳发展［1］。

随着自动货柜在国内的推广，垂直提升货柜的需求增大，所以解决其中的关键问题，提高产品品质才能促进企业长远发展。例如，托盘的重载形变问题是其关键之一，国内托盘制造企业正向规模化发展，并开始重视新技术、新材料、新工艺的开发和利用［2］。

1 托盘的结构特点

托盘采用冷板经冲压、折弯、焊接而成；托盘底部加装复合减磨材料，适应重载条件下的减磨功用，并使托盘在出入时没有噪声，长期使用无需增加润滑；托盘表面还要喷砂处理，高压静电喷涂。当托盘受到一定的静载荷时，会产生变形，卸除载荷后，变形应消失，所以托盘重载情况下应为弹性变形。

2 托盘重载弹性变形导致的不良结果

1）取货时容易出现故障：托盘重载变形表现出的直观现象是托盘两边翘起、中间凹下，托盘的存取是靠挂取机构挂接托盘的两边来实现的，理论挂取位置若与托盘变形后的实际挂取位置不适应时，会导致挂取机构无法顺利挂接，卡住托盘，出现设备故障。

2）导致挂取机构不同步：托盘变形致使两边翘起，但两边翘起程度不会完全相同，挂接机构会一边挂接完成，另一边与托盘干涉，挂取机构仍然运动，致使两边挂取不同步，出现托盘挂接故障。

3）取货时出现爬坡现象：托盘形变致使中间和两边不在同一个平面上，当托盘挂接完成，挂取机构继续运动时，中间凹下的部分低于挂接基准面，运动会出现爬坡现象。

4）浪费存储空间：托盘重载形变导致托盘加上货物的实际高度大于理论高度，因此，下一个托盘存放时，必须考虑已放的托盘，二者之间必须留有一定的间隙，如果已存放的托盘占有一个货格，则会浪费一个货格，浪费存储空间比例为50%；如果已存放的托盘占有两个货格，则会浪费一个货格，浪费存储空间比例为33%；如果已存放的托盘占有三个货格，则会浪费一个货格，浪费存储空间比例为25%；影响到充分发挥垂直提升货柜有效利用高度空间的特点。由上看出，解决托盘载重的变形问题很有必要。

3 托盘的重载静态有限元分析

垂直提升货柜的托盘有不同的规格，现以1 640×825型号的托盘为例，使用三维软件solidworks中co⁃mosxpress插件对托盘进行静态有限元受力分析，得出它的应力和位移情况。托盘上均匀存放500 kg的货物，分析步骤，见图1。

图1 托盘有限元分析步骤图

托盘模型材料类型为线性弹性同向性，弹性模量2.1e+011 N/m^2，泊松比0.28 NA；在算例属性中，划分实体网格，网格单元大小24.58 mm，公差1.229 mm，托盘共划分2 166个单元，产生40 873个节点数；经过comosxpress分析得到最小静态应力1 046 kg/m2,最大静态应力1.23e+007 kg/m2，最小静态形变0，最大静态位移10.3 mm，见图2和图3。

图2 应力分布图

图3 位移分布图

4 不同型号托盘的静态有限元分析结果

运用上述方法，对不同型号的托盘在均匀承载500 kg、200 kg载荷下，分别作了静态有限元分析，见表1。由表1：托盘承载重量相同时，托盘长度越长，静态最大应力越小，静态最大位移越小。同种型号的托盘，承载重量越小，静态最大应力、最小应力、静态最大位移随着减小。

表1 不同型号托盘的应力及位移表

5 托盘重载变形问题的解决办法

5.1 现有基础上的改进

目前托盘的结构采用折弯成型，然后焊接而成，在托盘内部增加U型件作为十字加强筋，可使托盘承重能力大大加强，抗变形能力成倍增长，见图4和图5。

图4 托盘改进前

图5 托盘改进后

托盘改进后，在托盘均匀受力500 kg时，采用同样的有限元分析方法，得出托盘改进前后的静态位移对比，见表2。由表2知，托盘改进后，在载荷相同时，托盘静态最大位移大大降低，分别是改进前的2.9%、5.5%、7.9%、13.5%。

表2 不同型号托盘改进前后静态位移对比表

表1和表2数据是通过分析软件来得出，在实际中托盘在500 kg、200 kg重载下变形的具体数值，必须通过实验才能测得，所以实验与理论相结合是我们今后工作中有待于论证的。

5.2 增加托盘的折弯数量

标准托盘的折弯数量为8道弯，将折弯数改为十道弯，可使托盘承重能力大大加强，抗变形能力增长。

5.3 改变托盘的材料

冷轧板具有良好的性能，平直度高，表面光洁度高，冷轧板表面清洁光亮，易于进行涂镀加工，品种多，用途广，同时具有冲压性能高和不时效、屈服点低的特点。托盘材料若改为镀锌板，镀锌板本身的材料比Q235材料刚度大，可在一定程度上增加托盘的刚度，但是镀锌板采用CO2保护焊焊接，焊点明显暴露于表面，可能影响外观。

5.4 改变目前的加工工艺采用模具冲压成型

增加托盘折弯数量，或利用冲压来增加托盘抗变形能力，需投入模具才能实现，其结果定会大大增强托盘的抗变形能力，而且托盘互换性好，质量易保证，适合规模化生产；但随之带来的问题是货柜的成本增加，要考虑货柜的性价比达到最高。因此，改变托盘加工工艺是很有意义的，但有风险。

6 结束语

本文介绍了托盘弹性变形导致的不良结果、托盘弹性变形的静态有限元分析和解决办法。托盘的弹性变形问题在垂直提升货柜和联体提升货柜中都存在，解决了托盘重载的变形问题，才能实现货物的顺利存放，才能保证货柜的稳定运行、后续的维护方便、未来的升级发展。提高货柜品质是开拓市场的前提和条件，才能在自动仓储行业中提高核心竞争力，取得竞争优势，提高应变能力。