立体仓储拣选车的可靠性与优化研究

绪 论1.1 选题背景及研究意义现阶段我国经济持续稳定地发展，使得物流储运行业迎来高速发展期。物流配送的现代化使工业搬运车辆的需求量连创新高，市场持续旺盛，形成了其长期的成长空间，近几年我国工业车辆产销同比增速十分可观。其中，电动仓储车辆的增长速度十分惊人，据中国机械工业协会工业车辆分会统计，仅 2021 年我国电动仓储车辆销量达 29782 台，与 2009 年相比增加了 60%左右[1]。随着物流运输业的进一步高速发展，加之国家环保政策的加强和全民环保意识的增强，用户对电动车辆的需求越来越强烈，必将造就以电力驱动的绿色能源仓储车辆的快速增长。目前，国内土地资源稀缺导致价格飞涨，使得人们不得不走向空间要效益的发展战略，导致了国内的集中式立体仓储日益增多。立体仓储（又称立体仓库）是采用计算机控制与人工控制相结合的巷道式仓储搬运设备存取货物的一种新型仓库。立体仓储己经成为现代物流系统的一个重要组成部分，具有节约用地、降低储运损耗、提高物流效率诸多优点。随着立体仓储的持续增多，高位拣选车辆也将迎来巨大的发展机遇。高位拣选车辆属于仓储车辆的范畴，是人工拣选型立体仓储中一种不可或缺的搬运装备，是减轻工人劳动强度、提高作业效率的重要工具。图 1.2 所示的是德国永恒力ungheinrich 公司开发的高位拣选车辆[2]。目前，国内市场上起升高度 7m 以下的仓储车辆已经慢慢普及，但 7m 以上的高档仓储车辆尤其是起升高度在 7m~12m 的立体仓储高位拣选车辆，国内尚处于空白，完全依赖进口。因此，深入开展高位拣选车辆的关键技术研究适逢其时。如果能够攻克技术难点，开发出 9m 以上的智能化电动高位拣选车辆，并对相关理论问题进行研究，将在一定程度上推动我国仓储车辆及仓储物流行业的快速发展。1.2 仓储车辆的国内外发展现状按照国际惯例，机动工业车辆通常被分为五类进行统计，其中仓储车辆占两类，一类是电动乘驾式车辆，另一类是电动步行式仓储车辆，它们均是以蓄电池-电机为动力的工业车辆，是仓储物流不可或缺的运载工具[3,4].1.1.1 国内仓储车辆的发展现状与内燃叉车相比，我国仓储车辆起步晚、发展慢。直到 20 世纪 70 年代末才由原机械部起重运输机械研究所开始研究，相继开发出了电动托盘车和巷道堆垛机等[3]。近两年，我国仓储车辆发展势头迅猛，其中电动步行式仓储车辆 2021 年销售量比2009 年增长 50%以上，而电动乘驾式仓储车辆的增幅则达 80%以上[1]。电动步行式仓储车辆技术含量相对较低，价格较低，国内企业在这方面发展较快一些。电动乘驾式仓储车辆由于起升高度高、价格高、技术复杂等因素，主要被外资企业所垄断。尤其是立体仓储高位拣选车辆由于技术相对复杂，国内目前仍处于空白，完全依赖进口。1.1.2 国外仓储车辆的发展现状国外土地资源异常紧张，致使仓储物流业发展迅猛，直接造就了仓储车辆的高速发展。国外对于工业车辆环保、安全及节能等方面要求严格，致使以蓄电池-电机为动力的物流仓储车辆得到了快速发展。欧盟电动车辆占工业车辆总数的 75~78%，美洲电动工业车辆则占 53%以上，其中仓储车辆占工业车辆总数的 40%左右[3]。目前，国外起升高度 7~10m 的高位拣选车辆已经比较普遍，其性能、可靠性等方面的水平较高。下面对国外立体仓储高位拣选车辆的发展现状做简易介绍。1995 年，David M ins 设计了一种原始的拣选车辆，如图 1.3 所示。该车的起升机构是一个二级门架系统，外门架竖直固定在车体上，内门架可在竖直方向沿外门架移动，操作台也可沿内门架升降。其托盘夹紧装置及货叉等可通过操作台的升降到达任意高度。如图 1.4 所示，其门架系统的升降通过一个卷筒机构来实现，且可通过控制电机的转向及转速来实现内门架的升降及调速功能[5]。2002 年，日本输送机株式会社开发出图 1.5 所示的拣选车辆，其同样采用二级门架系统实现升降。外门架固定在底盘上，内门架通过液压缸的驱动沿外门架升降[6]。随后，日本输送机株式会社对其相关产品进行改进，于 2006 年推出了新一代产品。2006 年，FUIAWA AZUHIRO FUII TAANORI 在拣选车上安装了光传感器，用来检测相关区域是否存在障碍，以便进行拣选操作。如图 1.8 所示，当驾驶室处于高位时，光探测器发送一个辐射状探测区来检测驾驶室下方和前方区域是否存在障碍物。当驾驶室处于低位时，探测区域则为驾驶室上方及其前方区域[9]。2006 年， RAYMOND 公司推出了 5000 系列高位拣选车辆（如图 1.9），其采用24V 或 36V 铅酸电池提供动力，货叉的最大起升高度 9906mm，且其升降速度可调，并开发了集多功能于一体的单手柄操纵系统，可实现动力转向、自动回中众多功能。德国 LINDE 公司生产的 LINDE V12（图 1.10）高位拣选车辆，通过三级门架系统的提升最大起升高度可达 10.48m，且可以根据货物的不同状况调节货叉的升降速度。第 2 章 高位仓储车辆的可靠性分析...................92.1 引言 ............. 92.2 可靠性分析方法 .................... 92.3 高位仓储车辆的故障模式、影响及危害性分析 ................ 102.4 高位仓储车辆的故障树分析 ................. 202.5 本章小结 ............... 24第 3 章 高位拣选车辆的设计与开发...................253.1 引言 ................. 253.2 高位拣选车辆的机械系统结构设计 ................. 253.3 关键零部件的结构有限元分析及优化 ............... 29第 4 章 高位拣选车辆的稳定性研究...............414.1 引言 ................ 414.2 高位拣选车辆的稳定性分析 .................. 414.3 高位拣选车辆的虚拟样机仿真分析 ............... 48结 论本文以立体仓储高位拣选车辆为研究对象，对其机械系统、电气控制系统及液压系统进行了设计与开发，并对车辆的可靠性、稳定性及立体仓储中车辆的路径优化等问题进行了研究。本文的主要研究工作及成果概括如下：本文对高位仓储车辆的可靠性进行了分析。首先，利用 FMECA 方法确定了该类车辆的故障频发部位，如电气系统、操纵系统、行走系统等；确定了车辆子系统各零部件的故障频发模式，如元器件损坏、零部件磨损、零部件损坏等；探究了故障原因有元器件损坏、磨损、过流、老化、使用或维护不当等。其次，运用 FTA 方法对车辆进行定性分析，进一步确定了高位仓储车辆的薄弱环节，如加速电位计、接触器、控制器等，为后续高位拣选车辆的设计与开发奠定基础，且建立的车辆故障树有助于设计人员觉察潜在故障、指导维修人员进行故障的诊断与维修等。参考文献[1] 中国工程机械工业协会工业车辆分会. 2009-2021 年机动工业车辆统计数据[DB/OL].[2] 永恒力推出新型 ES 系列拣选车[]. 物流技术与应用，2009(3):122-123[3] 苏恩一. 中国仓储叉车现状分析与展望[].物流工程与管理，2008,30(10):58-59[4] 陶元芳,卫良保. 叉车构造与设计[M]. 北京：机械工业出版社，2021[5] David M ins.http://sblunwen./ccgllw/Telescopic mast order picer truc: U, GB 2290281A[P]. 1995-12-20.[6] Fujita Tsutomu. Order picer truc: apan, 2002-308591[P]. 2002-10-23[7] Tsuri Shigetaa. Order picer truc: apan, 2006-151650[P]. 2006-06-15[8] Christian D.Gibson, Greene, NY. Order picer truc: US, 6648581[P]. 2003-11-18[9] Fujiawa azuhiro Fujii Taanori. Order picer truc: apan, 2006-076727[P].2006-03-23[10]巩金龙. 基于可靠性强化试验叉车的可靠性分析研究[D]. 中国农业大学，2004