驶入式钢货架结构设计

驶入式货架的空间有效利用率最多可以提高到90%,场地利用率也可达到60%以上,能满足客户现场多方面的存储要求。

驶入式钢货架又称通廊式货架、贯通式货架,是一种不以通道分割、连续性的把数排传统货架或格构式立柱结构体采用边续的方式连接起来的多门式相连的、托盘单元化储存在悬臂梁上并按深度方向存储的货架结构形式;此类货架具有单位容积内拥有最大的货物存储量的特点,适用于大批量、少品种、流动量大的物料存储作业系统,如饮料、乳制品、低温冷冻仓储、家电、化工、制衣、烟草等存储空间成本较高的场合,但不适宜或太长或太重的物品存储;与传统的托盘横梁式货架结构形式相比,驶入式货架的空间有效利用率最多可以提高到90%,场地利用率也可达到60%以上,能实现最大的装载密度,在实际应用过程中,也与其他多类别货架结构配合使用,以充分满足客户现场的多方面的存储要求。

存储物品的托盘单元化

存储物品、搬运设备及托盘单元化尺寸等决定了驶入式货架结构和尺寸;由于驶入式货架存储区的储物密度大,周转效率高,货架钢结构体紧靠操作和存储通道,相对于其他类别的货架而言对托盘及托盘单元有更详细的规格要求和更高的质量要求,需要根据托盘的受力特点进行有效选择,特别是针对大跨度托盘必须校核托盘的静载和动载载荷、上架载荷及托盘上货物的摆放方式等;同时该类别货架对货物单元化包装的要求也比较高,以减少存储物品的破损率,提高装运效能和安全性;托盘单元化货物不宜过大、过重,通常重量应控制在1600KG以内,托盘跨度不宜大于1.5米,且通过存储物品的单元化包装分类,尽量在驶入式货架结构的最下层储位存放重载、大层高货物,可以有效降低货架系统的储物重心,提高系统的储量和稳定性。

格构式立柱结构体

本文所述的格构式立柱结构体,为驶入式货架结构中的最常见结构,主要由柱肢(框架立柱)与腹杆(横、斜撑)组成,柱肢多采用单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱(如图1),腹杆多采用C型截面的冷弯型钢,柱肢与腹杆通过螺栓连接形成单斜杆缀条结构,框架立柱的压力因有横、斜撑分担一部分而略有减少,在不考虑横、斜撑的利好作用时,整个结构是偏安全的;柱肢的典型结构体为单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件,在承受货物承载力作用时,易发生弯扭屈曲,使承载力下降,可以在开口一侧加缀板,使之接近闭口截面,其承载力就可以大为提高,该类构件的X-X向的抗弯稳定性直接决定了驶入式货架的承载能力和结构的稳定性。同样的,该格构式立柱结构体也是形成驶入式货架门式结构的边柱体,由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小,结构的整体刚度较弱,其高度越高其承载稳定性也越低,其抗弯扭屈曲的能力也会明显下降,而悬臂臂长参数和承载托盘重量是对格构式立柱结构体施加弯扭矩的直接作用体,并随着悬臂的长度尺寸产生的附加弯扭矩大小影响货架立柱的抗弯扭作用强度。

目前在设计驶入式货架时是通过计算货架的格构式立柱体的强度、刚度和稳定性来代替系统结构框架的分析的,由于格构式立柱体一般由较细长、又比较薄的构件组成的,故驶入式货架结构中的立柱结构体的刚度和稳定性受其长细比的影响较大,其结构稳定性又较弱,能实现的结构加固模式又很少,也很难实现,目前市场上通过使用WAP穿梭式台车以取代叉车等其他搬运设备的进出巷道作业模式来优化作业通道,且可以方便实现在储位下方的有效部位对框架柱进行水平梁拉固,可极大地优化框架柱的长细比。或在进出巷道的最里端货位通过托盘横梁式货架典型结构来优化驶入式货架结构的设计,从而在货架结构整体上来提高货架结构的承载能力和稳定性,这也将成为今后驶入式货架结构优化的主要方法之一。

驶入式钢货架的结构

驶入式货架结构中货物的存储及结构模式相对于其他类别的货架系统来说比较特殊,主要是利用格构式立柱结构体的侧向抗弯性能来实现货物的存储,即托盘单元货物通过侧连接于格构式立柱结构体上的悬臂梁存放,框架立柱体通过机械式锁紧装置连接着悬臂、悬臂梁及其他部件,单、双侧悬臂梁通过悬臂的力矩平衡及转化将货物及其部件的自重传递到格构式立柱结构体上,相邻柱肢之间通过顶梁结构半刚性或刚性连接形成多门式相连结构,且在存储空间内可近视为单层门式钢架结构,货架格构式立柱体通过螺栓或其他连接形式与地面基础相连并构成结构的约束力。由于相应的货架竖向框架存在有别于实腹式压杆的特点,当格构式立柱体绕虚轴弯曲时会引起不可忽视的附加变形,使格构式立柱体的弯曲刚度低于实腹式压杆(框架立柱)的和,在计算对虚轴的稳定性时需考虑剪力的影响;这也是驶入式货架结构区别于其他货架结构形式的根本。驶入式货架的配件包括:柱片、悬臂及悬臂梁、顶梁、顶部斜拉杆、背部斜拉杆、行走导向轨道、护脚或护柱(货架正面通道口保护件)等,由于我国各地域货架行业发展的差异和国内外贸易上的要求,需要通过《驶入式货架》行业标准去规范和定义名词。

目前多由门式立柱的规格、高度、厚度、悬臂臂长参数和承载托盘重量及层数等主要参数来确定驶入式货架结构及尺寸参数的选择,并形成单层门式货架结构,通过局部拉杆结构等进行货架系统的稳定性加固和调整,顶部斜拉杆直接决定了货架立柱顶部的约束及约束力,同时也保证了框架结构的有效性;悬臂梁由于连接了多个格构式立柱框架,在一定程度上平衡了框架的扭曲变形抵抗能力,也有一定的增强作用,尤其是在格构式立柱框架的双侧都有悬臂梁的情况下,作用更加明显;巷道最里面货位的门式刚架结构的构成结构设计是整个驶入式货架设计的关键,背部斜拉杆直接决定了货架立柱间的侧向约束及约束力,直接决定了系统结构的稳定性和货架结构体的设计、制造成本。同时也有必要通过行业标准去规范设计选择系数和统一名词术语等,如《驶入式货架》行业标准规定:在1.5倍额定载荷下,悬臂梁以及悬臂梁连接杆等,不得产生失去原来功能的变形,在1.5倍额定载荷下,立柱片不得产生失去原来功能的变形等。

驶入式货架的特点

驶入式货架由于门式结构特点及柱片长细比限制,不宜设计过高,通常应控制在10米以内,以4层3-5列以上为宜,否则系统的经济技术性比较差,既要考虑存储库区的照明要求,又要考虑整个货架系统的稳定性,驶入式货架按取货方向可分为单向驶入式、双向驶入式和贯通式三类结构;单向驶入式(靠墙区域)货架总深度最好控制在7个托盘深度以内,双向驶入式(以中间区域为分隔可两边存取货)货架区域总深度最好控制在14个托盘深度以内,以提高叉车存取的效率和可靠性,贯通式货架的应用环境是有局限的,由于其经济技术性不强,实际应用的案例也不多。

驶入式货架的结构设计是决定货架质量最关键的一步,直接决定了货架结构的合理性、选材的合理性及生产制造成本的高低等,货架部件的力学测试,制造精度的控制、工艺的安排、设备与工装夹具的保证手段及静电喷涂质量等,直接决定了货架的质量和档次。货架的主体结构组成属于多次超静定空间钢结构体,用传统的经典力学方法或动力学方法计算货架的强度、刚度及稳定性相当繁琐,需要采用简化计算模型并结合国内外标准规范和试验数据进行分析选型和结构优化设计,目前多采用有限元的结构强度分析手段来进行辅助设计和规划,根据实际结构中的结构单元体的各截面的几何特性参数、结构单元体之间的力学连接模式、选用材料的特性、力学模型及单元网格化处理等、结合型材的加工制作工艺、货架的使用环境,根据客户的可能荷载方式来分析货架各部件所对应的应力应变值,以及局部优化结构后的规律性来提高系统结构的刚度和货架体系的稳定性。在货架的附属结构设计规划时应该优先考虑配备地面护轨、通道保护柱,以保护货架结构系统和便于叉车司机更好地在操作通道内定向运行。

驶入式货架系统中,托盘化单元存储区同时也是叉车等搬运设备的作业通道。叉车从通道的一端进出或两端进出以存取货物,存放时先内后外,取货时先外后内,具有典型的先进后出存储特点;叉车等搬运设备的作业方式多为持续“高举高打”模式,货物高举后的重心较高,搬运设备易随着通道地面的不平度、货物叉取作业中的惯性作用等产生晃动而碰撞到货架,极大地影响货架结构的稳定性和安全性,同时对操作工的驾驶技术要求也比较高,货物的周转速度和效率也受到一定程度的影响;如果货架的总深度设计过多,在结构设计和存储效率上的影响都比较大,尤其是针对该类别货架的结构的设计规划,由于框架立柱上的悬臂梁单侧受力,相应的货架立柱的选型设计、地基的强度设计等计算或合格试验数据就显得尤为重要。

基本尺寸要求

如图2,W为托盘的叉取向的宽度尺寸,它是驶入式货架设计规划过程中的重要参数之一,直接影响到存取搬运设备的选择参数和叉车工的可操作空间;W1为叉车的有效可通行距离(可通行距离有时还需要考虑行走导向轨道的尺寸影响、叉车的外型尺寸等),直接决定选择的叉车车身宽度尺寸(通常叉车车身宽度尺寸小于W1-100);W2为通道柱片之间的中心距离,决定仓库区域布置尺寸规划,W3为悬臂的有效尺寸,决定悬臂的设计制造尺寸和托盘承载力对立柱片的弯扭矩,其悬臂长度向尺寸越大,相同规格的立柱片的承载能力越小,直接决定了立柱片的选择规格和货架的整体承载能力,一般W3≥210;W4直接反映了托盘在悬臂梁上的搭载尺寸,是对托盘承载能力的设计依据尺寸之一,也直接决定了托盘存取过程的安全性,一般W4≥130,W5是货物与立柱片之间的安全净距离,直接影响到货物对立柱片的可能损害危险性及叉车等高举状态下的可控摇摆度,需要根据规划的货架立柱片的高度进行有效选择,一般W5≥75;详细设计参数的描述可以参考《驶入式货架》行业标准。

货架的设计规划

首先须进行存储物品标准单元化工作,确定托盘的规格、载重量及堆高,然后选型并确定驶入式货架单元的跨度、深度、层间距、高度等关键参数。根据货架部件易运输,易改装和加装,组合模块化功能等进行货架结构的详细设计与分解,并针对关键设计参数进行设计验证或试验验证,根据案例结构构成相应的力学简化模型,考虑货架的实际受力及载荷分布,结合相应的构件截面几何参数和质量特性进行选择和强度、刚度、稳定性校核,并结合驶入式货架的变形特点、受力受载特性并考虑地震载荷等进行分析处理;或根据现实中的规划设计案例进行有限元辅助处理与分析,并通过结构单元的足尺满载试验、分析并修正有限元处理与分析结果,以确保分析结果与实际上的相符。

在某冷库项目运作中,通过与客户的详细沟通、项目现场的实测与规划方案的比较,确定了托盘单元的基本参数为:W1200×D1000×H1200,货物重量为:1000KG/托盘,常年零下十八度(-18℃)低温存储,并考虑叉车的举高和冷库的净空高度等,最后选择驶入式货架为仓库的主要存储形式,配合选用少部分的横梁式货架作为补充满足一部分货物100%拣选的要求,从而最大化的满足客户对冷库大容量的要求,合理利用冷库内的所能利用的空间和不同存取方式,冷库空间利用率约为67%。

整库实际实现三层存储共19140个托盘位的存储量,并由此选择出合理的货架结构形式、尺寸规格,如立柱选择:90×70×2.0,高度为4350mm,孔间距为75mm的企业标准产品,框架深度为D1100,安全系数大于1.92,悬臂采用4mm钢板一次模压成型,悬臂梁采用2.0mm的料冷弯成型,安全系数大于1.65,其他结构如顶梁、拉杆等合理配置,并根据冷库内的钢材使用特性及结构节点特性等对部分结构进行合理优化,尽量减少可焊接结构。

在关键部件的连接上选择螺栓固接模式,在材料的选择上尽量选用镇静钢,因沸腾钢或半沸腾钢是脱氧不完全的钢,塑性和韧性较差,用这种材料制成的焊接结构,受动力载荷作用时焊接处容易出现裂缝,不宜在低温下工作,有时会产生硬化现象;相比之下,镇静钢用铝脱氧,晶粒较细,当采用控制轧制后,可以实现奥氏体未在结晶区的变形,最终获得细小的铁素体晶粒,从而使强度和韧性得到改善。镇静钢质优而匀,塑性和韧性都好,但同时在生产制作过程中选用优质焊接材料,严格控制焊接工艺参数,以充分发挥出镇静钢的低温优势。同时镇静钢钢材的抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度设计值可比普通钢材的标准数值提高5%。

这在设计规范中都有明确条款;货架立柱、悬臂梁等主要结构部件为冷弯成型工艺生产制作,存在冷作硬化效应,但对承载性影响不大,且为局部加强效果,设计中不考虑其增强效果为偏安全考虑;整个结构中有龙门梁、底座等少量焊接结构,不构成对系统的结构性影响,为驶入式货架结构中的次要部件,暂不作安全影响性评估和要求;由于实际生产材料可能存在的减薄量造成的承载能力下降、实际生产材料的力学不均匀性或杂质量超标性影响、实际产品存在的初始弯曲变形超标、安装调整不到位(特别是垂直度不够、螺栓紧固不到位等)等都会削弱货架的实际承载,需要加强控制和管理,特别是料厚、材质及安装的检查。从强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个方面进行详细分析和设计结构构件,即从受弯构件、轴心受力构件、拉弯压弯构件等多种受力形式依据有关钢结构设计规范进行验证设计;或通过专用货架有限元辅助设计软件对本案驶入式货架结构的应力应变、稳定性等多方面进行分析校核,并通过强大的集团后台的生产、技术、服务支持,最大限度地满足了客户的需求,从经济技术上提供了最佳选择。