垂直提升貨柜的可靠性設計

劉茂生，彭香玲

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

隨著生產和科學技術的高速發展，機械產品和設備也日益向高速、高效、精密、輕量化、自動化方向發展，產品結構日趨復雜，產品更新換代的速度日益加快，對其工作性能的要求也愈來愈高。為了提高垂直提升貨柜在市場中的競爭能力，保證產品的高性能、高質量、低成本，降低設備在工作情況下的非正常故障，保護操作者的人身安全以及設備本身，同時盡量不影響使用單位的工作進度，為此，展開產品的機械可靠性設計，在產品設計中考慮機械結構強度由于載荷的影響使之疲勞、斷裂、磨損的引起失效；考慮機構在運動過程中引起的故障，實現產品的穩定性和可維修性，降低產品的后期維修成本。

可靠性是產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力，是衡量產品質量的一個重要指標，是人們設計制造產品時的一個追求目標。機械可靠性設計是常規設計方法的進一步發展和深化，它更為科學地計算了各設計變量之間的關系。機械產品的可靠性技術，因為實驗周期長、耗資大、設計安全系數較大而掩蓋了矛盾，實驗結果的可參考性較差；因此只有通過依據客戶的反饋意見和產品設計的不斷改進，才能達到設備的高可靠性。產品的可靠性越高，市場的競爭力就越強。自動貨柜的可靠性設計主要是通過可靠性設計，延長產品正常工作期的時間，縮短跑合期和耗損期、降低產品的非人為故障率，從而降低產品的成本，增加市場競爭力。

當前，自動化立體倉儲系統在現代化生產管理系統中占有非常重要的地位，是整個企業物料管理、組織和協調的中心。國內外許多采用自動化倉儲系統的廠家的經驗表明，以自動化立體倉儲為中心的物流管理，在實現物料的自動化管理、加速資金周轉、提高勞動生產率、降低勞動強度、提高廠房、庫房空間利用率、保證生產均衡等諸多方面能帶來巨大的效益。

目前，國內應用比較廣泛的自動貨柜主要包括垂直循環貨柜（回轉庫）、垂直提升貨柜（升降庫）以及該所新近研發的聯體提升貨柜。

垂直提升貨柜是以托盤為存儲單元，通過提取車的升降和水平運動，將存放貨物的托盤取出或送到柜內合適的貨位。提取車的升降運動采用絕對認址方式，精度高、認址準確；水平運動采用感應開關控制，可達到機構的動作要求。貨柜運行時自動進行路徑優化和尋找最佳存儲位置，真正實現“物到人”和智能化管理。

垂直提升貨柜主要由骨架、內部結構、外殼、電氣控制和倉儲管理軟件5部分組成。骨架分為左、右支撐架、頂蓋、底座等組件；內部結構主要由提取小車和傳動兩部分組成。外殼由前板、拉伸門、后板和側板組成。

圖1

該所從垂直提升貨柜的研發，到規?；a，歷經10余年的發展，在自動貨柜領域已經占有重要地位。為了進一步提高設備質量和市場占有率，我們只有通過不斷學習，吸取經驗和客戶的反饋意見，改進設計方法、引入可靠性設計方法。垂直提升貨柜的可靠性設計主要是通過以下幾個方面來完成的。

1 對一定范圍內的產品或系統進行功能分析的基礎上劃分并設計

為了保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，模塊應具有可靠性與互換性兩個特征。為了保證這兩個特征，主要還是通過設計中提高模塊的標準化、通用化和規格化，生產中，主要靠模具的大量使用來完成。將模塊化設計應用到自動貨柜的生產中，對縮短產品生產周期、降低成本、提高設備精度、可靠性、穩定性等有著非常顯著的效果。

沒有采用模塊化設計以前，每個零部件都屬于單獨的個體，在設計生產制造過程中都是單獨進行設計加工的，對于垂直提升貨柜型號規格眾多的（32個型號），會造成設計人員工作量加大，機械加工中工藝設計量增大，制造周期漫長，且互換性很差（基本上一對一），對設備的制造工期帶來很大的不確定性。而在設備的運輸過程中，由于零件種類繁多，給包裝運輸帶來很多繁瑣的工作，安裝時，由于零件眾多，同時設備要求具有較高的安裝精度及運行穩定性，對安裝工人的技術要求較高，且工作量大。而采用模塊化設計后，整個傳動系統被分為頂鏈輪箱組件、底鏈輪箱組件、提取車，每個組件與貨柜整體都有嚴格的安裝尺寸，且各種型號貨柜之間具有很強的互換性。

1.1 底（頂）鏈輪箱組件

圖2

改進前，整體強度低、零件種類繁多、加工周期長、現場安裝工作量大，安裝精度無法保證。

改進后，底鏈輪箱和頂鏈輪箱作為整體，采用模塊化設計，在生產中采用模具定位加工，零件一致性得以保證，從而整個部件的精度得到滿足，而且增加了互換性，可以批量生產，適量庫存，縮短加工周期，降低加工成本。在現場安裝過程中，只要控制好安裝基面的尺寸，就可以保證安裝精度，工作量大幅降低。

1.2 托盤掛塊

圖3 托盤掛塊

掛塊作為托盤的關鍵零件，是托盤與提取小車之間水平運動的掛接點，掛塊是否合格，直接決定了提取小車水平運動是否穩定可靠，因此在加工過程中，其一致性具有嚴格的要求。經過最初采用線切割直接切割而成，成本高；用5#槽鋼直接切割而成，一致性不好，最后采用Q235冷板模具沖壓而成，成本降低70%以上，一致性好，品質優異。

2 垂直提升貨柜的控制系統

實現整個存取運動的平穩、安全、快速的完成。

2.1 安全系統

在垂直提升貨柜的存取貨口，實現全程光幕安全保護，當有異物進入存取貨口，光幕會自動報警，提醒操作人員。在垂直提升貨柜左右兩邊的維修門旁裝有自動斷電傳感器，當設備維修門打開時，設備自動斷電，確保維修人員的人身安全。

2.2 超重報警功能

垂直提升貨柜在進出貨平臺（出貨口）處增加稱重傳感器，可以檢測出每個托盤的載重，如果托盤載重量超出設備額定載荷時會自動報警，并退出托盤，這樣既可以保證每個托盤的載重量，又可以使整機載重量不超過設備的額定值。提高設備的安全性，使設備不會因為超負荷運轉，而增加零部件的耗損，從而延長設備的正常工作周期。

2.3 防傾倒功能

設備底部與頂部裝有上下對應的激光安全光柵，檢測提取小車在升降運動中托盤是否到位及是否有貨物傾斜出托盤，并報警停止運動，以保護提取小車運動過程的安全。降低因為操作人員粗心使托盤中所放貨物超出托盤邊緣，或者由于設備水平鏈條同步性出現偏差，而造成設備在垂直運動中發生提取小車與托盤相撞。

2.4 防振動功能

設備提取小車在高速升降運動中，4根懸掛鏈條可能會出現一些擺動，從而引起提取車及提取車上的托盤震動，而且鏈條震動會引起頂部及底部鏈輪和軸承的耗損，長時間不解決，會給設備的安全穩定運行帶來很大隱患；通過采用在鏈條固定末端增加一個減震彈簧，以及鏈條導向套，有效降低鏈條的振動，從而降低鏈條上下運動帶給提取車的振動、小車上托盤的抖動及鏈輪和軸承的耗損。

3 結束語

綜上所述，可以看出通過對垂直提升貨柜的可靠性設計，不僅完善了產品的功能，而且提高了產品的穩定性、安全性，降低了產品的非人為故障，節約了售后費用，從而降低設備的總成本，增加市場競爭力。

[1]楊瑞剛.《機械可靠性設計與應用》.冶金工業出版社，2008.

[2]《機械工程手冊》.機械工業出版社.

[3]《物流技術與應用》.2010.