巷道堆垛機常見故障分析及設備運行保障

巷道堆垛機是自動化立體倉庫的主機設備，用于高層自動化倉庫中完成存取托盤的功能，具有節約場地和人力、作業迅速準確、提高存取效率以及降低儲運費用的優點。巷道堆垛機的頂部和底架分別裝有一組及兩組導行輪，分別導持著天軌和地軌。走行伺服電機驅動地軌上的行走輪使堆垛機沿天地軌水平行走。升降臺在伺服電機的驅動下由鋼絲繩拉動使其沿兩側立柱導軌完成升降運動。升降臺上安裝有貨叉，平移電機驅動鏈條傳動機構，使叉體完成左右平移動作。堆垛機的行走、升降和貨叉伸縮運動，分別在電控系統協調控制下完成本巷道對站臺的托盤出入庫工作。

隨著使用時間的不斷增加，堆垛機各零部件老化，堆垛機故障停機頻次增多。由于堆垛機停機后需要維修人員前往堆垛機排除故障后才能再次運行，頻繁地停機一方面加大了維修人員的工作量，增加設備損耗，同時也影響物流效率。正確有效地處理故障有利于降低堆垛機故障停機頻次，延長使用壽命，提高物流效率。

一、常見故障的分析及問題匯總

某工廠堆垛機設備使用已有十余年，故障停機頻次已經明顯增多，工廠內部所有的堆垛機故障停機頻次統計表和繪制柏拉圖，如表1、圖1。

表1 堆垛機故障停機頻次統計表

由圖1可看出，超極限、貨姿、叉超、行差和測距是堆垛機最容易發生的故障類型。

貨叉機構是由減速機驅動的一個鏈齒條機構，使得中叉體和上叉體左右伸縮，叉取或存放托盤。貨叉超極限的原因是貨叉在運動時超出了限位開關而報警，通過對堆垛機貨叉運行情況的反復觀察，發現部分堆垛機貨叉的減速電機老化，貨叉在減速運動時制動力不夠，較大的慣性讓貨叉沖出極限位置。減速電機老化但依然可以使用，考慮在不更換減速電機的前提下，通過改變貨叉加速度來減小貨叉慣性，達到解決貨叉超極限故障的目的。貨叉超時是貨叉沒有在規定時間內運行到目標地點，主要原因與貨叉本身的機械故障有關，例如貨叉磨損、卡頓嚴重。

堆垛機設有貨格虛實探測、臺內檢測、貨物超長檢測、貨物外型檢測裝置等檢測器，來檢測貨物是否在貨架的中心。貨姿異常故障是指托盤貨物在堆垛機貨架內出現超長、超寬或超高的現象遮擋住貨位傳感器，產生的原因主要有三個方面：一是托盤貨物本身的垛型不整齊，二是堆垛機貨架松動，三是堆垛機貨位傳感器故障。

堆垛機走行系統設有極限限位裝置，以限制堆垛機的正常工作范圍，在沿天地軌進行走行運動的運行速度為200m/min。當堆垛機停止時制動力不夠、制動距離過短、激光測距不準確時，堆垛機停止后當前值與目標值差10mm以上，堆垛機報走行超差故障。該故障出現時，主要需排查堆垛機走行傳感器、制動電機、限位減速片、減速軌道和激光測距的故障。

堆垛機激光測距的目的是對堆垛機在天地軌方向進行定位，能夠準確找到取貨和放貨的位置。激光測距故障一般與激光測距儀老化或者反射板面積過小有關。堆垛機走行傳感器，如圖2。

由此總結出常見故障原因，如表2。

圖1 A堆垛機故障停機頻次柏拉圖

二、問題解決思路

1.貨叉加速度過大

由于過大的加速度賦予了貨叉較大的慣性，因此可嘗試適當降低貨叉加速度。以某一臺堆垛機為例。貨叉運行速度為83cm/s，貨叉運行距離約為120cm，目前貨叉進行一次工作的時間為2秒，加速過程0.2m秒，勻速過程0.8秒，減速過程1秒，貨叉的加速減速近似于勻加速、勻減速，因此計算過程以恒定的加速度來考慮。

其中，S=120cm-83cm=37cm

由于貨叉運動距離120cm是固定的，貨叉最大速度也是固定的。因此調整貨叉運行時間，我們將最終時間多增加0.2秒，繪制出變化圖，如圖4。

貨叉運行時間增加將降低堆垛機的物流效率，而較短的運行時間則會讓堆垛機因為貨叉極限故障而頻繁停機，因此針對該堆垛機做了多次試驗，研究極限故障率與貨叉運行時間的關系，如圖5。

假設堆垛機出現故障，維修人員處理一次故障的維修時間遠遠大于貨叉運行時間，因此把故障率降低為0才能最大程度提高效率。從圖像上可以得出，2.15秒是該堆垛機的最佳貨叉運行時間。

圖2 堆垛機走行傳感器

表2 堆垛機常見故障原因匯總表

表3 堆垛機常見故障原因匯總表

圖3 改進前貨叉速度變化圖

圖4 改進后貨叉速度變化圖

同理可以對其余堆垛機進行相同的實驗，通過優化它們的最佳貨叉運行時間來降低貨叉加速度，減小貨叉慣性，達到降低貨叉超極限故障率的目的。

2.貨叉卡頓、磨損嚴重

貨叉的卡頓和磨損大多是由于貨叉缺乏保養造成的，貨叉需要進行維護和潤滑保養/等，如表3。

3.貨物垛型不整齊、堆垛機貨架松動

圖5 極限故障率與貨叉運行時間關系圖

貨物垛型不整齊與貨物的碼垛以及運輸有關。由于人為因素有較多的不確定性，人工碼垛的貨物需要多次檢查貨物是否碼垛到要求的位置，對于機器人碼垛的貨物，我們需要檢查碼垛機器人各零部件是否有損壞、碼垛程序是否正常、機器人零點是否校正等。除此之外，要檢查鏈條、輥筒等輸送設備是否有翹邊、磨損。

堆垛機貨架松動會導致堆垛機沿天地軌做走行運動時產生顛簸，貨物抖動造成貨姿故障，出現貨架松動時需要對貨架進行全方面檢查。檢查立柱：外觀、螺母螺栓、電纜及固定條，檢查載貨臺電機有無松動、裂紋、過熱或異常響聲，檢查保養載貨臺滾輪、軸承，緊固伸叉軸承，手動檢查伸叉，保證其動作的準確性與平衡性。檢查提升繩斷繩檢測裝置及抱死裝置，調整正常，檢查提升鋼絲繩、鏈輪及軸承，保證升降安全可靠。

4.傳感器故障

堆垛機各個部位均分布負責檢測各種功能的傳感器，以保障堆垛機、升降臺、貨叉等的運動能在安全范圍內進行，因此傳感器導致的故障在大部分堆垛機故障類型中均有涉及。傳感器常見故障可以分為三類，分別是傳感器位置偏移、傳感器元部件損壞和PLC輸入模塊故障。如果PLC輸入模塊信號燈正常顯示說明傳感器和PLC輸入模塊正常，這時可能是傳感器位置發生偏移，需手動調整傳感器位置并固定好。若輸入模塊信號燈熄滅，則可能是輸入模塊或傳感器異常，此時看信號燈是全部熄滅還是只有連接傳感器的部分熄滅，全部熄滅則說明PLC輸入模塊故障，需更換PLC輸入模塊，若只是連接傳感器部分熄滅則一般是傳感器元部件損壞，更換傳感器即可排除故障。

圖6 堆垛機設備運行保障體系圖

5.走行制動系統故障

堆垛機出現走行超差故障是由走行制動系統異常造成的，出現故障后要檢查限位減速片功能是否正常，限位減速片通過檢測開關檢測進入作業危險區的速度狀態，若狀態不是遞減狀態將報警停機。其次檢查減速電機的電機軸、減速機構以及齒輪是否有損壞，減速輸出的扭力矩是否足夠，對損耗較為嚴重的零部件進行換新。最后檢查地面上的減速軌道是否正常，由于使用時間較長，部分減速條可能磨損嚴重，減速效果大幅度降低，此時應對減速軌道的減速條進行修復。

6.激光測距儀故障

過去使用的老式激光測距儀校對復雜，容易死機，再加上使用年限較長，激光測距儀精度不夠，由于堆垛機行駛路徑較長，測距儀射出激光稍有偏移反射回來就會有一定誤差，反射板過小時甚至都無法射到反射板上。因此如果激光測距故障頻繁，建議更換新型號的激光測距設備，選用保障遠距離激光測距精度并且反射板足夠大的激光測距儀。

三、堆垛機的運行保障體系

以往我們對于堆垛機的管理模式可能主要停留在設備層面，即當堆垛機出現故障時就針對故障本身排除故障，并沒有深究故障的根源。例如，出現貨姿故障，就將物料整理好后復位；出現貨叉超時、貨叉超極限故障，就調整貨叉位置復位；出現行差、測距故障，就返回原點重新測量。這些解決方式能暫時消除堆垛機故障，但問題的“水分”、“泡沫”都還在，即產生故障最根本的問題還在，這也是最容易被忽略的問題。這樣的管理模式存在不少的隱患，當前堆垛機停機頻率還在可控范圍內，但如果不解決背后的問題，隨著設備、系統等的老化，停機頻率在未來有可能大幅增加。

“凈管理”是目前興起的一種新型管理模式，以問題為導向，以目標精準、過程簡潔、結果真實為管理要素，通過擠出“水分泡沫”來實現高效精確的管理目標。我們依托“凈管理”模式，對當前存在的各類故障的“水分泡沫”進行剖析，總結出上述列舉出的6個根源問題，之后針對這些問題提出對策各個擊破，確保能夠從根本上解決堆垛機故障。在使用該模式解決堆垛機故障時取得了較為明顯的效果，經過調查改進后堆垛機故障停機頻次降低了63%，因此用 “凈管理”模式的思維來建立堆垛機設備運行保障體系，如圖6。

四、結論與展望

堆垛機老化是目前大多數自動化倉庫都遇到的問題，由于設備老化，故障率上升，堆垛機每次停機都需要修理工去現場排除故障，增加修理負擔的同時更是影響了整個物流系統的工作效率。對于使用年限較長的堆垛機來說，其本身很多零部件老化，各種故障層出不窮，表面排除故障已經無法降低故障頻次，因此解決問題的關鍵在于深入挖掘故障產生的根本原因，針對這些原因提出對策措施解決問題，并結合平時設備的巡檢、維護、保養、潤滑、檢修機制作為后續處理的鞏固措施。本案例通過對堆垛機故障問題的分析解決，建立一套堆垛機設備運行保障體系后，堆垛機的故障頻次顯著降低。通過運用PDCA的精益管理模式來解決問題，快速提高了顧客滿意度、降低了維修成本、提升了物流質量，加快了流程速度，改善了資本投入，提高了精益管理水平。

目前，使用年限較長的大多為老式堆垛機，缺少一套零部件耐久的檢測系統，所以對于故障的原因分析比較繁瑣，如果未來能基于堆垛機的故障原因分析報告研制出一套零部件耐久度檢測系統裝入堆垛機內，就能在故障頻發前知道各零部件的耐久情況，及時更換零部件從而進一步保障堆垛機的正常運行。