重載卷料堆垛機的設(shè)計

文/周維存

隨著物流業(yè)快速發(fā)展，各個行業(yè)對倉儲效率、倉儲智能化的需求日益提升?，F(xiàn)有的堆垛機在搬運和堆垛卷料的過程中，容易引起卷料掉落，導(dǎo)致已有自動倉儲系統(tǒng)暫不能被應(yīng)用在板帶軋制工廠中。因此，如何降低卷料在被堆垛機搬運和堆垛的過程中易掉落的風(fēng)險，成為一個棘手問題[1]。

常規(guī)廠家在生產(chǎn)鋼卷、紙卷等卷料時，針對這些特殊物料的存取有一定難度，使用傳統(tǒng)的輸送設(shè)備占用空間多、存放復(fù)雜、效率低。自動化立體倉庫的應(yīng)用，可以提高卷料的存取效率，降低人工成本與減少倉庫面積，實現(xiàn)高效智能化的管理。不過，由于一些實心卷料，尤其是鋼卷、銅版紙等，貨物重量可達到數(shù)噸甚至十幾噸，需要對重載卷料堆垛機進行設(shè)計開發(fā)。

一、機械結(jié)構(gòu)

金屬結(jié)構(gòu)主要由上橫梁、立柱、下橫梁、安全梯、休息平臺、操作平臺等組成。金屬框架主體結(jié)構(gòu)是由鋼板焊合或槽鋼焊接的開口斷面由鋼板、方管、矩形管等焊接而成，焊接時嚴(yán)格控制焊縫寬度及焊接件結(jié)構(gòu)的垂直度、平行度，以保證整體結(jié)構(gòu)安裝尺寸。

堆垛機天軌使用H125型鋼，地軌使用89Cr鋼軌，以保障堆垛機鋼軌的強度與剛度。上橫梁使用鋼板拼接而成，其結(jié)構(gòu)剛度符合靜剛度要求，變形量計算可控制在橫梁總長度的1/1500以內(nèi)。上面設(shè)有滑輪、天軌導(dǎo)輪、安全保護機構(gòu)、安全繩固定點等。立柱的主體使用鋼板、工字鋼拼接焊接而成，兩側(cè)焊接較寬的扁鋼用于外側(cè)載貨臺的導(dǎo)輪行走；在工字鋼上焊接鋼板與電梯導(dǎo)軌，此類導(dǎo)軌能夠保證在長度較長時，依然保持導(dǎo)軌的垂直度，防止因堆垛機過高使導(dǎo)軌扭曲，以及由此導(dǎo)致載貨臺運行抖動。下橫梁由鋼板拼接焊接而成，內(nèi)設(shè)有筋板，下橫梁結(jié)構(gòu)根據(jù)堆垛機高度設(shè)計，變形量計算符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)靜剛度要求。除主體受力結(jié)構(gòu)外，還在立柱外側(cè)設(shè)有爬梯、休息平臺以方便維修保養(yǎng)。電控柜操作臺設(shè)于堆垛機一側(cè)。

如圖1所示，堆垛機金屬結(jié)構(gòu)具有強度高、剛度好、拼裝簡單、運行軌道垂直度高等特點，但與之相對，此類堆垛機金屬結(jié)構(gòu)重量比常規(guī)堆垛機重很多，現(xiàn)場安裝需要大型設(shè)備配合，施工難度相對較高。由于堆垛機立柱較高，在實際應(yīng)用中立柱需要拼焊，且焊接運輸過程中可能造成立柱扭曲度，導(dǎo)致載貨臺運行到頂部時間隙過大、取貨晃動等問題。在立柱上設(shè)有電梯導(dǎo)軌，該種導(dǎo)軌兩端有凹凸拼接點，在導(dǎo)軌底部設(shè)有墊片，導(dǎo)軌焊接前需要保證整個高度方向上立柱導(dǎo)軌的直線度。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)框架示例圖

由于堆垛機較高、貨物較重，因此該類堆垛機立柱需要特殊制作。如圖2，立柱采用拼焊方式，堆垛機內(nèi)側(cè)使用工字鋼作為主要承載，其外側(cè)焊接扁鋼用于載貨臺運行導(dǎo)向。由于立柱過高，在一定高度后立柱撓度會超過設(shè)計要求值，因此載貨臺內(nèi)側(cè)導(dǎo)向軌采用電梯導(dǎo)軌，并在工字鋼與導(dǎo)軌之間通過加入調(diào)整墊來控制導(dǎo)軌的平面度。

圖2 立柱結(jié)構(gòu)示例圖

通過細化設(shè)計計算，可計算出金屬框架各部件重量，共計總重量約23t，載貨臺重量約3.6t，貨物重量約12t，貨叉重量約1t，兩根立柱導(dǎo)軌之間跨距約3m。

圖3為下橫梁截面示例圖。

圖3 下橫梁截面示例圖

根據(jù)上邊的截面參數(shù)，可計算出慣性矩I=1629104666（mm^4），彈性模量E=206000。

通過細化設(shè)計，可計算出堆垛機總重量約37t，貨物重量12t。

下橫梁行走輪之間跨距L=5650mm，立柱中心與支點距離a=1010，要求載貨臺靜剛度小于跨距1/1500要求。由此公式可計算出最大撓度fmax≈2.82＜（5650/1500≈3.77），滿足要求。

如圖4，載貨臺主要由起升導(dǎo)向輪、金屬框架等組成。載貨臺上裝有存取卷料貨物的貨叉伸縮機構(gòu)、用于卷料貨物導(dǎo)向的導(dǎo)向架、鋼絲繩滑輪，以及用于距離和位置檢測的開關(guān)等。載貨臺通過起升機構(gòu)的電動機使鋼絲繩上下移動，從而帶動載貨臺沿立柱的垂直方向升降。

圖4 載貨臺示例圖

圖6 載貨臺導(dǎo)輪設(shè)置示例圖

圖8導(dǎo)向架使用工況示例圖

圖5中的左圖為載貨臺示意圖，載貨臺框架是由矩形管、方管、鋼板等金屬機構(gòu)拼接焊接而成。右圖為載貨臺水平框架截面圖，使用200×400工字鋼與鋼板焊接而成，根據(jù)該截面尺寸可以使用軟件（AutoCAD、Caxa等）計算出其慣性矩，用于計算水平框架的靜剛度。

圖5 載貨臺及水平框架截面示例圖

在貨叉滿載貨物時，依然能保證其靜剛度滿足撓度變形量在垂直框架跨距1/1500以內(nèi)的要求。載貨臺上面的導(dǎo)向架通過帶座軸承可以調(diào)節(jié)導(dǎo)向角度，以滿足不同規(guī)格的卷料取貨導(dǎo)向作用，使載貨臺具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用性。

由于貨物重量約12t，遠超過一般貨物。因此，要保證載貨臺的框架結(jié)構(gòu)的靜剛度要求，必須使用較大的型鋼作為主要承載結(jié)構(gòu)。根據(jù)如上截面參數(shù)，可計算出慣性矩I=396527302 (mm^4)，彈性模量E=206000，載貨臺之間跨距L=2000mm，貨物重量約12t，貨叉重量約1t，要求載貨臺靜剛度小于跨距1/1500要求。

由此公式可計算出最大撓度fmax≈0.29＜(2000/1500≈1.33)，滿足要求。

在貨叉伸出取貨時，由于貨物過重，且卷料的重心偏差，載貨臺可能會在寬度方向上有較大的偏重力，因此需要在導(dǎo)軌的外側(cè)和內(nèi)側(cè)均設(shè)有導(dǎo)輪，以保證設(shè)備運行的穩(wěn)定。

二、取貨機構(gòu)

貨叉伸縮機構(gòu)是堆垛機存取貨物的執(zhí)行機構(gòu)，裝設(shè)在載貨臺上。固定貨叉安裝在載貨臺上，固定貨叉、伸縮貨叉（中）、伸縮貨叉（上）之間由鏈輪鏈條進行連接。電機減速器通過鏈輪由鏈條驅(qū)動鏈輪軸上的鏈輪，再由鏈輪軸上兩個鏈輪帶動鏈條、鏈條驅(qū)動伸縮貨叉（中）從固定貨叉中點向左或向右伸縮時，又帶動伸縮貨叉（上）進行伸縮。為防止卷料滾動，設(shè)計出一種V型貨叉進行存取。

如圖7，卷料貨物因其特殊的外形，無法使用常規(guī)托盤存取貨物，因此采用此種貨叉可以將卷料從托盤中解放出來，使用該種貨叉即可實現(xiàn)存取，并且可以兼容不同大小的卷料貨物。卷料貨物因通常由紙卷、金屬卷等薄片狀材料卷起而成，而卷料的整體重量非常大，因此外部材質(zhì)實際很容易被鋼鐵等金屬擠壓變形造成損壞，所以上叉支撐板采用合金鋼+尼龍板材質(zhì)（MC901）的V型貨叉，尼龍板表面粗紋理增加最大靜摩擦力防止取貨時發(fā)生打滑。

圖7 貨物示例圖

貨叉采用V型結(jié)構(gòu)來放置，可以防止卷料的徑向滾動，但是在取貨過程中卷料可能會因為慣性而滾出V型區(qū)域，因此需要制作導(dǎo)向架來防止卷料的滾動。該導(dǎo)向架的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計了兩個電動推桿，通過電動推桿驅(qū)動擺動的連桿實現(xiàn)對不同外徑的卷料限位。當(dāng)導(dǎo)向架接觸載貨臺與貨物時，觸發(fā)機械開關(guān)，推桿機構(gòu)停止擺動，對卷料進行導(dǎo)向。導(dǎo)向架使用工況示例圖，如圖8。

三、安全保護裝置

安全保護裝置是堆垛機的重要裝置之一。當(dāng)堆垛機的載貨臺升降時，如某種原因（如同步帶斷裂、鋼絲繩斷裂、起升電機或減速機斷軸等）引起載貨臺超速下墜，安全保護裝置可不依賴其他動力驅(qū)動機構(gòu)和電氣系統(tǒng)，迅速將載貨臺可靠地夾持在起升導(dǎo)軌上，達到防墜保護作用。

該堆垛機載貨臺設(shè)有夾緊鉗保護裝置，在下橫梁設(shè)有超速保護棘輪，當(dāng)鋼絲繩斷裂時，載貨臺超速下墜，棘輪達到一定速度后制動，從而帶動載貨臺夾緊機構(gòu)啟動，通過軟軸將載貨臺兩側(cè)夾緊鉗牢牢夾緊在運行導(dǎo)軌上，從而使載貨臺減速制動。

安全保護裝置布置示例圖，如圖9。夾緊鉗示例圖，如圖10。

圖9 安全保護裝置布置示例圖

圖10 夾緊鉗示例圖

安全鉗選型計算：根據(jù)國家安全規(guī)范JB 5319.2—91對安全鉗要求，5.1.1.1 捕捉器產(chǎn)生的制動力，應(yīng)不小于被制動部分全部載荷的1.25倍。

安全鉗選型：根據(jù)GB7588-2003中9.8.21規(guī)定，若電梯額定速度大于0.65m/s，轎廂應(yīng)采用漸進式安全鉗裝置。若電梯額定速度小于或等于0.63m/s，轎廂可采用瞬時式安全鉗裝置。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》，漸進式安全制動力的大小與轎廂系統(tǒng)質(zhì)量相關(guān)，其之間的關(guān)系如下所示：

式中：F——制動力，N；

P——轎廂質(zhì)量，kg；

Q——額定載重量，kg；

本項目起升速度為20m/min，即為0.33m/s，小于上述國標(biāo)規(guī)定的0.63m/s，故選擇瞬時安全鉗裝置，符合要求。

選型校核：速度為0.33m/s，小于額定速度0.63 m/s，故符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；

總允許質(zhì)量：載貨臺總質(zhì)量P= 5000kg，額定載荷Q=12000kg，單臺使用兩個安全鉗同時作用，允許質(zhì)量P+Q=17000<（19000×2=38000），安全鉗的制動力是被制動部分全部載荷的2.23倍，大于國家規(guī)范要求的1.25倍，選用的安全鉗型號符合國家規(guī)定。

四、機電結(jié)合裝置

堆垛機在巷道中運行時，依靠認址裝置及限位裝置來確定運行的相對距離與位置。在本次堆 垛機設(shè)計中，采用可靠的激光測距認址進行位置判定，定位精度可達±3mm。設(shè)備外部設(shè)有集電臂，采用滑觸線供電。端部設(shè)有紅外通訊裝置，與金屬框架的接收裝置配套使用。對于貨物，貨位檢測裝置設(shè)有超高、超寬、外形坍塌、探測貨物等多組傳感器。使該設(shè)備能夠具有堆垛機完備的大多數(shù)功能。

堆垛機在使用過程中的夾緊安全裝置也在其中設(shè)置電氣檢測，在鋼絲繩松繩或斷裂時，亦可以進行檢測。

機電結(jié)合布置示例圖，如圖11。松繩保護裝置示例圖，如圖12。

圖11 機電結(jié)合布置示例圖

圖12 松繩保護裝置示例圖

五、結(jié)論

隨著堆垛機技術(shù)在國內(nèi)自動化倉儲領(lǐng)域的普及與完善，現(xiàn)有常規(guī)堆垛機已無法滿足日益增長的物料種類需求，因此需要有針對性地推動重載、超高等堆垛機的機型研發(fā)。

本文論述了一種運輸重載卷料貨物的堆垛機，物料特征為圓柱體易滾動、重量大。通過項目案例的參數(shù)，計算校核了該機型結(jié)構(gòu)的強度，能夠符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。并且，設(shè)計了一種特制的導(dǎo)向架機構(gòu)來固定卷料貨物，配合使用V型貨叉，使貨物存放更穩(wěn)定；采用電梯夾緊鉗作為安全保護制動機構(gòu)，安全性更可靠。該機型的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與取貨導(dǎo)向架方案穩(wěn)定可靠，可作為一種適用于重載卷料運輸?shù)慕鉀Q方案。