劉友朋 孫樹峰 吳宇東 趙志理
北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007
近年來由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場的需求,物流倉儲(chǔ)行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。自動(dòng)化立體倉庫是現(xiàn)代物流技術(shù)的重要發(fā)明,也是物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域最主要的技術(shù)之一。自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)主要由貨架、堆垛機(jī)系統(tǒng)、輸送機(jī)系統(tǒng)、托盤、叉車(或AGV)以及計(jì)算機(jī)系控制、監(jiān)控和管理系統(tǒng)組成。2015 年1 月1 日GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》開始實(shí)施,對自動(dòng)化立體倉庫的建筑消防安全做出了強(qiáng)制性規(guī)定。以丙二類倉庫為例,當(dāng)耐火等級為一、二級別時(shí),防火分區(qū)最大1 500 m2,超過此防火分區(qū)必須設(shè)置消防門??紤]到消防安全要求,需要在自動(dòng)化立體倉庫內(nèi)設(shè)置防火卷簾門,常用的防火卷簾門厚度一般大于等于400 mm。由于自動(dòng)化立體倉庫建筑面積較大,鏈條輸送機(jī)要完成外圍輸送作業(yè)往往要穿過防火卷簾門。在防火卷簾門的下方,若采用普通的鏈條輸送機(jī),當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),由于鏈條輸送機(jī)不能移動(dòng),防火卷簾門只能落在鏈條輸送機(jī)上,無法做到完全封閉,影響自動(dòng)化立體倉庫的安全,不能滿足建筑消防安全要求。普通鏈條輸送機(jī)需要加上側(cè)移、翻轉(zhuǎn)、伸縮等機(jī)構(gòu),才能實(shí)現(xiàn)防火卷簾門落,達(dá)到完全封閉狀態(tài),滿足消防要求。
目前國內(nèi)穿過防火卷簾門區(qū)域的鏈條輸送機(jī)有側(cè)移式鏈條輸送機(jī)和翻轉(zhuǎn)式鏈條輸送機(jī)2 種類型。2 類輸送機(jī)一定程度上能夠滿足防火卷簾門的通過要求,但在高效率要求或較寬防火卷簾門項(xiàng)目中,2 類輸送機(jī)各自的局限性制約了輸送系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
側(cè)移式鏈條輸送機(jī)是在鏈條輸送機(jī)的基礎(chǔ)上增加1套驅(qū)動(dòng)裝置、軌道和限位機(jī)構(gòu),軌道安裝時(shí)避開防火卷簾門,通過驅(qū)動(dòng)裝置可以在導(dǎo)軌上左右移動(dòng),與左右2 側(cè)鏈條輸送機(jī)對接。當(dāng)防火卷簾門需要關(guān)閉時(shí),側(cè)移式鏈條輸送機(jī)移出防火卷簾門下方,防火卷簾門能正常關(guān)閉。
側(cè)移式鏈條輸送機(jī)亦存在不足之處:1)每次托盤從鏈條輸送機(jī)上通過時(shí),設(shè)備至少需要進(jìn)行一次對接,降低了輸送效率,對于出入庫效率高的自動(dòng)化立體倉庫,此類設(shè)備不適用;2)考慮到鏈條輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,最大側(cè)移距離受輸送托盤貨物質(zhì)量的限制,例如國內(nèi)常用規(guī)格托盤1 200 mm×1 000 mm,貨物質(zhì)量1 000 kg,為保證托盤物料安全要求側(cè)移的距離小于300 mm,對于較寬的消防門無法滿足要求。
翻轉(zhuǎn)式鏈條輸送機(jī)是在鏈條輸送機(jī)的基礎(chǔ)上增加一套驅(qū)動(dòng)裝置、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和到位檢測裝置。翻轉(zhuǎn)式鏈條輸送機(jī)位于防火卷簾門的正下方,設(shè)置2 套支腿,布置在防火卷簾門的兩側(cè),1 套支腿用于翻轉(zhuǎn)時(shí)的主支承,另外1 套用于翻轉(zhuǎn)落下后共同支承。當(dāng)防火卷簾門需要關(guān)閉時(shí),驅(qū)動(dòng)裝置通過鏈條帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),整個(gè)鏈條輸送機(jī)繞翻轉(zhuǎn)軸翻起,避開防火卷簾門區(qū)域,防火卷簾門快速落下。
翻轉(zhuǎn)式鏈條輸送機(jī)亦存在不足之處:1)翻轉(zhuǎn)時(shí)鏈條輸送機(jī)要根據(jù)防火卷簾門高度設(shè)計(jì),翻轉(zhuǎn)時(shí)不能與之干涉,致使此類設(shè)備不適用較低的防火卷簾門門洞;2)翻轉(zhuǎn)時(shí)整個(gè)鏈條輸送機(jī)質(zhì)量都由翻轉(zhuǎn)軸承載,由此產(chǎn)生的彎曲力矩容易造成翻轉(zhuǎn)軸彈性變形、鏈條松弛引發(fā)跳齒,進(jìn)而影響翻轉(zhuǎn)效率。
根據(jù)消防要求并結(jié)合防火卷簾門的特點(diǎn),提出1 種伸縮式鏈條輸送機(jī)設(shè)計(jì)。即在鏈條輸送機(jī)的基礎(chǔ)上增加1 套伸縮機(jī)構(gòu),與前后兩側(cè)鏈條輸送機(jī)配合。防火卷簾門開啟時(shí),伸縮機(jī)構(gòu)處于伸出狀態(tài),托盤貨物能正常通過,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉庫的輸送功能;防火卷簾門需要關(guān)閉時(shí),伸縮機(jī)構(gòu)縮回,運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠,滿足消防要求。
伸縮式鏈條輸送機(jī)主要由3 段分別獨(dú)立的鏈條輸送機(jī)以及1 套伸縮機(jī)構(gòu)組成。3 段獨(dú)立的鏈條輸送機(jī)包括固定段鏈條輸送機(jī)(以下簡稱固定段)、伸縮段鏈條輸送機(jī)(以下簡稱伸縮段)、配合段鏈條輸送機(jī)(以下簡簡稱配合段)。伸縮機(jī)構(gòu)位于固定段和伸縮段之間,通過伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),伸縮段能在固定段上靈活伸出或縮回。固定段和配合段分別位于消防門的兩側(cè),防火卷簾門中間設(shè)置伸縮段。固定段的鏈條間距較大,伸縮段的鏈條在其內(nèi)側(cè),安裝在固定段機(jī)架上方。防火卷簾門開啟時(shí),伸縮段通過導(dǎo)向槽搭接在配合段鏈條機(jī)(見圖1a);消防門關(guān)閉時(shí),伸縮段處于固定段的內(nèi)側(cè)(見圖1b)。

圖1 防火卷簾門
伸縮段的鏈條處于固定段內(nèi)側(cè),縮回狀態(tài)時(shí),鏈條不互相干涉、伸縮自如。3 段鏈條輸送機(jī)配置獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置、張緊系統(tǒng)等,可分別進(jìn)行托盤輸送。伸縮機(jī)構(gòu)由減速電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)軌滑塊、齒輪齒條組成,齒輪安裝在減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上,減速電動(dòng)機(jī)設(shè)置在固定段機(jī)架底部,齒條安裝在伸縮段底部,齒輪與齒條嚙合,通過減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)伸縮段進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。為了減小摩擦阻力、保證伸縮運(yùn)動(dòng)的直線度,伸縮段的底部安裝2條導(dǎo)軌,固定段的機(jī)架上安裝4 個(gè)滑塊,導(dǎo)軌滑塊之間滾動(dòng)摩擦,較小的摩擦系數(shù)可以選配低功率電動(dòng)機(jī),以降低設(shè)備制造成本。
伸縮段是伸縮式鏈條輸送機(jī)的核心,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理是整機(jī)完成輸送目標(biāo)的關(guān)鍵?;谏炜s段工作原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),合理布置各部件配合關(guān)系,如圖2所示。
防火卷簾門開啟時(shí),伸縮段穿過消防門,3 段鏈條輸送機(jī)連為1 個(gè)整體,輸送托盤穿過防火卷簾門下方;防火卷簾門關(guān)閉時(shí),伸縮段縮回,防火卷簾門落到地面上,防火分區(qū)完全隔離,符合消防要求。
當(dāng)防火卷簾門需要關(guān)閉時(shí),消防系統(tǒng)給PLC 發(fā)出關(guān)閉信號,PLC 要求固定段、伸縮段、配合段上的位置檢測光電傳感器檢測其上方是否有托盤,如果存在托盤,托盤快速通過防火卷簾門區(qū)域。PLC 驅(qū)動(dòng)伸縮減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)輸出軸帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪與齒條嚙合,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),伸縮段沿齒條方向上運(yùn)動(dòng),伸縮段與導(dǎo)軌滑塊連接,保證其運(yùn)動(dòng)的直線度,避免伸縮過程中發(fā)生偏移。當(dāng)伸縮段脫離防火卷簾門區(qū)域到達(dá)限制位置時(shí),伸縮段上的檢測片觸發(fā)固定段上的接近開關(guān),伸縮減速電動(dòng)機(jī)停止,伸縮動(dòng)作完成,PLC 給消防系統(tǒng)發(fā)送信號,驅(qū)動(dòng)消防電動(dòng)機(jī),防火卷簾門落到地面上,防火區(qū)域完全隔離。
當(dāng)防火卷簾門開啟后,消防系統(tǒng)發(fā)出信號給PLC,PLC 驅(qū)動(dòng)伸縮減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)伸縮段外伸運(yùn)動(dòng)。伸縮段的導(dǎo)向槽到達(dá)固定段的導(dǎo)向板位置,伸縮段與配合段連接完好,檢測片觸發(fā)接近開關(guān),伸縮減速電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng),伸出動(dòng)作完成,托盤能正常輸送。
在自動(dòng)化立體倉庫中,鏈條輸送機(jī)的主要作用是將托盤貨物從初始位置輸送到指定位置,提高物流運(yùn)輸效率。鏈條輸送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)裝置、張緊裝置、機(jī)架、鏈條、鏈輪等組成。輸送原理為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng),通過托盤與鏈條之間的摩擦力,帶動(dòng)托盤沿鏈條運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行位移。
物流行業(yè)輸送托盤用的鏈條輸送機(jī)速度不高,但傳動(dòng)扭矩和功率較大,驅(qū)動(dòng)裝置采用減速電動(dòng)機(jī),通過減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)輸送鏈條的運(yùn)行和托盤貨物的輸送。在使用的過程中由于鏈條節(jié)距受磨損逐漸伸長,影響到鏈條輸送機(jī)的正常工作,因此要設(shè)計(jì)鏈條張緊裝置。張緊裝置的設(shè)計(jì)原則是允許鏈條伸長2 節(jié)鏈條長度,以保證鏈條磨損伸長后拆除2節(jié)鏈條,鏈條輸送機(jī)仍舊能正常工作,提高鏈條的使用壽命。
機(jī)架通常由型材焊接而成,型材采用矩形鋼管,矩形鋼管上方焊接軌道槽,軌道槽里鋪耐磨材料尼龍板,輸送托盤時(shí)滾子鏈條與尼龍板頂部為滾動(dòng)摩擦,可以減少鏈條磨損,降低能量損耗,提高鏈條使用壽命。鏈條的規(guī)格尺寸根據(jù)運(yùn)行速度和鏈條承載進(jìn)行選取,以鏈條輸送機(jī)為例,托盤貨物質(zhì)量1 000 kg,運(yùn)行速度0.25 m/s,為了更為緊湊的布置和增加托盤摩擦力,采用雙排鏈條10B-2。
伸縮機(jī)構(gòu)主要由減速電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、限位裝置組成,各結(jié)構(gòu)配合關(guān)系如圖3 所示。減速電動(dòng)機(jī)安裝在電動(dòng)機(jī)支架上,電動(dòng)機(jī)支架安裝在固定段上,齒輪與減速電動(dòng)機(jī)輸出軸配合安裝。齒條固定在伸縮段底部,通過齒輪驅(qū)動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)伸縮段動(dòng)作。伸縮段的縱梁正下方安裝導(dǎo)軌,4 個(gè)滑塊安裝在固定段的機(jī)架上與導(dǎo)軌配合。導(dǎo)軌滑塊的安裝精度具有較高要求,其安裝板的表面應(yīng)加工平整,安裝滑塊的孔設(shè)計(jì)為長圓孔,可在垂直于導(dǎo)軌運(yùn)行方向上適當(dāng)調(diào)整,抵消加工制造引起的誤差。
伸縮段鏈條底部的縱梁與上橫梁連接,形成框架結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌安裝在縱梁的正下方,且運(yùn)動(dòng)方向與縱梁方向一致,由于滑塊的安裝尺寸較大,故安裝在固定段的機(jī)架上。伸出狀態(tài)時(shí),固定段和伸縮段的鏈條存在部分重合,為實(shí)現(xiàn)托盤平穩(wěn)輸送,4 排鏈條需要布置在同一水平面內(nèi)。為彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)加工誤差,滑塊底部的橫梁端面連接板設(shè)計(jì)有長圓孔,裝配時(shí)首先將伸縮段調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)高度并固定,橫梁底部有細(xì)牙螺栓,可以頂住橫梁并用螺母鎖緊防止橫梁下沉。
由于自動(dòng)化立體倉庫輸送設(shè)備高度要求的限制,伸縮減速電動(dòng)機(jī)采用斜齒輪-傘齒輪減速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)固定在電動(dòng)機(jī)支撐板上,電動(dòng)機(jī)支架與固定段的橫梁用U 形螺栓連接,電動(dòng)機(jī)支架每端安裝2 個(gè)U 形螺栓,可以沿橫梁左右滑動(dòng),調(diào)整齒輪齒條處于最佳嚙合位置,擰緊U 形螺栓以固定。采用U 形螺栓固定電動(dòng)機(jī)支架,可以避免齒輪齒條安裝中間隙過大或過小等問題,保證齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。
當(dāng)伸縮機(jī)構(gòu)處于伸出狀態(tài)時(shí),伸縮段依靠4 個(gè)滑塊支承且處于懸臂狀態(tài),故在配合段設(shè)置支承結(jié)構(gòu)用于承載伸縮段的懸臂端。在伸縮段的懸臂端設(shè)計(jì)4 個(gè)導(dǎo)向槽,配合段首端設(shè)計(jì)2 個(gè)導(dǎo)向板,導(dǎo)向槽和導(dǎo)向板的外段都加工倒角,便于二者連接配合。伸縮機(jī)構(gòu)伸出到達(dá)極限位置時(shí),導(dǎo)向板插入導(dǎo)向槽,伸縮減速電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行并打開抱閘,伸縮機(jī)構(gòu)沿鏈條運(yùn)行方向固定,導(dǎo)向槽和導(dǎo)向板固定另外2 個(gè)方位自由度。伸縮段的懸臂端連接于配合段,3 段鏈條機(jī)固定為1 個(gè)整體,使得托盤物料順利通過防火卷簾門。
防火卷簾門下的鏈條輸送機(jī)采用伸縮機(jī)構(gòu),除滿足消防門通過性要求外,伸縮式鏈條輸送機(jī)還具有以下特點(diǎn):
1)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高。伸縮段采用齒輪齒條傳動(dòng),導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)向,伸縮動(dòng)作時(shí)摩擦力小,驅(qū)動(dòng)功率顯著降低;摩擦阻力小,從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行平穩(wěn)、減小了運(yùn)行中的沖擊和振動(dòng),安全可靠。
2)防火卷簾門寬度小于650 mm 時(shí),設(shè)備可以適用于不同寬度的防火卷簾門,伸縮段長度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。在自動(dòng)化立體倉庫中,伸縮式鏈條輸送機(jī)可以應(yīng)用于不同寬度的防火卷簾門,無需更改設(shè)備尺寸,僅修改接近開關(guān)的位置即可,設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。
3)可以跨越較大寬度的防火卷簾門。伸縮式鏈條輸送機(jī)具備大跨度伸縮能力,可以滿足特殊項(xiàng)目的伸縮要求,如某項(xiàng)目實(shí)施過程中要求伸縮距離為900 mm,僅伸縮式鏈條輸送機(jī)可以適用實(shí)施要求,側(cè)移設(shè)備、翻轉(zhuǎn)設(shè)備均難以實(shí)現(xiàn)此距離。
導(dǎo)軌滑塊和伸縮減速電動(dòng)機(jī)是伸縮段的重要部件,準(zhǔn)確選型是制約伸縮式鏈條機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素?;诶碚摿W(xué)分析模型,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行導(dǎo)軌滑塊和減速電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算,得到規(guī)格選型最優(yōu)解。首先計(jì)算導(dǎo)軌滑塊承受的最大壓力,選型導(dǎo)軌滑塊,并進(jìn)行校核計(jì)算;根據(jù)伸出或縮回狀態(tài),分析齒輪承受的最大切向力,計(jì)算得到減速電動(dòng)機(jī)最大扭矩,結(jié)合伸縮速度求得電動(dòng)機(jī)功率,參照減速電動(dòng)機(jī)規(guī)格表進(jìn)行合理選型。
簡化導(dǎo)軌滑塊受力模型如圖4 所示,計(jì)算滑塊受到的最大壓力。導(dǎo)軌滑塊處于伸出狀態(tài)時(shí),與配合段搭接之前,導(dǎo)軌懸臂處于最大位置時(shí),滑塊受到的壓力最大,建立三維模型并求出導(dǎo)軌上伸縮段的重力和位置,由于加速度數(shù)值很小,慣性力對計(jì)算導(dǎo)軌滑塊受到的壓力影響不大,為了方便計(jì)算忽略慣性力。

圖4 導(dǎo)軌滑塊懸臂受力示意圖
式中:F為伸縮段所有部件的重力和,Pmax=P1最大。
考慮負(fù)載、安裝等原因,選型MSA30 導(dǎo)軌。當(dāng)直線導(dǎo)軌使用在慢速運(yùn)動(dòng)的情況下,需要考慮安全系數(shù)。
式中:C0為基本額定靜載荷,Pmax為滾子功能部件在垂直于運(yùn)功方向所受最大靜載荷.
經(jīng)式(1)、式(5)計(jì)算,并查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第二卷》直線導(dǎo)軌靜態(tài)安全系數(shù)表,所選導(dǎo)軌的靜態(tài)安全系數(shù)結(jié)果滿足要求。
伸縮機(jī)構(gòu)上安裝2 條導(dǎo)軌,每條導(dǎo)軌配置2 個(gè)滑塊?;瑝K導(dǎo)軌進(jìn)行伸出或縮回動(dòng)作時(shí),歷經(jīng)勻加速、勻速、勻減速3 個(gè)階段。其中
式中:t1為勻加速或勻減速時(shí)間,t2為勻速時(shí)間,t為運(yùn)行總時(shí)間,S為伸出或縮回時(shí)運(yùn)行距離。
在勻加速時(shí),齒輪受到的切向力最大,為伸縮段在導(dǎo)軌上的摩擦力和慣性力之和。
式中:μ為導(dǎo)軌滑塊的摩擦系數(shù),f為伸縮段在導(dǎo)軌上的摩擦力,F(xiàn)1為齒輪受到的切向力,mg為伸縮段質(zhì)量。
根據(jù)F1的計(jì)算結(jié)果選取齒輪模數(shù)。伸縮機(jī)構(gòu)采用的開式齒輪齒條傳動(dòng),輪齒主要為磨損失效,模數(shù)不宜選的太小。電動(dòng)機(jī)需要輸出的扭矩為
式中:T為電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩,K為安全系數(shù),R為齒輪分度圓半徑。
電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為
根據(jù)齒輪所需功率扭矩的結(jié)果進(jìn)行減速電動(dòng)機(jī)的選型。選用標(biāo)準(zhǔn)托盤尺寸及常用載重進(jìn)行計(jì)算,得到伸縮扭矩為19 N·m,選用斜齒輪-傘齒輪系列減速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),對照電動(dòng)機(jī)規(guī)格表確定電動(dòng)機(jī)功率為0.18 kW。減速電動(dòng)機(jī)要帶抱閘功能,當(dāng)伸縮段伸出狀態(tài)到位停止時(shí),抱閘打開,此時(shí)伸縮段處于鎖緊狀態(tài)。
1)根據(jù)消防要求并結(jié)合防火卷簾門的特點(diǎn),提出一種伸縮式鏈條輸送機(jī)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)完成伸縮動(dòng)作,導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行導(dǎo)向,可實(shí)現(xiàn)大跨度伸縮要求,具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等特點(diǎn),顯著提高防火卷簾門區(qū)域托盤物料輸送效率。
2)針對伸縮式鏈條輸送機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行導(dǎo)軌滑塊和減速電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算,得到規(guī)格選型最優(yōu)解,校驗(yàn)選型部件安全系數(shù),驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性。