摘?要：本文主要講述一種用于桁架式鋼結(jié)構(gòu)貨架間運(yùn)輸貨物的堆垛機(jī)，此類(lèi)堆垛機(jī)行走方向、伸叉方向與常規(guī)堆垛機(jī)不同，并且在貨架頂部進(jìn)行巷道更換，類(lèi)似于行車(chē)，但具備堆垛機(jī)的水平取放貨功能。此類(lèi)堆垛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)寬度特別大，載貨臺(tái)特別寬，其運(yùn)載的貨物尺

摘?要：本文主要講述一種用于桁架式鋼結(jié)構(gòu)貨架間運(yùn)輸貨物的堆垛機(jī)，此類(lèi)堆垛機(jī)行走方向、伸叉方向與常規(guī)堆垛機(jī)不同，并且在貨架頂部進(jìn)行巷道更換，類(lèi)似于行車(chē)，但具備堆垛機(jī)的水平取放貨功能。此類(lèi)堆垛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)寬度特別大，載貨臺(tái)特別寬，其運(yùn)載的貨物尺寸遠(yuǎn)超過(guò)一般托盤(pán)物料等常規(guī)貨物，這類(lèi)貨物使用傳統(tǒng)行車(chē)、或者常規(guī)堆垛機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足取貨要求。因此設(shè)計(jì)桁架式堆垛機(jī)主要用于船廠、鋼管廠等貨物超寬且橫向放置的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中。本文采用有限元分析與項(xiàng)目試制驗(yàn)證的方式，考慮了桁架式堆垛機(jī)撓度過(guò)大、驅(qū)動(dòng)輪偏差不同步等因素，設(shè)計(jì)了一種剛度較好、制作工藝簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了客戶的使用要求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：桁架式堆垛機(jī)、超寬堆垛機(jī)

隨著物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的快速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)效率、倉(cāng)儲(chǔ)智能化的需求日益增加。不只是現(xiàn)代化工業(yè)，傳統(tǒng)行業(yè)如船廠、鋼管廠等對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)也有一定的需求。在此背景下，不管是傳統(tǒng)的行車(chē)、還是自動(dòng)化程度較高的堆垛機(jī)，均不能完全滿足運(yùn)輸該類(lèi)貨物的工況，需要非標(biāo)定制專(zhuān)用設(shè)備。該設(shè)備不僅需要滿足傳統(tǒng)行車(chē)的桁架式鋼結(jié)構(gòu)，以克服超寬貨物帶來(lái)的撓度過(guò)大問(wèn)題，也需要帶有貨叉的堆垛取放功能，因此融合兩種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)用設(shè)備開(kāi)發(fā)。在鑄造鋼管、天然氣管、型鋼等生產(chǎn)企業(yè)，由于物料過(guò)長(zhǎng)，占地空間較大，耗時(shí)耗力，儲(chǔ)存物料困難。該機(jī)型可以為這類(lèi)特殊貨物節(jié)約成本，提高存儲(chǔ)效率，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化。

一、設(shè)計(jì)特點(diǎn)與分析

常規(guī)堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)為上橫梁、立柱、下橫梁組合而成的金屬框架，在巷道內(nèi)水平運(yùn)行，結(jié)構(gòu)一般較為穩(wěn)定。由于堆垛機(jī)需要配合常規(guī)托盤(pán)使用，其大致結(jié)構(gòu)與尺寸大同小異。而桁架式不同于常規(guī)堆垛機(jī)，它的應(yīng)用工況是在貨架頂部進(jìn)行水平運(yùn)行，因此其金屬結(jié)構(gòu)無(wú)立柱，其框架結(jié)構(gòu)需要融合上橫梁、下橫梁的功能，既要安裝行走輪，也需要安裝起升鏈條卷筒，使其能夠在貨架頂部運(yùn)行。

由于鋼管結(jié)構(gòu)等貨物的規(guī)格特殊，其長(zhǎng)度特別長(zhǎng)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際托盤(pán)的尺寸，因此需要將金屬結(jié)構(gòu)、載貨臺(tái)寬度加寬到十余米。由于框架、載貨臺(tái)的尺寸過(guò)寬，因此該結(jié)構(gòu)靜載撓度遠(yuǎn)大于常規(guī)堆垛機(jī)。在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算與軟件分析，才能保證結(jié)構(gòu)的剛度，防止撓度過(guò)大造成的取貨偏差與運(yùn)行問(wèn)題。

設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)施項(xiàng)目后，對(duì)于制作工藝與結(jié)構(gòu)變形量與軟件模擬還是存在一定區(qū)別?，F(xiàn)場(chǎng)在安裝設(shè)備時(shí)，由于橫梁、載貨臺(tái)過(guò)寬，安裝軌道時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，測(cè)量工具不能滿足測(cè)量要求，只能使用激光測(cè)距，因此需要特別注意軌道的安裝平行度。且對(duì)于貨架的承重、安裝精度要有較嚴(yán)格的要求。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬結(jié)構(gòu)主要由槽鋼、型鋼、鋼板、矩形管等焊接組成。金屬框架主體結(jié)構(gòu)是由鋼板焊合或槽鋼焊接的開(kāi)口斷面[1]，由鋼板、方管焊接而成，焊接時(shí)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。內(nèi)部設(shè)有大量的工字鋼加強(qiáng)筋，以保證整體結(jié)構(gòu)的撓度和使用壽命。

在金屬框架上設(shè)置有水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升運(yùn)行機(jī)構(gòu)，包括主動(dòng)車(chē)輪、被動(dòng)車(chē)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、同步帶輪組等。在金屬框架上設(shè)有安裝鏈條的導(dǎo)槽、支撐架等機(jī)構(gòu)，整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化合理，通過(guò)有限元分析模擬超長(zhǎng)框架的撓度，再通過(guò)加強(qiáng)筋與焊接加強(qiáng)版進(jìn)行加固。這種超長(zhǎng)堆垛機(jī)用的起升裝置主要由同步伺服電機(jī)、輔助導(dǎo)向輪組、集油盒裝置、起升鏈條、導(dǎo)軌固定支架組、馬達(dá)固定座、帶座軸承、雙排鏈輪、驅(qū)動(dòng)軸、導(dǎo)軌、防護(hù)罩、彈簧裝置及擋板組成。

設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的參數(shù)：載重500kg，貨架總高約8.2m，金屬框架總寬度約17m。貨物規(guī)格為8000mm～16200mm，貨物寬度60mm～300mm。

《JB/T7016-2003巷道堆垛起重機(jī)》規(guī)定：懸掛起重設(shè)備主梁的撓度容許值，其撓度值應(yīng)不大于L/1500，L為堆垛機(jī)主梁總長(zhǎng)=18000mm，因此理論剛度要求小于12mm。靜態(tài)狀態(tài)下時(shí)上橫梁最大變形量為8.256mm＜12mm，剛度符合要求。

載貨臺(tái)主要由起升導(dǎo)向輪、金屬框架等組成。載貨臺(tái)上裝有存取貨物的貨叉伸縮機(jī)構(gòu)，防止意外墜落的安全保護(hù)裝置，以及用于距離和位置檢測(cè)的開(kāi)關(guān)等。通過(guò)起升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)使同步帶上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)載貨臺(tái)沿立柱的垂直方向升降。

設(shè)計(jì)輸入：貨物額定載荷M=500kg；貨叉自重M2=750kg；水平框架承載F=ma=12000N。

《JB/T7016-2003巷道堆垛起重機(jī)》規(guī)定：懸掛起重設(shè)備主梁的撓度容許值，其撓度值應(yīng)不大于L/1500[2]，L為載貨臺(tái)水平框架總長(zhǎng)=16600mm，因此理論剛度要求小于11.067mm。

靜態(tài)狀態(tài)下時(shí)上橫梁最大變形量為9.176mm＜11.067mm，剛度符合要求。

三、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)通過(guò)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)在巷道中運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)包括兩套主動(dòng)車(chē)輪組、兩套被動(dòng)車(chē)輪組、雙電機(jī)減速器、水平導(dǎo)向輪組、夾鉤等。主動(dòng)車(chē)輪與被動(dòng)車(chē)輪置于地軌上，水平導(dǎo)向輪與地軌配合，使堆垛機(jī)能沿軌道運(yùn)行，并且下橫梁內(nèi)側(cè)還裝有夾鉤，防止堆垛機(jī)側(cè)翻。被動(dòng)車(chē)輪組中有調(diào)節(jié)裝置，能自動(dòng)調(diào)整車(chē)輪平行度。在地軌兩頭還設(shè)有聚氨酯緩沖器，在堆垛機(jī)接觸時(shí)能夠減少碰撞產(chǎn)生的沖擊力。堆垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率選擇,除了考慮穩(wěn)定運(yùn)行的靜功率外，還必須考慮克服移動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所引起的慣性載荷所需的加速功率[3]。

水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和主被動(dòng)輪組組成，用于整個(gè)設(shè)備巷道方向的運(yùn)行。我們選用了德國(guó)SEW公司的螺旋傘齒輪直交軸電機(jī)減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，質(zhì)量可靠、維護(hù)方便、噪聲低。

使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)由于設(shè)備兩電機(jī)距離較遠(yuǎn)，鋼結(jié)構(gòu)剛度不足極可能造成雙電機(jī)運(yùn)行不同步，使用西門(mén)子電機(jī)同步功能進(jìn)行矯正，可以保證兩電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速與力矩保持一致。

該橋式堆垛機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度為30m/min，加速度為0.5m/s2。

電動(dòng)機(jī)的靜功率：

式中：——靜功率（kW）；

——堆垛機(jī)的運(yùn)行速度（m/min）；

——機(jī)構(gòu)的總效率；設(shè)=0.8。

加速時(shí)所需功率:

載荷轉(zhuǎn)矩：(單位為kW時(shí)，Nm為1450)；

載荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；

帶載加速功率：

,a是平均加速度。

電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩MB：

式中：MB——制動(dòng)力矩（Nm）；ε——平均角加速度（rad/s2）;

∑J——機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)件的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）;

ML——負(fù)載力矩， (Nm);

——電動(dòng)轉(zhuǎn)速（r/min）;

JM——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）;

JL——電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，（kg·m2）；

tB——制動(dòng)時(shí)間（s）；

根據(jù)Pm和MB，查看電機(jī)選型樣冊(cè)，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

減速器功率PJ：

Md——輪軸扭矩,（Nm）;

——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），；

D——走輪直徑（m）;

——頻率（Hz）

可查看電機(jī)選型樣冊(cè)，找出速比i和減速器功率PJ對(duì)應(yīng)的減速器型號(hào)。

將所選的減速器的i值帶入反算額定速度，若額定速度＞堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度，則符合設(shè)計(jì)要求，選取減速器型號(hào)，反之則重新選取。

經(jīng)負(fù)載功率與運(yùn)行參數(shù)計(jì)算，考慮到設(shè)備寬度過(guò)長(zhǎng)，需要雙驅(qū)啟動(dòng)來(lái)保證運(yùn)行的穩(wěn)定，電機(jī)選用SEW公司KA87/DRL100L4BE伺服電機(jī)。由于金屬結(jié)構(gòu)的寬度過(guò)大，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，非常容易造成電機(jī)不同步的情況，從而造成設(shè)備報(bào)警。設(shè)計(jì)采用西門(mén)子電機(jī)控制程序，通過(guò)程序自優(yōu)化功能改善驅(qū)動(dòng)運(yùn)行不同步造成的誤差。

這種超長(zhǎng)堆垛機(jī)用的起升裝置主要由同步伺服電機(jī)、輔助導(dǎo)向輪組（1）、集油盒裝置、起升鏈條、輔助導(dǎo)向輪組（2）、導(dǎo)軌固定支架組、馬達(dá)固定座、帶座軸承、雙排鏈輪、驅(qū)動(dòng)軸、導(dǎo)軌、防護(hù)罩、彈簧裝置及擋板組成。柔性件分為鏈條和鋼絲繩兩種。鏈條傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是承載能力大，但是自重大，有可能突然斷裂、安全性差[4]。

動(dòng)作原理：起升過(guò)程，起升鏈條一端與載貨臺(tái)固定，一端掛在雙排鏈輪上，通過(guò)載貨臺(tái)自重及貨物重量，可使鏈條得到張緊，雙排鏈輪另一端的起升鏈條為松弛狀態(tài)，因起升鏈條自重，自由下垂，因?yàn)橛须p排兩輪的齒形加持，起升鏈條在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)存在跳齒現(xiàn)象，起升鏈條通過(guò)輔助導(dǎo)向輪組（1）進(jìn)度導(dǎo)軌，因鏈條滾輪間隔設(shè)置，鏈條成段堆疊自行收集；下降過(guò)程，雙排兩輪帶動(dòng)鏈條向下釋放，與載貨臺(tái)連接側(cè)始終處于張緊狀態(tài)，原本鏈輪松弛狀態(tài)的鏈條由于輔助導(dǎo)向輪組（2）的導(dǎo)向，也形成了張緊狀態(tài)，避免了鏈條的跳齒現(xiàn)象。

鏈條設(shè)計(jì)采用滾子鏈，極限拉伸載荷不小于280kN，鏈條牢固度要求小周和外鏈板、套筒和內(nèi)鏈板均應(yīng)鏈接牢固，常規(guī)車(chē)輛條件下，測(cè)得鏈條兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度不大于4°/m。鏈條鉸鏈應(yīng)靈活，滾子和邊滾輪能在360°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，銷(xiāo)軸兩端鉚合牢固可靠。

該橋式堆垛機(jī)設(shè)計(jì)的起升速度為20m/min，加速度為0.5m/s2。經(jīng)負(fù)載功率與運(yùn)行參數(shù)計(jì)算，電機(jī)選用SEW公司KA127/DRL160M4伺服電機(jī)。

貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)存取貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，裝設(shè)在載貨臺(tái)上。為減小巷道的寬度，且具有足夠的伸縮行程，本機(jī)構(gòu)采用三級(jí)直線差動(dòng)式伸縮貨叉，由伸縮貨叉（上）、伸縮貨叉（中）、固定貨叉及導(dǎo)向輪等組成。

固定貨叉安裝在載貨臺(tái)上，固定貨叉、伸縮貨叉（中）、伸縮貨叉（上）之間由鏈輪鏈條進(jìn)行連接。電機(jī)減速器通過(guò)鏈輪由鏈條驅(qū)動(dòng)鏈輪軸上的鏈輪，再由鏈輪軸上兩個(gè)鏈輪帶動(dòng)鏈條、鏈條、鏈條驅(qū)動(dòng)伸縮貨叉（中）從固定貨叉中點(diǎn)向左或向右伸縮時(shí)，又帶動(dòng)伸縮貨叉（上）以三倍的速度進(jìn)行伸縮。

由于貨物規(guī)格較寬需要使用多套貨叉取貨，貨叉之間使用萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行串聯(lián)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)貨叉伸出，并借助聯(lián)軸器牽引各個(gè)位置的貨叉伸出取貨。

四、機(jī)電結(jié)合裝置設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)在巷道中運(yùn)行時(shí)，依靠認(rèn)址裝置及限位裝置來(lái)確定運(yùn)行的相對(duì)距離與位置。在本次堆垛機(jī)設(shè)計(jì)中，采用可靠的激光測(cè)距認(rèn)址進(jìn)行位置判定，定位精度可達(dá)到±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，與金屬框架的接受裝置配套使用。對(duì)于貨物，貨位檢測(cè)裝置設(shè)有超高、超寬、外形坍塌、探測(cè)貨物等多組傳感器。使該設(shè)備能夠具有堆垛機(jī)完備的大多數(shù)功能。

該設(shè)備擁有鏈條斷裂檢測(cè)、稱(chēng)重檢測(cè)功能，使用四個(gè)探測(cè)傳感器對(duì)鏈條進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)鏈條斷裂時(shí)觸發(fā)傳感器報(bào)警，設(shè)備停止運(yùn)行。鏈條固定桿下方安裝有稱(chēng)重傳感器，當(dāng)載貨質(zhì)量超過(guò)額定載荷時(shí)，觸發(fā)稱(chēng)重傳感器報(bào)警。

五、結(jié)論

隨著常規(guī)立庫(kù)的需求逐漸飽和，及較低的技術(shù)門(mén)檻，傳統(tǒng)堆垛機(jī)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要, 特殊行業(yè)市場(chǎng)對(duì)特殊機(jī)型的堆垛機(jī)需求反而越來(lái)越多，尤其在鋼材等行業(yè), 設(shè)備所處的工作環(huán)境對(duì)效率的要求不是特別高，但要求可用空間的利用率相對(duì)較高，且輸送料件較長(zhǎng)，因此需要一款超長(zhǎng)又可以實(shí)現(xiàn)多條巷道共用特點(diǎn)的堆垛機(jī)。針對(duì)這些特殊需求，本文介紹的這款新機(jī)型桁架式堆垛機(jī)可以完全滿足，在保證產(chǎn)品功能的前提下，完成超長(zhǎng)型桁架式堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)，提高了倉(cāng)儲(chǔ)空間利用率。

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