热文回顾 | 超长型桁架式堆垛机的设计

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文｜罗伯泰克自动化科技(苏州)有限机构

周维存

摘 要：本文重点讲述一种用于桁架式钢结构货架间运输货物的堆垛机，此类堆垛机行走方向、伸叉方向与常规堆垛机区别，并且在货架顶部进行巷道更换，类似于行车，但具备堆垛机的水平取放货功能。此类堆垛机的金属结构宽度尤其大，载货台尤其宽，其运载的货物尺寸远超过通常托盘物料等常规货物，这类货物运用传统行车、或常规堆垛机已然没法满足取货需求。因此呢设计桁架式堆垛机重点用于船厂、钢管厂等货物超宽且横向安置的仓储系统中。本文采用有限元分析与项目试制验证的方式，思虑了桁架式堆垛机挠度过大、驱动轮偏差区别步等原因，设计了一种刚度较好、制作工艺简单的结构，达到了客户的运用需求，设备运行稳定靠谱。

关键词：桁架式堆垛机、超宽堆垛机 

随着物流仓储行业的快速发展，各个行业对仓储效率、仓储智能化的需求日益增多。不只是现代化工业，传统行业如船厂、钢管厂等对自动化仓储亦有必定的需求。这里背景下，不管是传统的行车、还是自动化程度较高的堆垛机，均不可完全满足运输该类货物的工况，必须非标定制专用设备。该设备不仅必须满足传统行车的桁架式钢结构，以克服超宽货物带来的挠度过大问题，亦必须带有货叉的堆垛取放功能，因此呢融合两种设备的优点进行专用设备研发。在铸造钢管、天然气管、型钢等生产企业，因为物料过长，占地空间很强，耗时耗力，储存物料困难。该机型能够为这类特殊货物节约成本，加强存储效率，实现仓储自动化。

1、设计特点与分析

常规堆垛机金属结构为上横梁、立柱、下横梁组合而成的金属框架，在巷道内水平运行，结构通常较为稳定。因为堆垛机必须协同常规托盘运用，其大致结构与尺寸大同小异。而桁架式区别于常规堆垛机，它的应用工况是在货架顶部进行水平运行，因此呢其金属结构无立柱，其框架结构必须融合上横梁、下横梁的功能，既要安装行走轮，亦必须安装起升链条卷筒，使其能够在货架顶部运行。

因为钢管结构等货物的规格特殊，其长度尤其长，已然远远超过国际托盘的尺寸，因此呢必须将金属结构、载货台宽度加宽到十余米。因为框架、载货台的尺寸过宽，因此呢该结构静载挠度远大于常规堆垛机。在研发设计的过程中必须经过严格计算与软件分析，才能保准结构的刚度，防止挠度过大导致的取货偏差与运行问题。

设计制品实施项目后，针对制作工艺与结构变形量与软件模拟还是存在必定区别。现场在安装设备时，因为横梁、载货台过宽，安装轨道时，因为距离较远，测绘工具不可满足测绘需求，只能运用激光测距，因此呢必须尤其重视轨道的安装平行度。且针对货架的承重、安装精度要有较严格的需求。

2、结构设计

金属结构重点由槽钢、型钢、钢板、矩形管等焊接构成。金属框架主体结构是由于钢板焊合或槽钢焊接的开口断面[1]，由钢板、方管焊接而成，焊接时严格掌控焊缝宽度及焊接件结构的垂直度、平行度，以保准整体结构安装尺寸。内部设有海量的工字钢加强筋，以保准整体结构的挠度和运用寿命。

在金属框架上设置有水平运行公司和起升运行公司，包含主动车轮、被动车轮、驱动电机、同步带轮组等。在金属框架上设有安装链条的导槽、支撑架等公司，全部金属结构设计优化恰当，经过有限元分析模拟超长框架的挠度，再经过加强筋与焊接加强版进行加固。这种超长堆垛机用的起升安装重点由同步伺服电机、辅助导向轮组、集油盒安装、起升链条、导轨固定支架组、马达固定座、带座轴承、双排链轮、驱动轴、导轨、防护罩、弹簧安装及挡板构成。

设计该结构的参数：载重500公斤，货架总高约8.2m，金属框架总宽度约17m。货物规格为8000mm～16200mm，货物宽度60mm～300mm。

《JB/T7016-2003巷道堆垛起重机》规定：悬挂起重设备主梁的挠度容许值，其挠度值应不大于L/1500，L为堆垛机主梁总长=18000mm，因此呢理论刚度需求少于12mm。静态状态下时上横梁最大变形量为8.256mm＜12mm，刚度符合需求。

载货台重点由起升导向轮、金属框架等构成。载货台上装有存取货物的货叉伸缩公司，防止意外坠落的安全守护安装，以及用于距离和位置检测的开关等。经过起升公司的电动机使同步带上下移动，从而带动载货台沿立柱的垂直方向升降。

设计输入：货物额定载荷M=500公斤；货叉自重M2=750公斤；水平框架承载F=ma=12000N。

《JB/T7016-2003巷道堆垛起重机》规定：悬挂起重设备主梁的挠度容许值，其挠度值应不大于L/1500[2]，L为载货台水平框架总长=16600mm，因此呢理论刚度需求少于11.067mm。

静态状态下时上横梁最大变形量为9.176mm＜11.067mm，刚度符合需求。

3、驱动公司设计

堆垛机经过水平运行公司在巷道中运动，水平运行公司包含两套主动车轮组、两套被动车轮组、双电机减速器、水平导向轮组、夹钩等。主动车轮与被动车轮置于地轨上，水平导向轮与地轨协同，使堆垛机能沿轨道运行，并且下横梁内侧还装有夹钩，防止堆垛机侧翻。被动车轮组中有调节安装，能自动调节车轮平行度。在地轨两头还设有聚氨酯缓冲器，在堆垛机接触时能够减少碰撞产生的冲击力。堆垛机运行公司电动机功率选取,除了思虑稳定运行的静功率外，还必要思虑克服移动质量和旋转质量所导致的惯性载荷所需的加速功率[3]。

水平运行公司是由于动力驱动和主被动轮组构成，用于全部设备巷道方向的运行。咱们选择了德国SEW机构的螺旋伞齿轮直交轴电机减速机直接驱动车轮，质量靠谱、守护方便、噪声低。

运用双电机驱动时因为设备两电机距离较远，钢结构刚度不足极可能导致双电机运行区别步，运用西门子电机同步功能进行纠正，能够保准两电机输出轴转速与力矩保持一致。

该桥式堆垛机设计的运行速度为30m/min，加速度为0.5m/s2。

电动机的静功率：

式中：——静功率（kW）；

——堆垛机的运行速度（m/min）；

——公司的总效率；设=0.8。

加速时所需功率:

载荷转矩：(单位为kW时，Nm为1450)；

载荷转动惯量：；

带载加速功率：

,a是平均加速度。

电动机的制动力矩MB：

式中：MB——制动力矩（Nm）；ε——平均角加速度（rad/s2）;

∑J——公司旋转件的总转动惯量（公斤·m2）;

ML——负载力矩， (Nm);

——电动转速（r/min）;

JM——电动机的转动惯量（公斤·m2）;

JL——电动机轴上的等效转动惯量，（公斤·m2）；

tB——制动时间（s）；

按照Pm和MB，查看电机选型样册，初选电动机型号。

减速器功率PJ：

Md——轮轴扭矩,（Nm）;

——电机转速（r/min），；

D——走轮直径（m）;

——频率（Hz）

可查看电机选型样册，找出速比i和减速器功率PJ对应的减速器型号。

将所选的减速器的i值带入反算额定速度，若额定速度＞堆垛机水平运行速度，则符合设计需求，选择减速器型号，反之则重新选择。

经负载功率与运行参数计算，思虑到设备宽度过长，必须双驱起步来保准运行的稳定，电机选择SEW机构KA87/DRL100L4BE伺服电机。因为金属结构的宽度过大，双电机驱动时，非常容易导致电机区别步的状况，从而导致设备报警。设计采用西门子电机掌控程序，经过程序自优化功能改善驱动运行区别步导致的误差。

这种超长堆垛机用的起升安装重点由同步伺服电机、辅助导向轮组（1）、集油盒安装、起升链条、辅助导向轮组（2）、导轨固定支架组、马达固定座、带座轴承、双排链轮、驱动轴、导轨、防护罩、弹簧安装及挡板构成。柔性件分为链条和钢丝绳两种。链条传动的优点是承载能力大，然则自重大，有可能忽然断裂、安全性差[4]。

动作原理：起升过程，起升链条一端与载货台固定，一端挂在双排链轮上，经过载货台自重及货物重量，可使链条得到张紧，双排链轮另一端的起升链条为松弛状态，因起升链条自重，自由下垂，由于有双排两轮的齿形加持，起升链条在运行过程中不会存在跳齿现象，起升链条经过辅助导向轮组（1）进度导轨，因链条滚轮间隔设置，链条成段堆叠自动收集；下降过程，双排两轮带动链条向下释放，与载货台连接侧始终处在张紧状态，本来链轮松弛状态的链条因为辅助导向轮组（2）的导向，亦形成为了张紧状态，避免了链条的跳齿现象。

链条设计采用滚子链，极限拉伸载荷不少于280kN，链条牢靠度需求小周和外链板、套筒和内链板均应链接牢靠，常规车辆要求下，测得链条两端的相对扭转方向不大于4°/m。链条铰链应灵活，滚子和边滚轮能在360°范围内自由转动，销轴两端铆合牢靠靠谱。

该桥式堆垛机设计的起升速度为20m/min，加速度为0.5m/s2。经负载功率与运行参数计算，电机选择SEW机构KA127/DRL160M4伺服电机。

货叉伸缩公司是堆垛机存取货物的执行公司，装设在载货台上。为减小巷道的宽度，且拥有足够的伸缩行程，本公司采用三级直线差动式伸缩货叉，由伸缩货叉（上）、伸缩货叉（中）、固定货叉及导向轮等构成。

固定货叉安装在载货台上，固定货叉、伸缩货叉（中）、伸缩货叉（上）之间由链轮链条进行连接。电机减速器经过链轮由链条驱动链轮轴上的链轮，再由链轮轴上两个链轮带动链条、链条、链条驱动伸缩货叉（中）从固定货叉中点向左或向右伸缩时，又带动伸缩货叉（上）以三倍的速度进行伸缩。

因为货物规格较宽必须运用多套货叉取货，货叉之间运用万向联轴器进行串联，电机驱动公司起步时货叉伸出，并借助联轴器牵引各个位置的货叉伸出取货。

4、机电结合安装设计

堆垛机在巷道中运行时，依靠认址安装及限位安装来确定运行的相对距离与位置。在这次堆垛机设计中，采用靠谱的激光测距认址进行位置判定，定位精度达到到±3mm。设备外边设有集电臂，采用滑触线供电。端部设有红外通讯安装，与金属框架的接受安装配套运用。针对货物，货位检测安装设有超高、超宽、外形坍塌、探测货物等多组传感器。使该设备能够拥有堆垛机完备的大都数功能。

该设备持有链条断裂检测、叫作重检测功能，运用四个探测传感器对链条进行探测，当链条断裂时触发传感器报警，设备停止运行。链条固定杆下方安装有叫作重传感器，当载货质量超过额定载荷时，触发叫作重传感器报警。

5、结论

随着常规立库的需求逐步饱和，及较低的技术门槛，传统堆垛机已然不可完全满足现代工业发展的必须, 特殊行业市场对特殊机型的堆垛机需求反而越来越多，尤其在钢材等行业, 设备所处的工作环境对效率的需求不是尤其高，但需求可用空间的利用率相对较高，且传送料件较长，因此必须一款超长又能够实现多条巷道共用特点的堆垛机。针对这些特殊需求，本文介绍的这款新机型桁架式堆垛机能够完全满足，在保准制品功能的前提下，完成超长型桁架式堆垛机的设计，加强了仓储空间利用率。

参考文献：

[1]  吴双. 自动化立体仓库[R].2007(12).

[2]  JB7016巷道堆垛起重机[S].2017.

[3] 张铁异,黎毓鹏,曹晓中.堆垛机运行公司电机的功率计算与选取确定[J].装备制造技术,2011(1).

[4] 胡万飞,张贺.巷道式堆垛机升降公司的设计[J].防护工程,2018(6).

END

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