摘?要：本文主要講述一種用于桁架式鋼結構貨架間運輸貨物的堆垛機，此類堆垛機行走方向、伸叉方向與常規堆垛機不同，并且在貨架頂部進行巷道更換，類似于行車，但具備堆垛機的水平取放貨功能。此類堆垛機的金屬結構寬度特別大，載貨臺特別寬，其運載的貨物尺

摘?要：本文主要講述一種用于桁架式鋼結構貨架間運輸貨物的堆垛機，此類堆垛機行走方向、伸叉方向與常規堆垛機不同，并且在貨架頂部進行巷道更換，類似于行車，但具備堆垛機的水平取放貨功能。此類堆垛機的金屬結構寬度特別大，載貨臺特別寬，其運載的貨物尺寸遠超過一般托盤物料等常規貨物，這類貨物使用傳統行車、或者常規堆垛機已經無法滿足取貨要求。因此設計桁架式堆垛機主要用于船廠、鋼管廠等貨物超寬且橫向放置的倉儲系統中。本文采用有限元分析與項目試制驗證的方式，考慮了桁架式堆垛機撓度過大、驅動輪偏差不同步等因素，設計了一種剛度較好、制作工藝簡單的結構，達到了客戶的使用要求，設備運行穩定可靠。

關鍵詞：桁架式堆垛機、超寬堆垛機

隨著物流倉儲行業的快速發展，各個行業對倉儲效率、倉儲智能化的需求日益增加。不只是現代化工業，傳統行業如船廠、鋼管廠等對自動化倉儲也有一定的需求。在此背景下，不管是傳統的行車、還是自動化程度較高的堆垛機，均不能完全滿足運輸該類貨物的工況，需要非標定制專用設備。該設備不僅需要滿足傳統行車的桁架式鋼結構，以克服超寬貨物帶來的撓度過大問題，也需要帶有貨叉的堆垛取放功能，因此融合兩種設備的優點進行專用設備開發。在鑄造鋼管、天然氣管、型鋼等生產企業，由于物料過長，占地空間較大，耗時耗力，儲存物料困難。該機型可以為這類特殊貨物節約成本，提高存儲效率，實現倉儲自動化。

一、設計特點與分析

常規堆垛機金屬結構為上橫梁、立柱、下橫梁組合而成的金屬框架，在巷道內水平運行，結構一般較為穩定。由于堆垛機需要配合常規托盤使用，其大致結構與尺寸大同小異。而桁架式不同于常規堆垛機，它的應用工況是在貨架頂部進行水平運行，因此其金屬結構無立柱，其框架結構需要融合上橫梁、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行。

由于鋼管結構等貨物的規格特殊，其長度特別長，已經遠遠超過國際托盤的尺寸，因此需要將金屬結構、載貨臺寬度加寬到十余米。由于框架、載貨臺的尺寸過寬，因此該結構靜載撓度遠大于常規堆垛機。在開發設計的過程中需要經過嚴格計算與軟件分析，才能保證結構的剛度，防止撓度過大造成的取貨偏差與運行問題。

設計產品實施項目后，對于制作工藝與結構變形量與軟件模擬還是存在一定區別。現場在安裝設備時，由于橫梁、載貨臺過寬，安裝軌道時，由于距離較遠，測量工具不能滿足測量要求，只能使用激光測距，因此需要特別注意軌道的安裝平行度。且對于貨架的承重、安裝精度要有較嚴格的要求。

二、結構設計

金屬結構主要由槽鋼、型鋼、鋼板、矩形管等焊接組成。金屬框架主體結構是由鋼板焊合或槽鋼焊接的開口斷面[1]，由鋼板、方管焊接而成，焊接時嚴格控制焊縫寬度及焊接件結構的垂直度、平行度，以保證整體結構安裝尺寸。內部設有大量的工字鋼加強筋，以保證整體結構的撓度和使用壽命。

在金屬框架上設置有水平運行機構和起升運行機構，包括主動車輪、被動車輪、驅動電機、同步帶輪組等。在金屬框架上設有安裝鏈條的導槽、支撐架等機構，整個金屬結構設計優化合理，通過有限元分析模擬超長框架的撓度，再通過加強筋與焊接加強版進行加固。這種超長堆垛機用的起升裝置主要由同步伺服電機、輔助導向輪組、集油盒裝置、起升鏈條、導軌固定支架組、馬達固定座、帶座軸承、雙排鏈輪、驅動軸、導軌、防護罩、彈簧裝置及擋板組成。

設計該結構的參數：載重500kg，貨架總高約8.2m，金屬框架總寬度約17m。貨物規格為8000mm～16200mm，貨物寬度60mm～300mm。

《JB/T7016-2003巷道堆垛起重機》規定：懸掛起重設備主梁的撓度容許值，其撓度值應不大于L/1500，L為堆垛機主梁總長=18000mm，因此理論剛度要求小于12mm。靜態狀態下時上橫梁最大變形量為8.256mm＜12mm，剛度符合要求。

載貨臺主要由起升導向輪、金屬框架等組成。載貨臺上裝有存取貨物的貨叉伸縮機構，防止意外墜落的安全保護裝置，以及用于距離和位置檢測的開關等。通過起升機構的電動機使同步帶上下移動，從而帶動載貨臺沿立柱的垂直方向升降。

設計輸入：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》規定：懸掛起重設備主梁的撓度容許值，其撓度值應不大于L/1500[2]，L為載貨臺水平框架總長=16600mm，因此理論剛度要求小于11.067mm。

靜態狀態下時上橫梁最大變形量為9.176mm＜11.067mm，剛度符合要求。

三、驅動機構設計

堆垛機通過水平運行機構在巷道中運動，水平運行機構包括兩套主動車輪組、兩套被動車輪組、雙電機減速器、水平導向輪組、夾鉤等。主動車輪與被動車輪置于地軌上，水平導向輪與地軌配合，使堆垛機能沿軌道運行，并且下橫梁內側還裝有夾鉤，防止堆垛機側翻。被動車輪組中有調節裝置，能自動調整車輪平行度。在地軌兩頭還設有聚氨酯緩沖器，在堆垛機接觸時能夠減少碰撞產生的沖擊力。堆垛機運行機構電動機功率選擇,除了考慮穩定運行的靜功率外，還必須考慮克服移動質量和旋轉質量所引起的慣性載荷所需的加速功率[3]。

水平運行機構是由動力驅動和主被動輪組組成，用于整個設備巷道方向的運行。我們選用了德國SEW公司的螺旋傘齒輪直交軸電機減速機直接驅動車輪，質量可靠、維護方便、噪聲低。

使用雙電機驅動時由于設備兩電機距離較遠，鋼結構剛度不足極可能造成雙電機運行不同步，使用西門子電機同步功能進行矯正，可以保證兩電機輸出軸轉速與力矩保持一致。

該橋式堆垛機設計的運行速度為30m/min，加速度為0.5m/s2。

電動機的靜功率：

式中：——靜功率（kW）；

——堆垛機的運行速度（m/min）；

——機構的總效率；設=0.8。

加速時所需功率:

載荷轉矩：(單位為kW時，Nm為1450)；

載荷轉動慣量：；

帶載加速功率：

,a是平均加速度。

電動機的制動力矩MB：

式中：MB——制動力矩（Nm）；ε——平均角加速度（rad/s2）;

∑J——機構旋轉件的總轉動慣量（kg·m2）;

ML——負載力矩， (Nm);

——電動轉速（r/min）;

JM——電動機的轉動慣量（kg·m2）;

JL——電動機軸上的等效轉動慣量，（kg·m2）；

tB——制動時間（s）；

根據Pm和MB，查看電機選型樣冊，初選電動機型號。

減速器功率PJ：

Md——輪軸扭矩,（Nm）;

——電機轉速（r/min），；

D——走輪直徑（m）;

——頻率（Hz）

可查看電機選型樣冊，找出速比i和減速器功率PJ對應的減速器型號。

將所選的減速器的i值帶入反算額定速度，若額定速度＞堆垛機水平運行速度，則符合設計要求，選取減速器型號，反之則重新選取。

經負載功率與運行參數計算，考慮到設備寬度過長，需要雙驅啟動來保證運行的穩定，電機選用SEW公司KA87/DRL100L4BE伺服電機。由于金屬結構的寬度過大，雙電機驅動時，非常容易造成電機不同步的情況，從而造成設備報警。設計采用西門子電機控制程序，通過程序自優化功能改善驅動運行不同步造成的誤差。

這種超長堆垛機用的起升裝置主要由同步伺服電機、輔助導向輪組（1）、集油盒裝置、起升鏈條、輔助導向輪組（2）、導軌固定支架組、馬達固定座、帶座軸承、雙排鏈輪、驅動軸、導軌、防護罩、彈簧裝置及擋板組成。柔性件分為鏈條和鋼絲繩兩種。鏈條傳動的優點是承載能力大，但是自重大，有可能突然斷裂、安全性差[4]。

動作原理：起升過程，起升鏈條一端與載貨臺固定，一端掛在雙排鏈輪上，通過載貨臺自重及貨物重量，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，因起升鏈條自重，自由下垂，因為有雙排兩輪的齒形加持，起升鏈條在運行過程中不會存在跳齒現象，起升鏈條通過輔助導向輪組（1）進度導軌，因鏈條滾輪間隔設置，鏈條成段堆疊自行收集；下降過程，雙排兩輪帶動鏈條向下釋放，與載貨臺連接側始終處于張緊狀態，原本鏈輪松弛狀態的鏈條由于輔助導向輪組（2）的導向，也形成了張緊狀態，避免了鏈條的跳齒現象。

鏈條設計采用滾子鏈，極限拉伸載荷不小于280kN，鏈條牢固度要求小周和外鏈板、套筒和內鏈板均應鏈接牢固，常規車輛條件下，測得鏈條兩端的相對扭轉角度不大于4°/m。鏈條鉸鏈應靈活，滾子和邊滾輪能在360°范圍內自由轉動，銷軸兩端鉚合牢固可靠。

該橋式堆垛機設計的起升速度為20m/min，加速度為0.5m/s2。經負載功率與運行參數計算，電機選用SEW公司KA127/DRL160M4伺服電機。

貨叉伸縮機構是堆垛機存取貨物的執行機構，裝設在載貨臺上。為減小巷道的寬度，且具有足夠的伸縮行程，本機構采用三級直線差動式伸縮貨叉，由伸縮貨叉（上）、伸縮貨叉（中）、固定貨叉及導向輪等組成。

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動鏈輪軸上的鏈輪，再由鏈輪軸上兩個鏈輪帶動鏈條、鏈條、鏈條驅動伸縮貨叉（中）從固定貨叉中點向左或向右伸縮時，又帶動伸縮貨叉（上）以三倍的速度進行伸縮。

由于貨物規格較寬需要使用多套貨叉取貨，貨叉之間使用萬向聯軸器進行串聯，電機驅動機構啟動時貨叉伸出，并借助聯軸器牽引各個位置的貨叉伸出取貨。

四、機電結合裝置設計

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，定位精度可達到±3mm。設備外部設有集電臂，采用滑觸線供電。端部設有紅外通訊裝置，與金屬框架的接受裝置配套使用。對于貨物，貨位檢測裝置設有超高、超寬、外形坍塌、探測貨物等多組傳感器。使該設備能夠具有堆垛機完備的大多數功能。

該設備擁有鏈條斷裂檢測、稱重檢測功能，使用四個探測傳感器對鏈條進行探測，當鏈條斷裂時觸發傳感器報警，設備停止運行。鏈條固定桿下方安裝有稱重傳感器，當載貨質量超過額定載荷時，觸發稱重傳感器報警。

五、結論

隨著常規立庫的需求逐漸飽和，及較低的技術門檻，傳統堆垛機已經不能完全滿足現代工業發展的需要, 特殊行業市場對特殊機型的堆垛機需求反而越來越多，尤其在鋼材等行業, 設備所處的工作環境對效率的要求不是特別高，但要求可用空間的利用率相對較高，且輸送料件較長，因此需要一款超長又可以實現多條巷道共用特點的堆垛機。針對這些特殊需求，本文介紹的這款新機型桁架式堆垛機可以完全滿足，在保證產品功能的前提下，完成超長型桁架式堆垛機的設計，提高了倉儲空間利用率。

參考文獻：

[1] 吳雙. 自動化立體倉庫[R].2007(12).

[2] JB7016巷道堆垛起重機[S].2017.

[3] 張鐵異,黎毓鵬,曹曉中.堆垛機運行機構電機的功率計算與選擇確定[J].裝備制造技術,2011(1).

[4] 胡萬飛,張賀.巷道式堆垛機升降機構的設計[J].防護工程,2018(6).