砂芯存儲輸送系統(tǒng)的擁堵分析和對策

陳 劍

（中國汽車工業(yè)工程公司，天津 300113）

0 引言

在傳統(tǒng)的鑄造廠，砂芯從制芯車間到造型線之間的轉(zhuǎn)運(yùn)是通過手推小車的方式進(jìn)行的，不僅效率低下，還耗費(fèi)大量的人力和車間面積。隨著工業(yè)自動化程度的發(fā)展，越來越多的新建鑄造廠采用了自動輸送系統(tǒng)，并同時引入了立體倉庫技術(shù)用于存儲和冷卻砂芯。在這種具有存儲功能的砂芯輸送系統(tǒng)中，如果方案布局不當(dāng)，可能會出現(xiàn)某種輸送效率極其低下的擁堵狀況。本文分析了這種擁堵狀況產(chǎn)生的過程和條件，提供了解決問題的對策。

1 簡單砂芯存儲輸送系統(tǒng)的布局

圖1是一個包含立體倉庫的砂芯存儲輸送系統(tǒng)布局形式。除立體倉庫前的進(jìn)出兩段之外，其余輥道都為雙層結(jié)構(gòu)的機(jī)動式輥道，上層運(yùn)送帶砂芯的托盤，下層返回空托盤；在兩端各有一個單層升降臺，用于上下層之間的轉(zhuǎn)運(yùn)；制芯車間和造型車間之間的輥道布置在過跨地坑里，車間地面可自由通行；地坑里的輥道和地面輥道之間的轉(zhuǎn)運(yùn)通過兩轉(zhuǎn)角處的雙層旋轉(zhuǎn)升降機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

砂芯上線后先進(jìn)入立體倉庫存儲并冷卻；造型線需要砂芯時，立體倉庫可以按順序往造型車間輸送砂芯；根據(jù)需要還可以對立體倉庫進(jìn)行擴(kuò)展，增加巷道數(shù)量。

圖1 簡單砂芯存儲輸送系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)束工作后，所有托盤（空托盤和載芯托盤）全部入庫，下次開機(jī)后根據(jù)工作情況往外輸送空托盤或載芯托盤。

2 輥道運(yùn)行的邏輯關(guān)系

造型車間的地面輥道立面簡圖如圖2所示，托盤長度為K，所有輥道按長度為L的節(jié)距分節(jié)驅(qū)動。在每節(jié)輥道沿輸送方向的頭部設(shè)有傳感器STOPn，在距尾部長為K的距離設(shè)有傳感器OFFn。

輥道運(yùn)行邏輯關(guān)系：每節(jié)輥道每次只輸送一塊托盤；當(dāng)托盤被輸送到第x節(jié)輥道頭部，觸發(fā)傳感器STOPx后，控制系統(tǒng)即判斷第x+1節(jié)輥道是否為空。

若第x+1節(jié)輥道不空，則第x節(jié)輥道電機(jī)停止，等待往前輸送的條件滿足才啟動；

若第x+1節(jié)輥道已空，則第x節(jié)和第x+1節(jié)輥道電機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn)將托盤往前輸送；

圖2 造型車間的地面輥道立面簡圖

當(dāng)托盤被輸送到第x+1節(jié)輥道尾部，觸發(fā)傳感器OFF（x+1）時，表示托盤已經(jīng)完全離開第x節(jié)輥道。此時第x節(jié)輥道電機(jī)停止，狀態(tài)為空，第x-1節(jié)輥道往前輸送托盤的條件滿足；同時第x+1節(jié)輥道電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至托盤被輸送到頭部觸發(fā)傳感器STOP（x+1），控制系統(tǒng)進(jìn)行下一次判斷。

3 擁堵的產(chǎn)生

在這種工作模式下，設(shè)定輥道的輸送速度為V，則每節(jié)輥道的輸送節(jié)拍為T1=（L+K）/V；為簡化起見，假設(shè)端部的升降臺的工作節(jié)拍也為T1，立體倉庫經(jīng)輥道往旋轉(zhuǎn)升降機(jī)輸送的節(jié)拍為T2。

系統(tǒng)開機(jī)后，以旋轉(zhuǎn)升降機(jī)運(yùn)載第一塊托盤（托盤①）到達(dá)圖(2)所示位置開始往第1節(jié)輥道上輸送時為起始時間，則經(jīng)過時間T2后，旋轉(zhuǎn)升降機(jī)運(yùn)載第二塊托盤（托盤②）到達(dá)圖示位置。

若T1≥T2，此時托盤①尚未觸發(fā)傳感器OFF2，托盤②停留在旋轉(zhuǎn)升降機(jī)上等待，直至?xí)r間點(diǎn)T1，托盤①觸發(fā)傳感器OFF2，托盤②開始往第1節(jié)輥道上輸送；以此類推，以后每兩個托盤之間的時間間隔（即輸送系統(tǒng)節(jié)拍）T3=T1；

若T1＜T2，此時托盤①已經(jīng)觸發(fā)過傳感器OFF2，托盤②可以立即從旋轉(zhuǎn)升降機(jī)上往第1節(jié)輥道上輸送；以此類推，以后每兩個托盤之間的時間間隔（即輸送系統(tǒng)節(jié)拍）T3=T2。

當(dāng)托盤①運(yùn)行至下層輥道最后一節(jié)（第n節(jié)輥道）的頭部時，觸發(fā)傳感器STOPn，此時的時間點(diǎn)為Tn；這其中，端部的升降臺可以看作第y節(jié)輥道，則

以 T1=（L+K）/V 代入上式，可得

如果在Tn點(diǎn)之前旋轉(zhuǎn)升降機(jī)剛好往輥道上輸送第n塊托盤完畢，則它立即下降去運(yùn)載第n+1塊托盤；而輥道上已經(jīng)有n塊托盤，剛好每節(jié)輥道都有一塊托盤，沒有空位。因此當(dāng)?shù)趎+1塊托盤被運(yùn)上來時，只能在旋轉(zhuǎn)升降機(jī)上等待。此時第n節(jié)輥道上的托盤開始進(jìn)入旋轉(zhuǎn)升降機(jī)的下層，經(jīng)過時間K/V后，第n節(jié)輥道狀態(tài)為空；然后第n-1節(jié)輥道上的托盤開始往第n節(jié)輥道輸送，又經(jīng)過時間K/V后，第n-1節(jié)輥道狀態(tài)為空；這樣空位一個一個地往前移動，共經(jīng)過時間nK/V后，第1節(jié)輥道狀態(tài)為空，第n+1塊托盤才可從旋轉(zhuǎn)升降機(jī)往外輸送；之后旋轉(zhuǎn)升降機(jī)運(yùn)載上來的每一塊托盤都須等待時間nK/V后才會往外輸送。整個輸送系統(tǒng)的節(jié)拍就由T3延長到了T3'=T3+nK/V。

4 擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生的條件

當(dāng)旋轉(zhuǎn)升降機(jī)輸送完第n塊托盤時，托盤①在第n節(jié)輥道上已經(jīng)觸發(fā)過傳感器OFFn，但尚未觸發(fā)傳感器STOPn，此時就會產(chǎn)生如上所述節(jié)拍極慢的擁堵現(xiàn)象，時間表達(dá)式為：

當(dāng) T1≥T2時，T3=T1=（L+K）/V，式（1）化簡為：

因K＞0，故式（2）的左半部分恒成立，而右半部分化簡為nK＜L。

當(dāng) T1＜T2時

因K＞0，故式（1）的左半部分恒成立，而右半部分化簡為（n-1）T2＜（nL-K）/V。

5 對策

在了解這種擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生的條件之后，只需在做方案設(shè)計時注意分析，就可以很容易避免出現(xiàn)擁堵。在式（1）中，托盤定型之后，K值即固定不變；而從車間布局考慮，輥道總長度也是固定的，故n和L的乘積也是定值；在各部分工作節(jié)拍確定之后，只需要控制n和L的值，使：

當(dāng) T1≥T2時，nK＞L；

當(dāng) T1＜T2時，（n-1）T2＞（nL-K）/V。

即可避免出現(xiàn)這種擁堵現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文分析的是一種比較簡單的模型，即各節(jié)輥道長度相同，節(jié)拍一致，端部升降臺的節(jié)拍也與輥道節(jié)拍一致。在實(shí)際生產(chǎn)中，各節(jié)輥道的長度也不一定全部相同，也可能有某節(jié)輥道需停下來以便人工操作，這都可視為某一節(jié)輥道的節(jié)拍發(fā)生改變；但只要立體芯庫能及時向旋轉(zhuǎn)升降機(jī)供給托盤，擁堵現(xiàn)象出現(xiàn)的條件就始終不變，即當(dāng)旋轉(zhuǎn)升降機(jī)輸送完第n塊托盤時，托盤①在第n節(jié)輥道上已經(jīng)觸發(fā)過傳感器OFFn，但尚未觸發(fā)傳感器STOPn。這時，需根據(jù)具體情況逐節(jié)分析，重新建立時間表達(dá)式，即可找到避免擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生的途徑。

[1]趙瑛,陳劍.自動化立體倉庫在砂芯儲存、輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國鑄造裝備與技術(shù).2009,(2):46-47.

[2]張志紅.砂芯輥道輸送線[J].中國鑄造裝備與技術(shù).2009，（1）:50-51.