多進多出循環提升機提升高度的設計研究

彭榜盈，梁海東，單朝蘭，李 海，趙曉燕

（1.普天物流技術有限公司，北京 100080；2.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264000）

1 產品需求背景描述

新建的高層建筑大型電能表倉儲自動化項目需要在不同樓層間垂直輸送以周轉箱為載體的電能表，且任意樓層都可同時設置出口和入口，適應檢定出庫和檢定后回庫、電能表出庫和入庫的功能。其垂直輸送實際總效率要求大于400 箱/h。按照其功能和輸送效率要求，多進多出的循環提升機就成了唯一選擇。目前，國內實際應用的多進多出循環提升機最大提升高度都不超過26m，對于一些建筑高度大于26m 的高層建筑電能表倉儲自動化項目，如何保證在安全前提下，設計生產出提升高度大于26m 的循環提升機，對于各物流設備制造企業都是一個挑戰。

2 多進多出循環式提升機的構成與功能

多進多出循環式提升機由單鏈或雙鏈組成循環提升主鏈，在鏈條上每隔一定距離懸掛一個載貨托盤，懸掛托盤的鏈條在垂直方向形成一個大的窄長形回轉輸送環。為了保證鏈條運行不擺動，在鏈條上的每個托盤固定點都安裝有導輪。鏈條上行的一側托盤接收樓層送來的周轉箱，鏈條下行的一側托盤向各樓層送出周轉箱。在每個樓層與提升機進出口對應位置安裝有水平輸送設備，圖1 為提升機外觀效果圖。循環的載貨托盤是承載電能表周轉箱的載體，有梯形、梳型等結構形式，圖2 為梯形載貨托盤的多進多出提升機結構圖。提升機機架上在每個樓層對應位置安裝有伸縮的活動對接托盤，活動對接托盤按控制指令完成周轉箱在提升機和樓層輸送設備之間的交接。活動對接托盤由一對可伸縮的短輥筒組構成。

圖1 多進多出提升機效果圖

圖2 提升機結構

多進多出提升機適應箱式物品在各樓層間的高效輸送，一般適應于大型物流配送中心，應對樓層多、各樓層可同時進出物品、任意兩樓層間有輸送需求的復雜垂直輸送情況。

按樓層托盤進出口方向不同，常用的有同側進出和異側進出兩種結構形式，如圖3 所示。

圖3 出入口結構形式

3 設計注意事項

多進多出循環式提升機設計時應重點考慮以下因素：

（1）多進多出循環式提升機采用鏈條提升方式，高速時噪音比較大，輸送速度不能太高。

（2）提升鏈設計安全系數8-10，高層建筑取上限10。

（3）井道占地面積是往復式占地面積的1.5-1.7 倍。

（4）提升高度過大時，鏈條自重及負載大，鏈條磨損及鏈條受拉伸長會影響同步。

（5）由于提升鏈連續循環運動，各層門不能夠采用電梯轎門自動“開關門機”直接帶動，若需要安裝層門，就要對每個層門單獨控制或層門常開。

（6）井道常規采用四立柱加金屬蒙皮結構。當防火要求比較高時，需要按GB50016-2014《建筑設計防火規范》執行，井道采用防火材料砌成。

（7）提升高度超過30m 時，建議加裝防斷鏈墜落裝置，其功能等同于電梯的安全鉗。

（8）驅動鏈輪軸懸臂受力，需要按機械傳動常規設計進行強度校核。

4 高層循環提升機的設計計算

下面對提升高度展開設計研究與可行性分析。

4.1 已知電能計量表周轉箱及提升機部分技術參數

周轉箱滿載最大重量：30kg；

提升托盤自重：10kg（鋁合金梯形結構）；提升速度：0.5m/s；

啟停加速度：0.5m/s2；

平均提升效率：≥400 箱/h。

4.2 提升鏈條結構形式與主要參數

多進多出循環提升機的托盤懸吊采用鏈條結構，提升鏈按數量分單鏈和雙鏈提升兩種結構形式。雙鏈提升結構有利于提高提升極限高度，結構穩定性好，使用比較廣泛。本文以雙鏈提升為例展開設計研究。

以使用比較普遍的浙江東華鏈條廠的鏈條為例，其結構形式如圖4 所示，采用單排直板套筒滾子鏈，A 系列技術參數見表1。

圖4 鏈條結構

表1 鏈條主要技術參數

4.3 托盤節距設計

提升鏈上托盤節距的設計條件是：托盤節距減去周轉箱高度和安全間隔后的運行時間應大于周轉箱從樓層輸送機的等待位輸送至伸縮托盤位的時間。

L─托盤節距（mm）；

l─周轉箱高度（mm）,最大300mm；

Δ─安全間隔（mm）,一般取200mm-300mm；

v- 提升速度，0.5m/s；

C─周轉箱水平進入深度，取1 200mm；

v1─周轉箱水平輸送速度，0.5m/s。

由此得出：L＞C+l+Δ。

考慮滿足效率前提下，留有較大安全裕度，安全間隔Δ取300mm,托盤節距L＞1 800mm,取L=2 000mm。

4.4 提升鏈最大張力計算

根據以上已知參數，在常規提升極限高度25m 以上每隔5m 設定一個計算點，即提升高度H 分別取25m、30m、35m、40m、45m、50m 六個點。在每一個計算點，以提升高度為橫軸，安全系數為縱軸，采用分點計算，描繪出不同鏈規格的安全系數─提升高度曲線族圖。

（1）符號意義及單位定義

H- 提升高度（m）；

q- 鏈條每米重力（N/m）；

G1- 單根鏈條自重2Hq（N）；

G2- 托盤自重，100（N）；

G3- 周轉箱最大重力，300（N）；

Fmax- 鏈條最大張力（N）；

n- 提升鏈安全系數，取10；

Q- 鏈條極限拉伸載荷（kN）；

L- 托盤節距，2（m）。

（2）鏈條張力F 計算及安全系數校核。多進多出循環提升機系統由兩根鏈并行同速工作，簡化結構如圖5 所示。圖6 是鏈條受力簡圖，鏈條張力最大部位在鏈條緊邊靠近鏈輪A 處。

以單根鏈條上升側為研究對象，勻速時鏈條的張力由A點以下鏈條自重、托盤重、周轉箱重、托盤吊臂導輪受到導軌的阻力及鏈條張緊力五部分組成。根據經驗，托盤吊臂滾輪受到的摩擦阻力不超過5%，垂直懸吊的鏈條張緊力調整在500N左右，兩項合計張力增加按10%計算，即k1=1.1。啟動加速度為0.5m/s2，其啟動慣性力相當于重力的1/20，再考慮系統受力不均勻影響，兩項引起的張力增加系數k2=1.1。這樣，鏈條A點的最大張力Fmax 計算就簡化為只考慮靜力了。

圖5 鏈條系統簡化結構

圖6 鏈條簡化受力圖

以25m 提升高度為起點，每隔5m 高度設一計算點，逐點計算，最大提升高度設定在50m，不同規格鏈條的最大張力及安全系數計算結果如下：

其他高度點的計算方法與此類似，不再贅述，將計算結果列入表2。

表2 安全系數計算表

以提升高度為橫軸，安全系數為縱軸，描繪出不同規格的鏈條安全系數隨提升高度變化曲線圖如圖7 所示。設計時，針對不同的提升高度，查曲線選擇合適的鏈條規格即可，簡便實用。

圖7 安全系數-提升高度曲線圖

荷載不同時，可參照此方法重新計算，并繪制曲線圖，方便設計選用。

從Fmax 計算公式看出，在托盤自重和周轉箱重量不變的情況下，提升鏈最大張力取決于提升高度和鏈條規格兩大因素。隨著高度增加，鏈條自重在總重量中的占比增加。

從以上高度- 安全系數曲線看出，50m 高的提升機，安全系數設計為10，鏈條選用C20A-1 規格。一般的電能表計量中心倉儲建筑和大部分醫院的樓層高度都不超過50m。

（3）雙鏈與單鏈提升結構對比分析。以上是雙鏈提升機提升高度的設計計算方法，對于單鏈提升結構，在同等提升高度（如50m）、同等鏈規格（如C20A-1）的情況下，安全系數會明顯降低，計算如下：

由上式看出，高50m、C20A-1 鏈規格的情況下，其單鏈提升結構的安全系數只有6.1，而雙鏈提升結構的安全系數是10.5。所以，一般高層建筑提升機多采用雙鏈提升結構。

4.5 電機功率的計算

多進多出提升機采用雙鏈循環方式提升，鏈條規格C20A-1，雙鏈共用一臺驅動裝置同速運行，運行曲線如圖8 所示，按最大提升高度50m 計算。

圖8 速度曲線

（1）參數代號與數值

v─提升速度，0.5(m/s)；

a─起動加速度，0.5(m/s2)；

m1─單根鏈條質量，m1=3.9kg/m×100m=390kg；

m2─托盤質量，10(kg)；

m3─周轉箱質量，30(kg)；

Σm─系統總質量為2 根鏈條、全部托盤、全部周轉箱的質量和，即:

Σm=2m1+50(m2+m3)=2 780kg；

Pmax─最大有用功率(kW)，即鏈輪對鏈條的輸出；

P─電機額定功率(kW)；

F─鏈輪驅動鏈條力(N)；

ΔW─鏈輪兩側不平衡載荷(N)，取單側托盤全部滿盤的極端情況；

Δm─不平衡質量(kg)；

Σm'─極端不平衡時的系統質量(kg)，指提升機一側托盤全滿，另一側全空；

F 摩─沿程導論滾動摩擦阻力(N),與荷載大小、托盤剛性、安裝垂直度等因素相關。為了簡化計算，依據經驗取系統總重力荷載的5%；

F 張緊─鏈條張緊力(N)，設定為500N,驅動鏈輪兩側張緊力相互抵消；

η─驅動裝置總效率，鏈傳動效率與電機效率之乘積，取0.83；

cosφ─功率因數,取0.8。

（2）功率設計計算。兩根鏈條由一臺電機驅動，極端工況是提升機從一層向頂層輸送，上升一側托盤全滿盤，下降一側全空盤，此時急停后再啟動的啟動功率最大，計算如下：

取額定功率7.5kW 的一檔電機。

4.6 輸送效率計算

垂直輸送速度0.5m/s，綜合利用系數η1 取0.8，托盤節距2m，則實際垂直輸送效率C 計算如下：

實際輸送效率≥400 箱/h，滿足設計要求。

5 結論

本文重點探討了多進多出循環提升機提升高度的設計計算方法，總結出50m 以下提升機的安全系數- 提升高度曲線圖，方便鏈條選用。設計系統適用于高層建筑的大型電能表智能倉儲、現代醫院物流等垂直輸送自動化需求，實現了多樓層的周轉箱同時進出，輸送能力在700 箱/h 以上。提升高度大于50m 時存在的問題與解決措施如下：

（1）安全問題。盡管設計已考慮10 倍的安全系數，但急停、卡鏈、零件缺陷等意外情況有可能造成斷鏈，為了防止高層墜落，需要在鏈條的上升側和下降側加裝防墜落裝置，系統變得很復雜，可靠性差。

（2）安裝難度。過長的環形鏈及大量的托盤自重加大了安裝難度，導軌的直線度和垂直度不易保證。

（3）同步問題。因鏈條重、荷載大，長期運行磨損大，加上因自重蠕變延伸造成鏈條伸長，影響同步。

（4）啟停問題。系統慣量太大，啟動緩慢，急停沖擊大，急停后滿載啟動困難。

（5）提升高度大于50m 的解決方案。少數建筑高度大于50m 時，建議采用多級接力、自動轉接的解決方案。即采用兩臺提升機接力的形式解決50m-100m 高的垂直輸送需求。兩臺提升機在垂直面上錯開布局，中間交接層由一段雙線輸送機自動連接。