牛欄山酒廠堆垛機(jī)可靠性因素研究

韓春宇，王成林，魏金旺，劉 斌

（1.北京物資學(xué)院，北京 101149；2.北京順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司牛欄山酒廠，北京 100000）

0 引言

堆垛機(jī)是自動化立體倉庫的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)整個自動化立體倉庫貨物的入庫與出庫。牛欄山酒廠自應(yīng)用堆垛機(jī)技術(shù)后，倉儲作業(yè)人員由最初的106人減少至49人，庫房租金由最初的596.5萬減少至65.6萬，明顯提高了倉儲作業(yè)效率，并基于此建立了先進(jìn)的生產(chǎn)鏈，企業(yè)效益顯著提高，但隨著堆垛機(jī)投入使用時間的加長，堆垛機(jī)運(yùn)行越發(fā)不穩(wěn)定，造成出入庫作業(yè)的停滯，造成企業(yè)損失，為了更好的發(fā)揮堆垛機(jī)高效率作業(yè)的優(yōu)勢，堆垛機(jī)的可靠性因素研究尤為重要。

1 牛欄山酒廠堆垛機(jī)突出問題

1.1 牛欄山酒廠堆垛機(jī)功能實(shí)現(xiàn)過程

堆垛機(jī)是自動化立體倉庫的核心設(shè)備，具有自動存取貨物的功能，實(shí)現(xiàn)自動存取貨物的功能需要多種技術(shù)作為支撐，所以堆垛機(jī)是一種涵蓋了電氣控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的高集成復(fù)雜設(shè)備，功能具體實(shí)現(xiàn)過程如下描述。

以入庫功能為例，控制系統(tǒng)模塊下的計算機(jī)系統(tǒng)下達(dá)指令，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的信號發(fā)射器發(fā)送至堆垛機(jī)主體移動接收器，電控模塊激光測距儀定位巷道方向位置，載貨臺激光條碼裝置控制載貨臺在豎直方向上的定位，并且通過控制系統(tǒng)模塊的行走變頻器和提升變頻器，控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，堆垛機(jī)到達(dá)巷道口，由電控系統(tǒng)模塊的載貨臺探測裝置探測位置確定有貨后，貨叉伸縮，由電控系統(tǒng)模塊的行程開關(guān)和裝塊確定伸叉、縮叉位移，貨物放置載貨臺，并由電控系統(tǒng)模塊的貨形檢測裝置進(jìn)行貨形檢查，合格后，電控模塊激光測距儀定位巷道方向位置，載貨臺激光條碼裝置控制載貨臺在豎直方向上的定位，并且通過控制系統(tǒng)模塊的行走變頻器和提升變頻器，控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，堆垛機(jī)到達(dá)巷貨位，由電控系統(tǒng)模塊的載貨臺探測裝置探測該貨位確定無貨后，由電控系統(tǒng)模塊的行程開關(guān)和裝塊確定伸叉、縮叉位移，將貨物放入指定貨位，具體如圖1所示。

圖1 堆垛機(jī)系統(tǒng)出入庫功能實(shí)現(xiàn)過程圖

1.2 牛欄山酒廠堆垛機(jī)可靠性問題

牛欄山酒廠自動化立體倉庫共設(shè)有20個巷道，配備20臺堆垛機(jī)，每臺堆垛機(jī)高18米，負(fù)責(zé)整個酒廠的白酒貨品出入庫，隨著堆垛機(jī)投入使用時間的加長，堆垛機(jī)的可靠性顯著降低，嚴(yán)重影響了牛欄山酒廠白酒貨品的銷售與生產(chǎn)，給企業(yè)帶來了一定的損失，并造成了重大的安全隱患。根據(jù)圖1對堆垛機(jī)功能模塊的劃分，分別總結(jié)如下問題。

1.3 機(jī)械模塊可靠性問題

1）牛欄山酒廠堆垛機(jī)在運(yùn)行過程中振動較大。堆垛機(jī)振動加大，不僅損害堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)，還會影響電控系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊以及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊中的電子元器件的可靠性，造成電子元器件之間接觸不良，甚至可能損壞電子元器件。

2）牛欄山酒廠地軌、行走輪與導(dǎo)向輪磨損嚴(yán)重。磨損增加導(dǎo)致振動增加，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致其他機(jī)械零部件的損傷，影響驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電流變化，導(dǎo)致行走變頻器報警，造成堆垛機(jī)的急停。

3）堆垛機(jī)系統(tǒng)貨叉伸縮出現(xiàn)故障。堆垛機(jī)貨叉伸縮過程中有卡死現(xiàn)象，內(nèi)部有零件損壞，外部有一定程度的形變，導(dǎo)致貨叉的伸縮動作不流暢，驅(qū)動電機(jī)電流增大，貨叉伸縮變頻器報警，造成堆垛機(jī)的急停。

4）堆垛機(jī)系統(tǒng)提升機(jī)構(gòu)發(fā)生故障。載貨臺位置有改變，導(dǎo)致提升鏈條方向不豎直，提升阻力變大，從而驅(qū)動電機(jī)電流變大，提升變頻器報警，造成堆垛機(jī)急停，另外有鏈輪發(fā)生損壞，導(dǎo)致提升動作無法完成。

2 控制系統(tǒng)模塊可靠性問題

1）牛欄山酒廠堆垛機(jī)系統(tǒng)變頻器時常出現(xiàn)報警現(xiàn)象，導(dǎo)致出入庫作業(yè)的中斷。

2）牛欄山酒廠堆垛機(jī)系統(tǒng)對于貨位的分配采用隨機(jī)分配模式，對貨物的規(guī)劃入庫出庫規(guī)劃控制不足，導(dǎo)致某條巷道堆垛機(jī)發(fā)生故障后，其他巷道沒有足夠相應(yīng)的貨物作為補(bǔ)充。

2.1 電控系統(tǒng)模塊可靠性問題

牛欄山酒廠堆垛機(jī)系統(tǒng)塊經(jīng)常有報警錯誤的情況，尤其是貨形檢測，經(jīng)常出現(xiàn)報警錯誤的現(xiàn)象，導(dǎo)致出入庫作業(yè)時有中斷。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)可靠性問題

牛欄山酒廠堆垛機(jī)系統(tǒng)時常出現(xiàn)失聯(lián)現(xiàn)象，導(dǎo)致任務(wù)指令無法被及時完成。只能通過維修或者網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)才能進(jìn)行工作，造成了出入庫的停滯。

3 牛欄山酒廠堆垛機(jī)可靠性因素分析

3.1 堆垛機(jī)可靠性因素概述

堆垛機(jī)系統(tǒng)是個集成度很高的復(fù)雜系統(tǒng)，其本身的可靠性由各個子系統(tǒng)模塊的可靠性所決定，所以堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性是所有子系統(tǒng)模塊可靠性的綜合體現(xiàn)。并通過以上的論述，可以得到堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性概念組成和影響的主要因素，如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性概念圖

3.2 基于FMECA與FTA堆垛機(jī)可靠性分析

通過在牛欄山酒廠進(jìn)行實(shí)地考察，并對現(xiàn)場20臺堆垛機(jī)的故障記錄進(jìn)行了整理，從2017年5月到2018年4月共統(tǒng)計348條故障記錄，并記錄了每種故障的檢測方式與平均修復(fù)時間，并根據(jù)FMECA計算出每種故障的危害度Cr[1]，具體如表1所示。

其中各個故障危害度Cr計算公式為：

其中，Ki為該種故障的嚴(yán)酷度，即該種故障對產(chǎn)品完成任務(wù)的影響程度[2]，基于堆垛機(jī)工作特點(diǎn)，用該種故障的維修時間ti與堆垛機(jī)單位工作時間T的比值來表示；Fi為該種故障出現(xiàn)的頻率，用該種故障出現(xiàn)的頻次ni與總的故障數(shù)N的比值來表示。

如表1所示，其中故障F01～F08屬于電氣系統(tǒng)故障，故障F09～F12屬于機(jī)械故障，故障F13為網(wǎng)絡(luò)通訊故障，F(xiàn)14為控制系統(tǒng)故障，可知牛欄山酒廠堆垛機(jī)系統(tǒng)故障問題已經(jīng)遍布整個堆垛機(jī)系統(tǒng)，堆垛機(jī)可靠性顯著降低。根據(jù)表1統(tǒng)計的個種類故障的危害度，進(jìn)行了對比分析，如圖3的危害度柱狀圖所示。

圖3 危害度柱狀圖

表1 牛欄山酒廠故障統(tǒng)計及危害度表

如圖3所示，14種故障危害度可分為4種程度，即輕度故障，包括F03、F07、F08、F09、F11；正常故障，包括F02、F05、F06、F12、F14；應(yīng)注意故障，包括F01、F10；高危故障，包括F04、F13。

將應(yīng)注意故障和高危故障，即F01、F10、F04、F13進(jìn)行可靠性因素分析。應(yīng)用故障樹分析技術(shù)[3]，對危險度較高的4類故障進(jìn)行定性分析，最終得到重要的可靠性因素。4類故障的故障樹模型由圖4所示，表2為故障樹故障代碼表。

圖4 F01、F04、F10、F14故障樹模型

根據(jù)故障樹，可以得到F01故障的最小割集分別為{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}；F04故障的最小割集分別為{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}；F10故障的最小割集分別為{X18}、{X19}、{X20}；F14故障的最小割集分別為{X21}、{X23}、{X24}、{X25}。最小割集是引發(fā)故障的最基本事件的集合[4]，從最小割集角度進(jìn)行分析，可以找到影響堆垛機(jī)可靠性的重要因素。

首先在以上最小割集中，{X6}、{X13}、{X21}、{X23}、{X25}為電子元器件的正常損耗和正常故障類型，不是造成現(xiàn)階段牛欄山酒廠可靠性低的原因，而在其他最小割集中，屬于機(jī)械磨耗造成的有{X3}、{X4}、{X5}、{X16}、{X18}、{X19}、{X20}；屬于振動劇烈造成的有{X7}、{X12}、{X14}、{X15}；屬于管理疏忽造成的有{X11}；屬于不完善控制造成有{X24}，這些可以通過控制來減少故障的發(fā)生率，提高堆垛機(jī)的可靠性。

通過總結(jié)分別把故障影響因素與可控可靠性因素進(jìn)行了總結(jié)，如表3所示。

通過分析，可以得出牛欄山堆垛機(jī)的可靠性因素包括潤滑、運(yùn)行里程、左右伸叉比、運(yùn)載重量、貨形檢查與貨形加固、路由器工作時間，可以通過控制以上可靠性因素，提高堆垛機(jī)的可靠性。

表2 F01、F04、F10、F14故障代碼表

表3 堆垛機(jī)故障影響因素與堆垛機(jī)可靠性因素對照表

3.3 堆垛機(jī)行走輪磨損影響分析

堆垛機(jī)的故障因素主要是機(jī)械磨損與振動，而堆垛機(jī)的磨損和振動主要是來自于堆垛機(jī)行走輪的磨損，為了有效控制行走輪磨損給堆垛機(jī)帶來的影響，需要分析磨損行走輪磨損后的幾何變化，確定行走輪更換的幾何閾值，減少堆垛機(jī)行走輪磨損給堆垛機(jī)帶來的不利影響，圖5為使用后行走輪踏面圖。

利用三坐標(biāo)測量技術(shù)對更換下的的行走輪進(jìn)行測量，測試結(jié)果如表4所示。

測試數(shù)據(jù)表明，行走輪使用后，圓柱度、直線度都發(fā)生了很大的改變，其中：

圖5 使用后行走輪踏面圖

圓柱度的改變在3～5倍，這使得行走輪與鐵軌的沖擊加重，增加徑向磨損和徑向振動；直線度的改變在磨損區(qū)域并不明顯，說明堆垛機(jī)行走輪磨損區(qū)域的輪軌軸向接觸比較均勻；過渡區(qū)域的直線度改變顯著，說明堆垛機(jī)行走輪與鐵軌邊緣的接觸作用最為不穩(wěn)定，也說明輪軌配合出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的問題，會引起行走輪軸向振動加劇；另外行走輪踏面上出現(xiàn)特殊扁平磨痕，存在較大的扁疤，使得行走輪與導(dǎo)軌發(fā)生更大的沖擊，造成堆垛機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定。

表4 行走輪三坐標(biāo)測試結(jié)果

因此，建立堆垛機(jī)行走輪更換檔案，記錄行走輪圓柱度、直線度的變化和扁疤數(shù)量，并記錄行走輪更換周期，規(guī)范行走輪更換周期。

4 堆垛機(jī)可靠性管理體系的提出

通過前述的分析，確定了牛欄山酒廠堆垛機(jī)可靠性主要影響因素，基于此提出了堆垛機(jī)全壽命周期可靠性管理體系，下面分別從五個方面進(jìn)行闡述。

1）堆垛機(jī)運(yùn)行環(huán)境控制。堆垛機(jī)是高集成的機(jī)電設(shè)備，對運(yùn)行環(huán)境有一定的要求，并且基于儲存白酒貨品的要求，保證環(huán)境溫度在0℃～30℃區(qū)間，濕度控制在70%以下，庫管人員做好日常記錄，倉庫定期清理，保持激光測距儀、反光板的清潔。

2）建立堆垛機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析，變頻器的電流、電壓、溫度是堆垛機(jī)運(yùn)行的主要參數(shù)，變頻器報警故障影響堆垛機(jī)的運(yùn)行，而這些參數(shù)的變化主要由機(jī)械的受力引起，而機(jī)械受力最好的數(shù)據(jù)體現(xiàn)便是振動，所以建立堆垛機(jī)變頻器電流、電壓、溫度監(jiān)測體系，建立堆垛機(jī)運(yùn)行的振動監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電流、電壓、溫度、振動數(shù)據(jù)的變化判斷堆垛機(jī)的健康程度做到提前維修，防止故障擴(kuò)大化。

3）規(guī)范堆垛機(jī)日常維護(hù)工作。定期檢查堆垛機(jī)的潤滑效果，調(diào)節(jié)提升鏈條的松緊度，確保貨叉的伸縮效果，確保緊固件的穩(wěn)固性。

4）加強(qiáng)倉庫管理標(biāo)準(zhǔn)化。在貨品入庫前檢查貨品堆垛效果，保證貨形規(guī)范，在庫中做好倉庫環(huán)境檢查，保證堆垛機(jī)巷道的整潔性、暢通性，做好倉庫貨架貨品檢查工作，確保貨品的穩(wěn)固與安全。

5）優(yōu)化堆垛機(jī)控制策略。尋求堆垛機(jī)控制的最優(yōu)策略，均衡20臺堆垛機(jī)作業(yè)量，達(dá)到運(yùn)行里程、左右伸叉比、運(yùn)載重量的相對平衡，確保機(jī)械磨損程度的統(tǒng)一，保證載貨臺受力的均衡；優(yōu)化堆垛機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制方式，引入路由器預(yù)備機(jī)制，保證路由器工作的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文通過現(xiàn)場收集的故障數(shù)據(jù)，運(yùn)用FMECA與FTA技術(shù)，確定了牛欄山酒廠堆垛機(jī)可靠性的影響因素，并基于此提出了堆垛機(jī)全壽命周期可靠性管理體系，目前對于堆垛機(jī)可靠性控制方式的研究尚少，多處于事后維修階段，不能很好的保障堆垛機(jī)工作的高效性，本文提出的堆垛機(jī)全壽命周期可靠性管理體系，為企業(yè)提供了一種切實(shí)有效的方案，解決了企業(yè)的相關(guān)問題，也為堆垛機(jī)可靠性的研究提供了一定的理論價值。