多功能型材吊具結構設計

高愛民 彭曉華

(中冶賽迪技術研究中心有限公司裝備系統研究所 重慶 401122)

1 前言

近年來，在“工業4.0”和“中國智能制造2025”的推動下，智能制造的趨勢越發明朗，車間無人化技術作為其中的重要領域也正在迅猛發展。冶金行業的倉庫無人化，由于其高效、安全、經濟等諸多優勢越來越被國內、外各企業所采用[1]。

目前，針對鋼卷的智能化、無人化吊運技術已經得到了廣泛應用，效果顯著，實現了降本增效的目的。但是對于型材(包括：棒材、鋼管、鋼軌、型鋼等)的智能化、無人化存儲和吊運目前鮮有應用，制約型材智能化存儲和吊運的問題在于，現有的型材吊具只具備型材的吊運功能，不具備將型材從料框中取出或將型材從外部放入料框的功能，這樣導致型材發貨的時候，要么將型材連同存儲架一同發貨，這樣就造成增加立體式存儲架流通的數量，增加流通成本；要么在發貨的時候，通過其他裝置將型材從料框中取出并運送到發貨車輛上，而在裝料的時候，通過額外的設備將型材放入料框，同樣增加了物流時間和設備成本，這些問題的存在，嚴重制約了型材倉庫智能化、無人化吊運技術的應用與推廣。

傳統型材吊具應用示意圖見圖1所示。

圖1 傳統型材吊具應用示意圖

2 傳統吊具結構與工藝流程分析

傳統型材吊具在結構上，類似于港口碼頭的集裝箱吊具[2][3]，區別在于所采用的型材料框與集裝箱有所不同，是典型的四吊點結構型式，從而保證吊具在運行過程中的穩定性；吊具與料框之間的鎖緊裝置同樣采用機械式開閉器[4]實現。其典型結構方案圖見圖2所示。

圖2 傳統型材吊具結構圖1-導向裝置；2-鎖緊裝置；3-滑輪組；4-框架；5-導向滑板；6-型材料框；7-型材

傳統型材吊具在結構功能設計上比較單一，僅具備對型材料框的整體提升與放置功能，其工藝流程也與港口碼頭的集裝箱吊具類似[1]，比較簡單、單一。典型傳統型材吊具工藝流程見圖3所示。

圖3 傳統型材吊具工藝流程圖

步驟一：型材吊具運行到裝滿型材的型材料框正上方；

步驟二：型材吊具下降通過鎖緊裝置鎖緊料框，并提升到運行位；

步驟三：型材吊具運行到型材存放區，并下降將料框放置到存放區，同時自動打開鎖緊裝置，型材吊具脫離料框并提升到運行位。

3 多功能型材吊具工藝流程分析

從圖2傳統型材吊具典型結構方案圖和圖3工藝流程可以發現，傳統型材吊具不具備將型材放入料框和將型材從料框中移出的功能，這樣就需要在型材放入料框工位和將型材移出料框工位配置相應的設備與傳統型材吊具協同工作，一方面增加的投資成本，同時，也影響了生產節奏。

因此，多功能型材吊具在工藝流程上除了具備傳統型材吊具的功能之外，同時要具備對型材料框的整體提升與放置功能，具備更多的適用性。多功能型材吊具工藝流程見圖4所示：

步驟一：型材吊具將型材吊運到型材料框正上方；

步驟二：型材吊具下降通過鎖緊裝置鎖緊料框，并提升到運行位；

步驟三：型材吊具運行到型材存放區，如果型材連同料框整體存放，則型材吊運裝置處于打開位，并進入步驟四，否則直接進入步驟五；

圖4 多功能型材吊具工藝流程圖

步驟四：型材吊具下降將料框放置到存放區，同時自動打開鎖緊裝置，型材吊具脫離料框并提升到運行位；

步驟五：型材吊具下降將料框放置到存放區，同時自動打開鎖緊裝置，型材吊具連同型材一起脫離料框并提升到運行位，并將型材運送到出庫車輛上。

上述步驟也可單獨使用，比如：需要將存放在料框中的型材取出，同樣可以采用型材吊具進行處理等。

根據上述工藝流程分析可以看出，多功能型材具備了多項功能，包括：從生產線或料場將型材裝運到料框中、整體吊運料框進行立體式存儲、將料框中的型材取出并運送到指定位置，已經具備了型材庫區吊運的全流程功能。

4 多功能型材吊具結構設計

為了實現上述分析的型材吊運功能，根據傳統型材吊具的不足，設計開發的多功能型材吊具結構方案圖見圖5所示。

多功能型材吊具在結構設計上，依然保留傳統型材吊具的四吊點結構和鎖緊結構模式，但新增了用于直接吊運型材的擺動桿加托輥結構，并采用電機驅動的方式。當需要吊取型材的時候，只需要吊具托輥下降到型材底面高度位置，然后通過電機旋轉托輥，即可托住型材，完成型材吊運工作；當僅需要進行型材與料框整體立體式堆放的時候，在托輥一直保持水平狀態，即可滿足整體吊運功能。

多功能型材吊具從根本上解決了傳統型材吊具功能單一的問題，但同時也帶來了新的問題：在吊具直接吊取型材過程中，需要放置型材的時候，避免型材與型材支撐結構之間產生滑動摩擦來減小支撐結構運動時的阻力，也避免劃傷型材，采用了托輥結構；但是在將吊具直接吊取型材的時候，是通過旋轉托輥托住型材的，托輥容易滾動，在吊運過程中型材很容易造成脫落的事故。因此，必須采取措施，既能保證放置型材的時候托輥與型材之間的滾動接觸，又能保證在吊運過程中型材不會滑脫。

為此，將1#托輥的軸承設置為逆時針旋轉單向旋轉軸承，將2#托輥的軸承設置為順時針旋轉單向旋轉軸承。當托輥從閉合狀態旋轉到打開狀態時如圖5所示，在打開過程中，1#托輥將按逆時針滾動，而2#托輥將按順時針滾動，滿足了托輥開閉的需要；同時，在托輥處于閉合狀態托住型材的時候，當型材有向前滑動趨勢的時候，則需要1#托輥順時針旋轉，反之，則需要2#托輥逆時針旋轉，而1#托輥的單向旋轉軸承只能逆時針旋轉，而2#托輥的單向旋轉軸承只能順時針旋轉，因此，也解決了托輥滾動造成型材脫落的問題。

圖5 多功能型材吊具結構圖1-導向裝置；2-電機；3-滑輪組；4-框架；5-1#托輥；6-擺動桿；7-鎖緊裝置；8-2#托輥；9-導向滑板；10-型材料框；11-型材

5 結論

通過在對傳統型材吊具結構和工藝流程進行分析并總結其利弊的基礎上，提出一種多功能型材吊具方案，并進行了結構和工藝流程分析，該方案在滿足傳統型材吊具功能的同時，具備了型材的入料和出料功能，減少了車間的設備配置，同時也提高了車間的生產節奏，促進了型材車間無人化吊運技術的應用與推廣，也對今后進一步研究和開發起到了積極的推動作用。