冷鏈物流堆垛機結構設計研究

吳威 王艷豐

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

冷庫長期處于低溫、高濕及溫濕度變化頻繁的環境中，且由于堆垛機的間歇性往返運轉導致的溫升以及巷道兩端制冷機組的間歇性運行導致的制冷等諸多變化、庫區內部溫度場分布的不均勻等，導致堆垛機框架結構構件由于溫度變化引起的膨脹或收縮受到相應的約束時就會產生溫度應力，當溫度應力達到一定值時，框架結構內部會產生微觀裂紋，甚至發生低溫脆斷現象，造成堆垛機工作失效。下面從堆垛機的選材、焊接加工、組裝等方面入手，對冷凍環境下堆垛機的機械設計和制造工藝進行深入探討。

一、堆垛機的基本結構

堆垛機由框架（包括上橫梁、立柱、下橫梁）、載貨臺、水平運行機構、起升機構、貨叉伸縮機構等部件組成，其中的重要構件包括上橫梁、立柱、下橫梁和載貨臺，構成穩定可靠的框架結構。

二、冷鏈物流堆垛機的結構設計

冷鏈物流堆垛機的各個零部件不同于常溫庫堆垛機,這并不代表是把常溫堆垛機的零部件更換為低溫環境下使用的零部件就可以的,它需要整體的全新設計,才能保證堆垛機在低溫環境下的長期使用。冷庫特殊的低溫環境增大了承載構件突然斷裂的危險性，因此鋼結構的抗脆性計算和強度計算同樣重要，應嚴格按照規范要求對堆垛機重要構件作抗脆性驗算，使鋼結構在低溫環境下滿足承載要求，鋼結構在低溫環境下的抗脆能力主要與鋼結構的應力集中程度、鋼材的厚度及低溫環境的溫度有關系。

在進行低溫環境下鋼結構設計時還應注意以下兩點1.在設計時盡量避免鋼結構的應力集中。大量的破壞實例表明，鋼結構在低溫下工作而發生脆性破壞的部位，大都發生在設計不當而引起的應力集中處，如焊縫交匯處、尖角、開孔、截面突變的地方，這些部位在較大拉伸應力的作用下，很可能造成脆裂而導致鋼結構失效。當結構件上必須開孔時，不宜有尖銳或曲率很大的孔角，應采取措施加強孔的周邊；構件截面不宜突變，應保留一定長度的過渡段，使應力緩和地變化。焊縫的布置不宜重疊交錯，而應適當分散，約束不宜過多，要盡量保證焊縫及其所焊結構能夠自由變形，不采用不對稱的單側搭接焊縫，其應力集中比較嚴重，盡量采用對接焊縫。2.在設計允許的前提下，盡量采用較薄的鋼板，而超過40mm 的鋼板不應用于低溫承載結構上。另外，在規劃設計時，低溫環境中設備運行的風險及故障損失均應納入考慮范圍。

三、冷鏈物流堆垛機的材料選用

鋼結構工作環境在-10℃以下時，鋼材的沖擊功將會相應降低，容易發生冷脆現象。這種低溫冷脆現象主要表現為脆性破壞的突然性，沒有明顯的塑性變形，而且構件破壞時的承載能力很低。并且隨著溫度的降低，材料脆性越是明顯，危險性越大。普通鋼材已經不能滿足冷庫堆垛機的使用要求，而必須選擇適應低溫要求的高性能結構鋼，以避免低溫條件下鋼材發生低溫破壞的可能。堆垛機結構復雜，其重要構件的材質，碳素結構鋼按照GB700，低合金結構鋼按照GB1591。當冷庫溫度不低于-20 度時，重要構件應選擇Q235C 或Q355D（16Mn）,當冷庫溫度低于-20 度時，重要構件應選擇Q235D或Q355E(Q355D 級是－20 度沖擊；Q355E 級,是－40 度沖擊)，保證材料擁有良好的耐磨、耐蝕、低溫性能、冷沖壓性能、焊接性能和可切削性能。在低溫環境下鑄件的抗脆斷性很低，行走輪盡量避免使用鑄造箱體。

四、設備焊接、裝配等加工要求

堆垛機金屬結構件焊接時，應選用優質合金焊條盡量減少焊接應力影響或焊接缺陷，在低溫下（如冬季露天作業）或在大剛性、大厚度結構上焊接時，為防止出現冷裂紋，焊前需采取預熱措施。為滿足低溫下的使用要求，部分焊接件焊后需要進行退火處理，以減輕結構件內部應力集中，滿足低溫沖擊性能。堆垛機組裝時，在低溫環境下需要考慮熱膨脹對零部件裝配公差、間隙配合及裝配預緊力等的影響。標準件的選配也要考慮低溫影響，在設計強度滿足的前提下盡量選用塑性高的材料。非金屬材料如橡膠、塑料等在低溫下失效影響較大。

五、電氣系統的設計要求

堆垛機電氣元器件的選用應符合冷庫低溫的工作環境。電氣系統中元件要求正常的工作溫度范圍一般為0℃～40℃，溫度過高或過低都會對電氣系統中的元器件產生較大影響。所以，電氣系統在設計時，最簡單可靠的方法就是將電氣設備安裝在具有保溫及防護等級不低于IP44 的電氣室內。設備的電控柜盡量放置在冷庫區以外區域，以避開冷凍環境對元器件的影響。如條件限制必須設置在冷庫內，則堆垛機控制柜的操作面板應采用按鈕式。另外，還需對控制柜進行保溫，保證柜內元器件的正常運行。電機在低于零下20℃需要特殊處理，包括低溫輸出軸和低溫潤滑油的更換，溫度更低時，還需要考慮電機制動抱閘的加熱等（如加熱帶）。以及選用低溫軸承。堆垛機認址系統選用條碼認址，可以選擇加熱型條碼讀頭。為方便維修和更換，可以選用接插件型式的電氣開關。選用的供電電纜及滑觸線需要耐低溫環境，使用保溫材料對穿墻管進行保溫隔離。

六、結論

冷鏈物流作為物流領域特殊的一部分,近年來因需求大,發展快,問題多的特性而備受關注。在其結構設計時，應重點關注重要構件的選材及其結構驗算，考慮加工裝配時細節處理，以及低溫環境下的電氣元件的性能影響與選型，以減少低溫環境下的設計安全隱患，以提高低溫環境下堆垛機的穩定可靠性。