重載卷料堆垛機的設計

文/周維存

隨著物流業快速發展，各個行業對倉儲效率、倉儲智能化的需求日益提升。現有的堆垛機在搬運和堆垛卷料的過程中，容易引起卷料掉落，導致已有自動倉儲系統暫不能被應用在板帶軋制工廠中。因此，如何降低卷料在被堆垛機搬運和堆垛的過程中易掉落的風險，成為一個棘手問題[1]。

常規廠家在生產鋼卷、紙卷等卷料時，針對這些特殊物料的存取有一定難度，使用傳統的輸送設備占用空間多、存放復雜、效率低。自動化立體倉庫的應用，可以提高卷料的存取效率，降低人工成本與減少倉庫面積，實現高效智能化的管理。不過，由于一些實心卷料，尤其是鋼卷、銅版紙等，貨物重量可達到數噸甚至十幾噸，需要對重載卷料堆垛機進行設計開發。

一、機械結構

金屬結構主要由上橫梁、立柱、下橫梁、安全梯、休息平臺、操作平臺等組成。金屬框架主體結構是由鋼板焊合或槽鋼焊接的開口斷面由鋼板、方管、矩形管等焊接而成，焊接時嚴格控制焊縫寬度及焊接件結構的垂直度、平行度，以保證整體結構安裝尺寸。

堆垛機天軌使用H125型鋼，地軌使用89Cr鋼軌，以保障堆垛機鋼軌的強度與剛度。上橫梁使用鋼板拼接而成，其結構剛度符合靜剛度要求，變形量計算可控制在橫梁總長度的1/1500以內。上面設有滑輪、天軌導輪、安全保護機構、安全繩固定點等。立柱的主體使用鋼板、工字鋼拼接焊接而成，兩側焊接較寬的扁鋼用于外側載貨臺的導輪行走；在工字鋼上焊接鋼板與電梯導軌，此類導軌能夠保證在長度較長時，依然保持導軌的垂直度，防止因堆垛機過高使導軌扭曲，以及由此導致載貨臺運行抖動。下橫梁由鋼板拼接焊接而成，內設有筋板，下橫梁結構根據堆垛機高度設計，變形量計算符合行業標準靜剛度要求。除主體受力結構外，還在立柱外側設有爬梯、休息平臺以方便維修保養。電控柜操作臺設于堆垛機一側。

如圖1所示，堆垛機金屬結構具有強度高、剛度好、拼裝簡單、運行軌道垂直度高等特點，但與之相對，此類堆垛機金屬結構重量比常規堆垛機重很多，現場安裝需要大型設備配合，施工難度相對較高。由于堆垛機立柱較高，在實際應用中立柱需要拼焊，且焊接運輸過程中可能造成立柱扭曲度，導致載貨臺運行到頂部時間隙過大、取貨晃動等問題。在立柱上設有電梯導軌，該種導軌兩端有凹凸拼接點，在導軌底部設有墊片，導軌焊接前需要保證整個高度方向上立柱導軌的直線度。

圖1 金屬結構框架示例圖

由于堆垛機較高、貨物較重，因此該類堆垛機立柱需要特殊制作。如圖2，立柱采用拼焊方式，堆垛機內側使用工字鋼作為主要承載，其外側焊接扁鋼用于載貨臺運行導向。由于立柱過高，在一定高度后立柱撓度會超過設計要求值，因此載貨臺內側導向軌采用電梯導軌，并在工字鋼與導軌之間通過加入調整墊來控制導軌的平面度。

圖2 立柱結構示例圖

通過細化設計計算，可計算出金屬框架各部件重量，共計總重量約23t，載貨臺重量約3.6t，貨物重量約12t，貨叉重量約1t，兩根立柱導軌之間跨距約3m。

圖3為下橫梁截面示例圖。

圖3 下橫梁截面示例圖

根據上邊的截面參數，可計算出慣性矩I=1629104666（mm^4），彈性模量E=206000。

通過細化設計，可計算出堆垛機總重量約37t，貨物重量12t。

下橫梁行走輪之間跨距L=5650mm，立柱中心與支點距離a=1010，要求載貨臺靜剛度小于跨距1/1500要求。由此公式可計算出最大撓度fmax≈2.82＜（5650/1500≈3.77），滿足要求。

如圖4，載貨臺主要由起升導向輪、金屬框架等組成。載貨臺上裝有存取卷料貨物的貨叉伸縮機構、用于卷料貨物導向的導向架、鋼絲繩滑輪，以及用于距離和位置檢測的開關等。載貨臺通過起升機構的電動機使鋼絲繩上下移動，從而帶動載貨臺沿立柱的垂直方向升降。

圖4 載貨臺示例圖

圖6 載貨臺導輪設置示例圖

圖8導向架使用工況示例圖

圖5中的左圖為載貨臺示意圖，載貨臺框架是由矩形管、方管、鋼板等金屬機構拼接焊接而成。右圖為載貨臺水平框架截面圖，使用200×400工字鋼與鋼板焊接而成，根據該截面尺寸可以使用軟件（AutoCAD、Caxa等）計算出其慣性矩，用于計算水平框架的靜剛度。

圖5 載貨臺及水平框架截面示例圖

在貨叉滿載貨物時，依然能保證其靜剛度滿足撓度變形量在垂直框架跨距1/1500以內的要求。載貨臺上面的導向架通過帶座軸承可以調節導向角度，以滿足不同規格的卷料取貨導向作用，使載貨臺具有標準化、通用性。

由于貨物重量約12t，遠超過一般貨物。因此，要保證載貨臺的框架結構的靜剛度要求，必須使用較大的型鋼作為主要承載結構。根據如上截面參數，可計算出慣性矩I=396527302 (mm^4)，彈性模量E=206000，載貨臺之間跨距L=2000mm，貨物重量約12t，貨叉重量約1t，要求載貨臺靜剛度小于跨距1/1500要求。

由此公式可計算出最大撓度fmax≈0.29＜(2000/1500≈1.33)，滿足要求。

在貨叉伸出取貨時，由于貨物過重，且卷料的重心偏差，載貨臺可能會在寬度方向上有較大的偏重力，因此需要在導軌的外側和內側均設有導輪，以保證設備運行的穩定。

二、取貨機構

貨叉伸縮機構是堆垛機存取貨物的執行機構，裝設在載貨臺上。固定貨叉安裝在載貨臺上，固定貨叉、伸縮貨叉（中）、伸縮貨叉（上）之間由鏈輪鏈條進行連接。電機減速器通過鏈輪由鏈條驅動鏈輪軸上的鏈輪，再由鏈輪軸上兩個鏈輪帶動鏈條、鏈條驅動伸縮貨叉（中）從固定貨叉中點向左或向右伸縮時，又帶動伸縮貨叉（上）進行伸縮。為防止卷料滾動，設計出一種V型貨叉進行存取。

如圖7，卷料貨物因其特殊的外形，無法使用常規托盤存取貨物，因此采用此種貨叉可以將卷料從托盤中解放出來，使用該種貨叉即可實現存取，并且可以兼容不同大小的卷料貨物。卷料貨物因通常由紙卷、金屬卷等薄片狀材料卷起而成，而卷料的整體重量非常大，因此外部材質實際很容易被鋼鐵等金屬擠壓變形造成損壞，所以上叉支撐板采用合金鋼+尼龍板材質（MC901）的V型貨叉，尼龍板表面粗紋理增加最大靜摩擦力防止取貨時發生打滑。

圖7 貨物示例圖

貨叉采用V型結構來放置，可以防止卷料的徑向滾動，但是在取貨過程中卷料可能會因為慣性而滾出V型區域，因此需要制作導向架來防止卷料的滾動。該導向架的驅動機構設計了兩個電動推桿，通過電動推桿驅動擺動的連桿實現對不同外徑的卷料限位。當導向架接觸載貨臺與貨物時，觸發機械開關，推桿機構停止擺動，對卷料進行導向。導向架使用工況示例圖，如圖8。

三、安全保護裝置

安全保護裝置是堆垛機的重要裝置之一。當堆垛機的載貨臺升降時，如某種原因（如同步帶斷裂、鋼絲繩斷裂、起升電機或減速機斷軸等）引起載貨臺超速下墜，安全保護裝置可不依賴其他動力驅動機構和電氣系統，迅速將載貨臺可靠地夾持在起升導軌上，達到防墜保護作用。

該堆垛機載貨臺設有夾緊鉗保護裝置，在下橫梁設有超速保護棘輪，當鋼絲繩斷裂時，載貨臺超速下墜，棘輪達到一定速度后制動，從而帶動載貨臺夾緊機構啟動，通過軟軸將載貨臺兩側夾緊鉗牢牢夾緊在運行導軌上，從而使載貨臺減速制動。

安全保護裝置布置示例圖，如圖9。夾緊鉗示例圖，如圖10。

圖9 安全保護裝置布置示例圖

圖10 夾緊鉗示例圖

安全鉗選型計算：根據國家安全規范JB 5319.2—91對安全鉗要求，5.1.1.1 捕捉器產生的制動力，應不小于被制動部分全部載荷的1.25倍。

安全鉗選型：根據GB7588-2003中9.8.21規定，若電梯額定速度大于0.65m/s，轎廂應采用漸進式安全鉗裝置。若電梯額定速度小于或等于0.63m/s，轎廂可采用瞬時式安全鉗裝置。

根據國家標準GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規范》，漸進式安全制動力的大小與轎廂系統質量相關，其之間的關系如下所示：

式中：F——制動力，N；

P——轎廂質量，kg；

Q——額定載重量，kg；

本項目起升速度為20m/min，即為0.33m/s，小于上述國標規定的0.63m/s，故選擇瞬時安全鉗裝置，符合要求。

選型校核：速度為0.33m/s，小于額定速度0.63 m/s，故符合標準規定；

總允許質量：載貨臺總質量P= 5000kg，額定載荷Q=12000kg，單臺使用兩個安全鉗同時作用，允許質量P+Q=17000<（19000×2=38000），安全鉗的制動力是被制動部分全部載荷的2.23倍，大于國家規范要求的1.25倍，選用的安全鉗型號符合國家規定。

四、機電結合裝置

堆垛機在巷道中運行時，依靠認址裝置及限位裝置來確定運行的相對距離與位置。在本次堆 垛機設計中，采用可靠的激光測距認址進行位置判定，定位精度可達±3mm。設備外部設有集電臂，采用滑觸線供電。端部設有紅外通訊裝置，與金屬框架的接收裝置配套使用。對于貨物，貨位檢測裝置設有超高、超寬、外形坍塌、探測貨物等多組傳感器。使該設備能夠具有堆垛機完備的大多數功能。

堆垛機在使用過程中的夾緊安全裝置也在其中設置電氣檢測，在鋼絲繩松繩或斷裂時，亦可以進行檢測。

機電結合布置示例圖，如圖11。松繩保護裝置示例圖，如圖12。

圖11 機電結合布置示例圖

圖12 松繩保護裝置示例圖

五、結論

隨著堆垛機技術在國內自動化倉儲領域的普及與完善，現有常規堆垛機已無法滿足日益增長的物料種類需求，因此需要有針對性地推動重載、超高等堆垛機的機型研發。

本文論述了一種運輸重載卷料貨物的堆垛機，物料特征為圓柱體易滾動、重量大。通過項目案例的參數，計算校核了該機型結構的強度，能夠符合行業標準。并且，設計了一種特制的導向架機構來固定卷料貨物，配合使用V型貨叉，使貨物存放更穩定；采用電梯夾緊鉗作為安全保護制動機構，安全性更可靠。該機型的機械結構設計與取貨導向架方案穩定可靠，可作為一種適用于重載卷料運輸的解決方案。