鋼板庫ETV的設計與研究

賀燦輝，胡 珊，黃成峰

（深圳中集天達物流系統工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，隨著制造業的迅猛發展和現代生產模式的變革，自動化立體倉庫以其低占地面積、高作業效率和智能化等特點成為制造企業大力發展的重要裝備[1-4]。大部分的國產堆垛機產品的高度都在24 m 以下，能承載1 000 kg 左右的物體，行走速度為180 m/min以下，能滿足基本的出庫、入庫需求[5]。載重超過2 000 kg的堆垛機就稱為重型堆垛機，中國超高超重型堆垛機產品的數量相對較少[5-6]。ETV（Elevation Transfer Vehicle）屬于一種重型堆垛機，多數情況下，ETV 指航空貨站自動化存取系統中的核心存取設備，本文指用于大型鋼板存取的重型堆垛機。隨著物流行業的發展，傳統的堆垛機已經不能完全滿足市場的需求，貨物朝著大型化、重型化方向發展，所以對重型堆垛機的需求也越來越大。

很多學者針對重型堆垛機進行了研究。劉文波等[7]研究的油田重型堆垛機，雖載重只1.5 t，但貨叉行程可以達到4.5 m。蔣君俠等[8]建立了重載堆垛機的結構優化模型，以剛度最大為優化目標，對立柱和貨叉的截面進行了優化。萬英和等[9-10]研究的四立柱重載堆垛機，采用無動力輥筒加推拉式貨叉的結構形式，實現了高鐵轉向架的自動存取。王思[11]研究的注塑模具堆垛機，采用無動力滾筒和推拉式存取小車的結構形式，最大能夠存取10 t 重的注塑模具。趙雨[12]針對單立柱重載堆垛機進行了輕量化設計，有效改善了堆垛機設計中普遍存在的材料冗余、結構笨重等問題。這些學者們研究的重型堆垛機，能夠滿足重型貨物的存取要求，但是需要對貨架進行改造，每個貨位都要設置無動力滾筒，這樣整個立體庫的造價非常高，經濟型差，安裝復雜。為解決這個問題，本文采用搬運器這種新結構形式，既能存取重型貨物，貨架又不需設置無動力滾筒。

1 鋼板庫ETV總體方案設計

1.1 貨物特點

板材庫ETV 專門針對鋼板的自動存取進行設計。鋼板有尺寸大，重量大的特點，鋼板寬度1.5～2.5 m，長度6～12 m，質量一般10 t 左右。由于鋼板的這些特點，如采用常規貨叉形式的堆垛機，由于彎矩太大，常規堆垛機已不能滿足使用要求，需要研發專用的存取設備。考慮到經濟性和市場需求，本文以寬度1.5～2 m，長度6～9 m的鋼板為基礎，進行研究。

1.2 總體結構

由于貨物尺寸大，重量大，為提高結構強度和穩定性，鋼板庫ETV 采用四立柱和雙地軌的結構形式。鋼板庫ETV 由底架、龍門架、載貨臺、搬運器、輥道臺、提升機構、掛鉤機構和爬梯平臺等部件組成，圖1 所示為鋼板庫ETV組成。底架和龍門架構成了整個ETV 的主結構，由板材和型材焊接而成。其中，底架由底架骨架和行走機構組成，行走機構負責帶動整個ETV 沿著地軌前后移動。由于貨物尺寸太大，為提高ETV 的穩定性，行走機構采用雙地軌的結構形式，龍門架采用4 根立柱的結構形式。載貨臺是型材焊接而成的框架結構，設置在4 根立柱的中間，起裝載貨物的作用。載貨臺兩側各安裝一組輥道臺，中間安裝搬運器。輥道臺是一種滾筒輸送機，起支撐和輸送貨物的作用。搬運器由多個搬運小車組成，它能沿著載輥道臺上的軌道運行，實現把貨物從載貨臺搬進貨架和從貨架搬進載貨臺的功能。提升機構采用鋼絲繩卷揚機，拉著載貨臺做升降運動。在行走機構、提升機構、搬運器和輥道臺的共同作用下，使貨物在X、Y、Z三個方向運動，實現貨物的自動存取功能。掛鉤機構的固定鉤裝載立柱上，連桿機構裝在載貨臺上。當載貨臺裝卸貨物的時候，連桿機構伸出掛在固定鉤上，防止提升重量發生變化時，載貨臺高度發生變化，而使高度方向定位不準。爬梯平臺是為方便維護保養而設置，通過爬梯平臺，維保人員能到達ETV 需要維保的位置。電氣是ETV 的靈魂，通過它控制ETV 各機構的協同運行，才能實現自動存取功能。

圖1 鋼板庫ETV組成

1.3 工作原理

存貨時，ETV 的PLC 收到存貨指令后，向ETV 各機構發出執行指令，各機構協同運動。首先，行走機構和提升機構運行，ETV 運行到交接輸送機處，輥道臺與交接輸送機對齊時停止，同時掛鉤機構上掛。然后，交接輸送機將貨物輸送到輥道臺上，輥道臺運行，將貨物輸送至載貨臺標定位置時停止，掛鉤機構解掛。接著，行走機構和提升機構再次運行，帶著貨物到達目的貨位，掛鉤機構再次上掛。最后，搬運器將貨物頂高，帶著貨物運行到貨位內，再將貨物放置在貨架上，完成后，搬運器回到載貨臺上，掛鉤機構解掛。取貨流程與存貨流程相反。

2 鋼板庫ETV部件方案設計

2.1 底架

2.1.1 底架骨架

底架骨架由型材和板材焊接而成，整體成矩形結構形式，如圖2所示。四邊主承載梁采用350 mm×350 mm 的方管，主承載梁間通過拉桿連接起來，構成完整的整體。矩形結構4 個頂點位置各留有一個矩形缺口，用于嵌入輪箱，通過螺栓連接固定。輪箱安裝位置旁邊預留立柱安裝法蘭，用于龍門架4 根立柱的安裝固定。立柱法蘭盡可能靠近輪箱，以改善底架骨架的受力狀態。注意，立柱安裝法蘭和輪箱安裝面需焊后整體加工，以保證他們之間的形位公差要求和尺寸精度。

圖2 底架結構

2.1.2 行走機構

行走機構由減速電機、驅動軸、輪箱和行走導向輪組件組成，采用雙軌4 個行走輪的結構形式。為提高運行穩定性，采用兩個減速電機四驅的方式，一個減速電機同時驅動兩個輪子。行走速度120 m/min，滿載ETV質量53 t，參考GB/T 3811-2008 有軌運行機構功率計算公式進行計算校核，最后選取兩個15 kW 的電機。輪箱是由輪系和車架組成，將它們設計成整體小箱體的形式，這樣方便安裝調整和后期維護保養。ETV采用無緣車輪，故需使用導向輪，防止車輪脫軌。導向輪需預留足夠的調整間隙，以保證后期的調整需求。

2.2 龍門架

龍門架的作用是支撐載貨臺，引導載貨臺做升降運動。龍門架采用四立柱的形式，立柱下端通過法蘭與底架連接，上端通過橫梁相互連接起來，如圖3 所示。為降低整機重量，立柱采用350 mm×350 mm 的小方管，同時，在每根立柱旁都增加輔助支撐，以滿足龍門架強度和剛度的要求。4根立柱同時作為載貨臺升降導軌使用。對立柱的要求較高，需選取質量好的方管，并校形，使立柱直線度和平面度等形位公差滿足要求。側面兩立柱間，設置斜拉桿，呈三角形狀，提高立柱穩定性和剛性。龍門架頂端設置4 組定滑輪，與載貨臺動滑輪相對應，通過鋼絲提拉載貨臺。

圖3 龍門架結構

2.3 載貨臺

載貨臺由載貨臺框架、提升導向輪組件和動滑輪組件等組成，如圖4 所示。載貨臺框架采用方管拼焊，下面主梁端頭安裝分別4 組提升導向輪組件，上面橫梁端頭分別安裝4組動滑輪組件。載貨臺中間，兩排小支座，用于安裝輥道臺。提升導向輪采用聚氨酯材質，以4 根立柱為導軌，可以有效降低提升噪聲。由于聚氨酯導向輪承載小，為降低單個導向輪的輪壓，總共采用了16 個導向輪，每兩個導向輪一組，通過杠桿連接，使導向輪受力均衡。

圖4 載貨臺結構

由于貨物尺寸大，重量大的特點，常規貨叉堆垛機，已經不能滿足承載要求。同時，不希望貨架的每個貨位增加無動力滾筒，因為這樣會增加貨架的安裝難度和制造成本。本文研究的存取系統，采用輥道臺加搬運器的結構，就很好的解決了這兩個難題。如圖5 所示，載貨臺兩側各安裝一組輥道臺，搬運器在中間。這樣，與輸送機對接時，通過輥道臺實現貨物存取，與貨架對接時，通過搬運器實現貨物存取。不管是那種方式，都不會因為存取貨而產生額外彎矩，從而滿足大尺寸，大重量貨物的存取要求。

圖5 存取系統

2.4 搬運器

搬運器由3個搬運小車串聯組成，根據貨物的大小，小車數量可以相應調整。每個小車都有獨立的行走機構，可以沿著兩組輥道臺中間的軌道來回運動。每個小車上設置有兩套頂升機構，兩端各一個，實現將貨物頂高和放下的功能。頂升機構的作用是防止搬運器帶貨運行時，貨物與輥道臺和貨架干涉和摩擦。當存取貨時，輥道臺上的軌道與貨架上的軌道對齊，這時，搬運器可以沿著軌道進出貨架。正因為這點，搬運器上貨物的重量可以逐步卸載到貨架上，而不像貨叉，它存取貨時，會產生較大的彎矩。另外，輥道臺和貨架上的軌道端頭要設計成斜坡過渡，防止軌道端頭磕碰搬運器行走輪，造成行走輪損傷。

2.5 輥道臺

輥道臺有兩組，分別設置在載貨臺兩側，輥道臺中間通道對稱裝有兩條L 型軌道，搬運器剛好可以嵌入兩條軌道中間。為使兩組輥道臺的滾筒運行同步，使用一個驅動機構同時驅動兩組輥道臺。由于鋼板一般不帶托盤，為防止損傷鋼板表面，滾筒表面需包裹一層聚氨酯。與交接輸送機對接時，ETV取貨和出貨就靠輥道臺實現。輥道臺還有一個作用是承載貨物。

2.6 提升機構

提升機構由電機、減速機、卷筒和鋼絲繩等組成。提升速度20 m/min，提升總質量19 t，參考GB/T 3811-2008 起升機構功率計算公式進行計算和校核，最后選取額定功率110 kW 的電機，采用自帶制動器的電機。減速機輸出端采用雙出軸，兩端各連接一個卷筒，卷筒和減速機間用萬向聯軸器連接，以抵消制造安裝誤差。鋼絲繩直徑20 mm，采用四繩兩倍率的繞繩形式。通過鋼絲繩，繞過載貨臺4 組動滑輪，牽引載貨做升降運動。由于卷筒直徑存在制造誤差，兩卷在相同旋轉圈數時，繞繩長度不一樣，會造成載貨臺水平度超標。兩個措施可以防止載貨臺水平度超標：（1）卷筒直徑誤差±0.05；（2）增加鋼絲繩平衡機構。

2.7 掛鉤機構

掛鉤機構由固定掛鉤和活動連桿機構兩部分構成。固定掛鉤通過螺栓固定在立柱上，每一層的位置均有一組固定掛鉤。活動連桿機構有兩組，載貨臺兩端各設置一組。連桿機構可以伸出和收回，伸出時，掛到固定掛鉤上，托住載貨臺；收回時，與固定掛鉤分離，載貨臺才允許做升降運動。由于貨物重量大，在裝載和卸載時，鋼絲繩會發生較大的彈性變形，從而載貨臺高度坐標發生變化，導致定位不準。有了掛鉤機構，在裝載或卸載時，可以控制鋼絲繩卸載大部分力，由掛鉤來承載。這樣，載貨臺會在某一層的固定位置，就不會發生由于鋼絲繩變形導致定位不準的問題。

2.8 爬梯平臺

爬梯平臺由爬梯和維修平臺兩部分組成。ETV 很多零部件需要高空維保，如提升機構、滑輪、松繩檢測等等。為方便維保，在需要維保的位置設置平臺，然后通過爬梯和通道將各平臺相連。

3 項目應用

目前，該設計已經在無錫建锠項目投產使用，如圖6所示，用于自動存取不銹鋼板。實際不銹鋼板尺寸范圍：長6～9 m，寬1.5～2 m，高0.075～0.195 m。經過現場測試驗證，ETV 的承載能力，運行性能和參數滿足設計要求。驗證了搬運器加輥道臺的模式，存取貨順暢，滿足重載、大尺寸貨物的要求。整個ETV 運行穩定、可靠，滿足了客戶的使用要求，有效地提高了鋼板行業的存取效率。

圖6 ETV應用現場

4 結束語

通過對鋼板的特點進行分析，設計出了滿足重載、大尺寸貨物自動存取的ETV。解決了現有重型堆垛機對貨架要求高的問題，有效地降低了貨架的制造成本和安裝難度。本文雖然是針對鋼板這個特定貨物進行的研究，但該ETV 的設計方案和思路也可以應用于其他重載、大尺寸的貨物，只需根據實際貨物做結構細節的調整。搬運器的設計，降低了對貨架的要求，貨架不再需要配置無動力滾筒。掛鉤機構的設計解決了裝卸載時，載貨臺垂直坐標發生變化，定位不準的問題。四立柱龍門架的設計，提高了ETV 的穩定性和結構強度。