吳威 王艷豐
(沈陽新松機(jī)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(huán)境中,且由于堆垛機(jī)的間歇性往返運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的溫升以及巷道兩端制冷機(jī)組的間歇性運(yùn)行導(dǎo)致的制冷等諸多變化、庫區(qū)內(nèi)部溫度場分布的不均勻等,導(dǎo)致堆垛機(jī)框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于溫度變化引起的膨脹或收縮受到相應(yīng)的約束時就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力達(dá)到一定值時,框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生微觀裂紋,甚至發(fā)生低溫脆斷現(xiàn)象,造成堆垛機(jī)工作失效。下面從堆垛機(jī)的選材、焊接加工、組裝等方面入手,對冷凍環(huán)境下堆垛機(jī)的機(jī)械設(shè)計和制造工藝進(jìn)行深入探討。
堆垛機(jī)由框架(包括上橫梁、立柱、下橫梁)、載貨臺、水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)等部件組成,其中的重要構(gòu)件包括上橫梁、立柱、下橫梁和載貨臺,構(gòu)成穩(wěn)定可靠的框架結(jié)構(gòu)。
冷鏈物流堆垛機(jī)的各個零部件不同于常溫庫堆垛機(jī),這并不代表是把常溫堆垛機(jī)的零部件更換為低溫環(huán)境下使用的零部件就可以的,它需要整體的全新設(shè)計,才能保證堆垛機(jī)在低溫環(huán)境下的長期使用。冷庫特殊的低溫環(huán)境增大了承載構(gòu)件突然斷裂的危險性,因此鋼結(jié)構(gòu)的抗脆性計算和強(qiáng)度計算同樣重要,應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求對堆垛機(jī)重要構(gòu)件作抗脆性驗算,使鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下滿足承載要求,鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的抗脆能力主要與鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度、鋼材的厚度及低溫環(huán)境的溫度有關(guān)系。
在進(jìn)行低溫環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)注意以下兩點1.在設(shè)計時盡量避免鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。大量的破壞實例表明,鋼結(jié)構(gòu)在低溫下工作而發(fā)生脆性破壞的部位,大都發(fā)生在設(shè)計不當(dāng)而引起的應(yīng)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(yīng)力的作用下,很可能造成脆裂而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失效。當(dāng)結(jié)構(gòu)件上必須開孔時,不宜有尖銳或曲率很大的孔角,應(yīng)采取措施加強(qiáng)孔的周邊;構(gòu)件截面不宜突變,應(yīng)保留一定長度的過渡段,使應(yīng)力緩和地變化。焊縫的布置不宜重疊交錯,而應(yīng)適當(dāng)分散,約束不宜過多,要盡量保證焊縫及其所焊結(jié)構(gòu)能夠自由變形,不采用不對稱的單側(cè)搭接焊縫,其應(yīng)力集中比較嚴(yán)重,盡量采用對接焊縫。2.在設(shè)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(yīng)用于低溫承載結(jié)構(gòu)上。另外,在規(guī)劃設(shè)計時,低溫環(huán)境中設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險及故障損失均應(yīng)納入考慮范圍。
鋼結(jié)構(gòu)工作環(huán)境在-10℃以下時,鋼材的沖擊功將會相應(yīng)降低,容易發(fā)生冷脆現(xiàn)象。這種低溫冷脆現(xiàn)象主要表現(xiàn)為脆性破壞的突然性,沒有明顯的塑性變形,而且構(gòu)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(jīng)不能滿足冷庫堆垛機(jī)的使用要求,而必須選擇適應(yīng)低溫要求的高性能結(jié)構(gòu)鋼,以避免低溫條件下鋼材發(fā)生低溫破壞的可能。堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其重要構(gòu)件的材質(zhì),碳素結(jié)構(gòu)鋼按照GB700,低合金結(jié)構(gòu)鋼按照GB1591。當(dāng)冷庫溫度不低于-20 度時,重要構(gòu)件應(yīng)選擇Q235C 或Q355D(16Mn),當(dāng)冷庫溫度低于-20 度時,重要構(gòu)件應(yīng)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(huán)境下鑄件的抗脆斷性很低,行走輪盡量避免使用鑄造箱體。
堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件焊接時,應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)合金焊條盡量減少焊接應(yīng)力影響或焊接缺陷,在低溫下(如冬季露天作業(yè))或在大剛性、大厚度結(jié)構(gòu)上焊接時,為防止出現(xiàn)冷裂紋,焊前需采取預(yù)熱措施。為滿足低溫下的使用要求,部分焊接件焊后需要進(jìn)行退火處理,以減輕結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中,滿足低溫沖擊性能。堆垛機(jī)組裝時,在低溫環(huán)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(yù)緊力等的影響。標(biāo)準(zhǔn)件的選配也要考慮低溫影響,在設(shè)計強(qiáng)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。
堆垛機(jī)電氣元器件的選用應(yīng)符合冷庫低溫的工作環(huán)境。電氣系統(tǒng)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(tǒng)中的元器件產(chǎn)生較大影響。所以,電氣系統(tǒng)在設(shè)計時,最簡單可靠的方法就是將電氣設(shè)備安裝在具有保溫及防護(hù)等級不低于IP44 的電氣室內(nèi)。設(shè)備的電控柜盡量放置在冷庫區(qū)以外區(qū)域,以避開冷凍環(huán)境對元器件的影響。如條件限制必須設(shè)置在冷庫內(nèi),則堆垛機(jī)控制柜的操作面板應(yīng)采用按鈕式。另外,還需對控制柜進(jìn)行保溫,保證柜內(nèi)元器件的正常運(yùn)行。電機(jī)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(jī)制動抱閘的加熱等(如加熱帶)。以及選用低溫軸承。堆垛機(jī)認(rèn)址系統(tǒng)選用條碼認(rèn)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(guān)。選用的供電電纜及滑觸線需要耐低溫環(huán)境,使用保溫材料對穿墻管進(jìn)行保溫隔離。
冷鏈物流作為物流領(lǐng)域特殊的一部分,近年來因需求大,發(fā)展快,問題多的特性而備受關(guān)注。在其結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)重點關(guān)注重要構(gòu)件的選材及其結(jié)構(gòu)驗算,考慮加工裝配時細(xì)節(jié)處理,以及低溫環(huán)境下的電氣元件的性能影響與選型,以減少低溫環(huán)境下的設(shè)計安全隱患,以提高低溫環(huán)境下堆垛機(jī)的穩(wěn)定可靠性。