冷鏈物流堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)境中，且由于堆垛機的間歇性往返運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的溫升以及巷道兩端制冷機組的間歇性運行導(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，當溫度應(yīng)力達到一定值時，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(huán)境下堆垛機的機械設(shè)計和制造工藝進行深入探討。

一、堆垛機的基本結(jié)構(gòu)

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(gòu)、起升機構(gòu)、貨叉伸縮機構(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)。

二、冷鏈物流堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)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(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)的抗脆性計算和強度計算同樣重要，應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求對堆垛機重要構(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)備運行的風險及故障損失均應(yīng)納入考慮范圍。

三、冷鏈物流堆垛機的材料選用

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。當冷庫溫度不低于-20 度時，重要構(gòu)件應(yīng)選擇Q235C 或Q355D（16Mn）,當冷庫溫度低于-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。

四、設(shè)備焊接、裝配等加工要求

堆垛機金屬結(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。標準件的選配也要考慮低溫影響，在設(shè)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(tǒng)的設(shè)計要求

堆垛機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)，則堆垛機控制柜的操作面板應(yīng)采用按鈕式。另外，還需對控制柜進行保溫，保證柜內(nèi)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(tǒng)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(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行保溫隔離。

六、結(jié)論

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)境下堆垛機的穩(wěn)定可靠性。