鋼板庫(kù)ETV的設(shè)計(jì)與研究

賀燦輝，胡 珊，黃成峰

（深圳中集天達(dá)物流系統(tǒng)工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)模式的變革，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)以其低占地面積、高作業(yè)效率和智能化等特點(diǎn)成為制造企業(yè)大力發(fā)展的重要裝備[1-4]。大部分的國(guó)產(chǎn)堆垛機(jī)產(chǎn)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(kù)、入庫(kù)需求[5]。載重超過(guò)2 000 kg的堆垛機(jī)就稱為重型堆垛機(jī)，中國(guó)超高超重型堆垛機(jī)產(chǎn)品的數(shù)量相對(duì)較少[5-6]。ETV（Elevation Transfer Vehicle）屬于一種重型堆垛機(jī)，多數(shù)情況下，ETV 指航空貨站自動(dòng)化存取系統(tǒng)中的核心存取設(shè)備，本文指用于大型鋼板存取的重型堆垛機(jī)。隨著物流行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的堆垛機(jī)已經(jīng)不能完全滿足市場(chǎng)的需求，貨物朝著大型化、重型化方向發(fā)展，所以對(duì)重型堆垛機(jī)的需求也越來(lái)越大。

很多學(xué)者針對(duì)重型堆垛機(jī)進(jìn)行了研究。劉文波等[7]研究的油田重型堆垛機(jī)，雖載重只1.5 t，但貨叉行程可以達(dá)到4.5 m。蔣君俠等[8]建立了重載堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)立柱和貨叉的截面進(jìn)行了優(yōu)化。萬(wàn)英和等[9-10]研究的四立柱重載堆垛機(jī)，采用無(wú)動(dòng)力輥筒加推拉式貨叉的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了高鐵轉(zhuǎn)向架的自動(dòng)存取。王思[11]研究的注塑模具堆垛機(jī)，采用無(wú)動(dòng)力滾筒和推拉式存取小車的結(jié)構(gòu)形式，最大能夠存取10 t 重的注塑模具。趙雨[12]針對(duì)單立柱重載堆垛機(jī)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，有效改善了堆垛機(jī)設(shè)計(jì)中普遍存在的材料冗余、結(jié)構(gòu)笨重等問(wèn)題。這些學(xué)者們研究的重型堆垛機(jī)，能夠滿足重型貨物的存取要求，但是需要對(duì)貨架進(jìn)行改造，每個(gè)貨位都要設(shè)置無(wú)動(dòng)力滾筒，這樣整個(gè)立體庫(kù)的造價(jià)非常高，經(jīng)濟(jì)型差，安裝復(fù)雜。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文采用搬運(yùn)器這種新結(jié)構(gòu)形式，既能存取重型貨物，貨架又不需設(shè)置無(wú)動(dòng)力滾筒。

1 鋼板庫(kù)ETV總體方案設(shè)計(jì)

1.1 貨物特點(diǎn)

板材庫(kù)ETV 專門針對(duì)鋼板的自動(dòng)存取進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼板有尺寸大，重量大的特點(diǎn)，鋼板寬度1.5～2.5 m，長(zhǎng)度6～12 m，質(zhì)量一般10 t 左右。由于鋼板的這些特點(diǎn)，如采用常規(guī)貨叉形式的堆垛機(jī)，由于彎矩太大，常規(guī)堆垛機(jī)已不能滿足使用要求，需要研發(fā)專用的存取設(shè)備?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)需求，本文以寬度1.5～2 m，長(zhǎng)度6～9 m的鋼板為基礎(chǔ)，進(jìn)行研究。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

由于貨物尺寸大，重量大，為提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，鋼板庫(kù)ETV 采用四立柱和雙地軌的結(jié)構(gòu)形式。鋼板庫(kù)ETV 由底架、龍門架、載貨臺(tái)、搬運(yùn)器、輥道臺(tái)、提升機(jī)構(gòu)、掛鉤機(jī)構(gòu)和爬梯平臺(tái)等部件組成，圖1 所示為鋼板庫(kù)ETV組成。底架和龍門架構(gòu)成了整個(gè)ETV 的主結(jié)構(gòu)，由板材和型材焊接而成。其中，底架由底架骨架和行走機(jī)構(gòu)組成，行走機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)帶動(dòng)整個(gè)ETV 沿著地軌前后移動(dòng)。由于貨物尺寸太大，為提高ETV 的穩(wěn)定性，行走機(jī)構(gòu)采用雙地軌的結(jié)構(gòu)形式，龍門架采用4 根立柱的結(jié)構(gòu)形式。載貨臺(tái)是型材焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置在4 根立柱的中間，起裝載貨物的作用。載貨臺(tái)兩側(cè)各安裝一組輥道臺(tái)，中間安裝搬運(yùn)器。輥道臺(tái)是一種滾筒輸送機(jī)，起支撐和輸送貨物的作用。搬運(yùn)器由多個(gè)搬運(yùn)小車組成，它能沿著載輥道臺(tái)上的軌道運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)把貨物從載貨臺(tái)搬進(jìn)貨架和從貨架搬進(jìn)載貨臺(tái)的功能。提升機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)，拉著載貨臺(tái)做升降運(yùn)動(dòng)。在行走機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)器和輥道臺(tái)的共同作用下，使貨物在X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存取功能。掛鉤機(jī)構(gòu)的固定鉤裝載立柱上，連桿機(jī)構(gòu)裝在載貨臺(tái)上。當(dāng)載貨臺(tái)裝卸貨物的時(shí)候，連桿機(jī)構(gòu)伸出掛在固定鉤上，防止提升重量發(fā)生變化時(shí)，載貨臺(tái)高度發(fā)生變化，而使高度方向定位不準(zhǔn)。爬梯平臺(tái)是為方便維護(hù)保養(yǎng)而設(shè)置，通過(guò)爬梯平臺(tái)，維保人員能到達(dá)ETV 需要維保的位置。電氣是ETV 的靈魂，通過(guò)它控制ETV 各機(jī)構(gòu)的協(xié)同運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取功能。

圖1 鋼板庫(kù)ETV組成

1.3 工作原理

存貨時(shí)，ETV 的PLC 收到存貨指令后，向ETV 各機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行指令，各機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。首先，行走機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行，ETV 運(yùn)行到交接輸送機(jī)處，輥道臺(tái)與交接輸送機(jī)對(duì)齊時(shí)停止，同時(shí)掛鉤機(jī)構(gòu)上掛。然后，交接輸送機(jī)將貨物輸送到輥道臺(tái)上，輥道臺(tái)運(yùn)行，將貨物輸送至載貨臺(tái)標(biāo)定位置時(shí)停止，掛鉤機(jī)構(gòu)解掛。接著，行走機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)再次運(yùn)行，帶著貨物到達(dá)目的貨位，掛鉤機(jī)構(gòu)再次上掛。最后，搬運(yùn)器將貨物頂高，帶著貨物運(yùn)行到貨位內(nèi)，再將貨物放置在貨架上，完成后，搬運(yùn)器回到載貨臺(tái)上，掛鉤機(jī)構(gòu)解掛。取貨流程與存貨流程相反。

2 鋼板庫(kù)ETV部件方案設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(guò)拉桿連接起來(lái)，構(gòu)成完整的整體。矩形結(jié)構(gòu)4 個(gè)頂點(diǎn)位置各留有一個(gè)矩形缺口，用于嵌入輪箱，通過(guò)螺栓連接固定。輪箱安裝位置旁邊預(yù)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(tài)。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(jié)構(gòu)

2.1.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、輪箱和行走導(dǎo)向輪組件組成，采用雙軌4 個(gè)行走輪的結(jié)構(gòu)形式。為提高運(yùn)行穩(wěn)定性，采用兩個(gè)減速電機(jī)四驅(qū)的方式，一個(gè)減速電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輪子。行走速度120 m/min，滿載ETV質(zhì)量53 t，參考GB/T 3811-2008 有軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)功率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算校核，最后選取兩個(gè)15 kW 的電機(jī)。輪箱是由輪系和車架組成，將它們?cè)O(shè)計(jì)成整體小箱體的形式，這樣方便安裝調(diào)整和后期維護(hù)保養(yǎng)。ETV采用無(wú)緣車輪，故需使用導(dǎo)向輪，防止車輪脫軌。導(dǎo)向輪需預(yù)留足夠的調(diào)整間隙，以保證后期的調(diào)整需求。

2.2 龍門架

龍門架的作用是支撐載貨臺(tái)，引導(dǎo)載貨臺(tái)做升降運(yùn)動(dòng)。龍門架采用四立柱的形式，立柱下端通過(guò)法蘭與底架連接，上端通過(guò)橫梁相互連接起來(lái)，如圖3 所示。為降低整機(jī)重量，立柱采用350 mm×350 mm 的小方管，同時(shí)，在每根立柱旁都增加輔助支撐，以滿足龍門架強(qiáng)度和剛度的要求。4根立柱同時(shí)作為載貨臺(tái)升降導(dǎo)軌使用。對(duì)立柱的要求較高，需選取質(zhì)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(cè)面兩立柱間，設(shè)置斜拉桿，呈三角形狀，提高立柱穩(wěn)定性和剛性。龍門架頂端設(shè)置4 組定滑輪，與載貨臺(tái)動(dòng)滑輪相對(duì)應(yīng)，通過(guò)鋼絲提拉載貨臺(tái)。

圖3 龍門架結(jié)構(gòu)

2.3 載貨臺(tái)

載貨臺(tái)由載貨臺(tái)框架、提升導(dǎo)向輪組件和動(dòng)滑輪組件等組成，如圖4 所示。載貨臺(tái)框架采用方管拼焊，下面主梁端頭安裝分別4 組提升導(dǎo)向輪組件，上面橫梁端頭分別安裝4組動(dòng)滑輪組件。載貨臺(tái)中間，兩排小支座，用于安裝輥道臺(tái)。提升導(dǎo)向輪采用聚氨酯材質(zhì)，以4 根立柱為導(dǎo)軌，可以有效降低提升噪聲。由于聚氨酯導(dǎo)向輪承載小，為降低單個(gè)導(dǎo)向輪的輪壓，總共采用了16 個(gè)導(dǎo)向輪，每?jī)蓚€(gè)導(dǎo)向輪一組，通過(guò)杠桿連接，使導(dǎo)向輪受力均衡。

圖4 載貨臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于貨物尺寸大，重量大的特點(diǎn)，常規(guī)貨叉堆垛機(jī)，已經(jīng)不能滿足承載要求。同時(shí)，不希望貨架的每個(gè)貨位增加無(wú)動(dòng)力滾筒，因?yàn)檫@樣會(huì)增加貨架的安裝難度和制造成本。本文研究的存取系統(tǒng)，采用輥道臺(tái)加搬運(yùn)器的結(jié)構(gòu)，就很好的解決了這兩個(gè)難題。如圖5 所示，載貨臺(tái)兩側(cè)各安裝一組輥道臺(tái)，搬運(yùn)器在中間。這樣，與輸送機(jī)對(duì)接時(shí)，通過(guò)輥道臺(tái)實(shí)現(xiàn)貨物存取，與貨架對(duì)接時(shí)，通過(guò)搬運(yùn)器實(shí)現(xiàn)貨物存取。不管是那種方式，都不會(huì)因?yàn)榇嫒∝浂a(chǎn)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(tǒng)

2.4 搬運(yùn)器

搬運(yùn)器由3個(gè)搬運(yùn)小車串聯(lián)組成，根據(jù)貨物的大小，小車數(shù)量可以相應(yīng)調(diào)整。每個(gè)小車都有獨(dú)立的行走機(jī)構(gòu)，可以沿著兩組輥道臺(tái)中間的軌道來(lái)回運(yùn)動(dòng)。每個(gè)小車上設(shè)置有兩套頂升機(jī)構(gòu)，兩端各一個(gè)，實(shí)現(xiàn)將貨物頂高和放下的功能。頂升機(jī)構(gòu)的作用是防止搬運(yùn)器帶貨運(yùn)行時(shí)，貨物與輥道臺(tái)和貨架干涉和摩擦。當(dāng)存取貨時(shí)，輥道臺(tái)上的軌道與貨架上的軌道對(duì)齊，這時(shí)，搬運(yùn)器可以沿著軌道進(jìn)出貨架。正因?yàn)檫@點(diǎn)，搬運(yùn)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩。另外，輥道臺(tái)和貨架上的軌道端頭要設(shè)計(jì)成斜坡過(guò)渡，防止軌道端頭磕碰搬運(yùn)器行走輪，造成行走輪損傷。

2.5 輥道臺(tái)

輥道臺(tái)有兩組，分別設(shè)置在載貨臺(tái)兩側(cè)，輥道臺(tái)中間通道對(duì)稱裝有兩條L 型軌道，搬運(yùn)器剛好可以嵌入兩條軌道中間。為使兩組輥道臺(tái)的滾筒運(yùn)行同步，使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩組輥道臺(tái)。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(jī)對(duì)接時(shí)，ETV取貨和出貨就靠輥道臺(tái)實(shí)現(xiàn)。輥道臺(tái)還有一個(gè)作用是承載貨物。

2.6 提升機(jī)構(gòu)

提升機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速機(jī)、卷筒和鋼絲繩等組成。提升速度20 m/min，提升總質(zhì)量19 t，參考GB/T 3811-2008 起升機(jī)構(gòu)功率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算和校核，最后選取額定功率110 kW 的電機(jī)，采用自帶制動(dòng)器的電機(jī)。減速機(jī)輸出端采用雙出軸，兩端各連接一個(gè)卷筒，卷筒和減速機(jī)間用萬(wàn)向聯(lián)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(guò)鋼絲繩，繞過(guò)載貨臺(tái)4 組動(dòng)滑輪，牽引載貨做升降運(yùn)動(dòng)。由于卷筒直徑存在制造誤差，兩卷在相同旋轉(zhuǎn)圈數(shù)時(shí)，繞繩長(zhǎng)度不一樣，會(huì)造成載貨臺(tái)水平度超標(biāo)。兩個(gè)措施可以防止載貨臺(tái)水平度超標(biāo)：（1）卷筒直徑誤差±0.05；（2）增加鋼絲繩平衡機(jī)構(gòu)。

2.7 掛鉤機(jī)構(gòu)

掛鉤機(jī)構(gòu)由固定掛鉤和活動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。固定掛鉤通過(guò)螺栓固定在立柱上，每一層的位置均有一組固定掛鉤?；顒?dòng)連桿機(jī)構(gòu)有兩組，載貨臺(tái)兩端各設(shè)置一組。連桿機(jī)構(gòu)可以伸出和收回，伸出時(shí)，掛到固定掛鉤上，托住載貨臺(tái)；收回時(shí)，與固定掛鉤分離，載貨臺(tái)才允許做升降運(yùn)動(dòng)。由于貨物重量大，在裝載和卸載時(shí)，鋼絲繩會(huì)發(fā)生較大的彈性變形，從而載貨臺(tái)高度坐標(biāo)發(fā)生變化，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)。有了掛鉤機(jī)構(gòu)，在裝載或卸載時(shí)，可以控制鋼絲繩卸載大部分力，由掛鉤來(lái)承載。這樣，載貨臺(tái)會(huì)在某一層的固定位置，就不會(huì)發(fā)生由于鋼絲繩變形導(dǎo)致定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。

2.8 爬梯平臺(tái)

爬梯平臺(tái)由爬梯和維修平臺(tái)兩部分組成。ETV 很多零部件需要高空維保，如提升機(jī)構(gòu)、滑輪、松繩檢測(cè)等等。為方便維保，在需要維保的位置設(shè)置平臺(tái)，然后通過(guò)爬梯和通道將各平臺(tái)相連。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在無(wú)錫建锠項(xiàng)目投產(chǎn)使用，如圖6所示，用于自動(dòng)存取不銹鋼板。實(shí)際不銹鋼板尺寸范圍：長(zhǎng)6～9 m，寬1.5～2 m，高0.075～0.195 m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，ETV 的承載能力，運(yùn)行性能和參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了搬運(yùn)器加輥道臺(tái)的模式，存取貨順暢，滿足重載、大尺寸貨物的要求。整個(gè)ETV 運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿足了客戶的使用要求，有效地提高了鋼板行業(yè)的存取效率。

圖6 ETV應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼板的特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了滿足重載、大尺寸貨物自動(dòng)存取的ETV。解決了現(xiàn)有重型堆垛機(jī)對(duì)貨架要求高的問(wèn)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(duì)鋼板這個(gè)特定貨物進(jìn)行的研究，但該ETV 的設(shè)計(jì)方案和思路也可以應(yīng)用于其他重載、大尺寸的貨物，只需根據(jù)實(shí)際貨物做結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的調(diào)整。搬運(yùn)器的設(shè)計(jì)，降低了對(duì)貨架的要求，貨架不再需要配置無(wú)動(dòng)力滾筒。掛鉤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)解決了裝卸載時(shí)，載貨臺(tái)垂直坐標(biāo)發(fā)生變化，定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。四立柱龍門架的設(shè)計(jì)，提高了ETV 的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。