王爍茗,劉泉,黃正軍
(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100192)
冷庫(kù)根據(jù)溫度的不同分為高溫冷庫(kù)和低溫冷庫(kù)。高溫冷庫(kù)需要將產(chǎn)品溫度控制在0~4 ℃或0~6 ℃之間;低溫冷庫(kù)需要將產(chǎn)品溫度控制在-18 ℃或-20 ℃[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)冷庫(kù)大多采取自由堆垛方式存放貨物。這種方式存在貨物揀選困難、貨物堆垛高度限制較大等缺點(diǎn)[3]。并且由于企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,需要用冷庫(kù)儲(chǔ)存的食品規(guī)模也日漸擴(kuò)大,在完全由人工操作的前提下,很難做到先進(jìn)先出,容易造成食品儲(chǔ)存超過(guò)最長(zhǎng)時(shí)限,造成不必要的損失。
冷庫(kù)的低溫環(huán)境對(duì)人體的傷害也很大,人員應(yīng)盡量不長(zhǎng)期在冷庫(kù)內(nèi)工作,這就促使了冷庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)從人工堆垛轉(zhuǎn)向了立體倉(cāng)庫(kù)式的自動(dòng)堆垛方式[4]。
冷庫(kù)的日常運(yùn)行需要持續(xù)消耗能量來(lái)維持住冷庫(kù)內(nèi)的溫度[5]。文獻(xiàn)[6]指出白天的太陽(yáng)輻射熱量使得從冷庫(kù)墻壁和天花板傳遞進(jìn)來(lái)的熱量形成的熱負(fù)荷相當(dāng)大,是整個(gè)冷庫(kù)中熱傳遞的主要部分。冷庫(kù)的運(yùn)行維護(hù)成本較高,內(nèi)部的存儲(chǔ)空間很珍貴。文獻(xiàn)[7]指出合理的材料使用及運(yùn)行管理模式可以有效降低冷庫(kù)的能源消耗。文獻(xiàn)[8]則指出較大的存儲(chǔ)密度可以降低冷庫(kù)的能耗。
現(xiàn)如今的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)多為適用于存儲(chǔ)品種多、量少的貨物,并且存儲(chǔ)密度相對(duì)較低,不能很好地適用于冷庫(kù)。而能做到密集型存儲(chǔ)的傳統(tǒng)輥道重力式倉(cāng)庫(kù)制造維護(hù)成本較高[9-10],制約了冷庫(kù)自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展。
針對(duì)冷庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化程度低、倉(cāng)儲(chǔ)密度低以及維護(hù)成本高等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種可以適用于冷庫(kù)高密度倉(cāng)儲(chǔ)的軌道傾斜式立體倉(cāng)庫(kù)。
立體倉(cāng)庫(kù)包括高層貨架、升降機(jī)、傳送帶等設(shè)施,其主要功能是自動(dòng)完成貨物的存取。倉(cāng)儲(chǔ)的布局如圖1所示。
圖1 冷庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)布局
貨架和存取貨升降機(jī)位于冷庫(kù)內(nèi),其余的部分位于冷庫(kù)之外,這樣可以最大程度地提升冷庫(kù)的利用率。為了降低成本,便于維護(hù),用軌道式的托盤(pán)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)重力式貨架的輥筒,托盤(pán)可依靠重力自行滑至出貨端。在貨架出貨端設(shè)計(jì)了可根據(jù)系統(tǒng)指令自主切換狀態(tài)的阻放機(jī)構(gòu),保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。
當(dāng)存貨時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)取出空托盤(pán),并送至碼垛區(qū),由機(jī)器人將貨物碼垛到托盤(pán)上,擺放完畢后,入庫(kù)輥道運(yùn)行,將托盤(pán)運(yùn)送至存貨升降機(jī),升降機(jī)再將托盤(pán)送至貨架上的指定位置處,完成存貨。
取貨時(shí),由取貨升降機(jī)將貨物取出,并送至出庫(kù)輥道上,完成取貨。將取出的貨物使用完后,空托盤(pán)可運(yùn)回空托盤(pán)存儲(chǔ)區(qū),供下一次存貨使用。
示例貨架為3層,結(jié)構(gòu)如圖2所示。貨架的每條通道上都有2條平行的傾斜導(dǎo)軌和1條傾斜的阻尼導(dǎo)軌,這3條導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)相同,左邊高,右邊低,高的一邊為進(jìn)貨端,低的一邊為出貨端。貨物可在重力作用下沿著導(dǎo)軌從左端滑至右端。
圖2 傾斜軌道貨架結(jié)構(gòu)
托盤(pán)在軌道上運(yùn)行,為了讓托盤(pán)在滑行的過(guò)程中保持平穩(wěn),軌道需具有較強(qiáng)的剛度,以減少軌道的變形。根據(jù)力學(xué)特性,導(dǎo)軌選擇“工”字形的截面。導(dǎo)軌的進(jìn)貨端要高于出貨端,一般斜度為4%,實(shí)際工程應(yīng)用中大多為3°~5°[11],具體則根據(jù)實(shí)際使用的材料以及工作的環(huán)境,通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法,來(lái)確定最終的軌道安裝角度。本文設(shè)計(jì)的貨架單通道可裝載5個(gè)托盤(pán),導(dǎo)軌的長(zhǎng)度達(dá)到了7 m,這使得準(zhǔn)確安裝傾斜“工”字形導(dǎo)軌變得不現(xiàn)實(shí)。為了方便傾斜安裝,軌道設(shè)計(jì)成 “ T ” 字形的截面,在導(dǎo)軌側(cè)面上開(kāi)有數(shù)個(gè)水平的槽。
螺栓穿過(guò)水平槽將導(dǎo)軌和導(dǎo)軌立柱連接后,讓導(dǎo)軌的每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)都有一定的調(diào)節(jié)能力,以彌補(bǔ)傾斜所帶來(lái)的微小誤差,保證軌道的安裝精度。
托盤(pán)的頂板呈正方形,底部安裝了4個(gè)車(chē)輪,車(chē)輪內(nèi)側(cè)有突出的輪緣,采用類(lèi)似火車(chē)輪的結(jié)構(gòu)。踏面存在一定錐度,保證托盤(pán)沿直線行走,且不會(huì)脫離軌道。車(chē)輪的邊緣不會(huì)超過(guò)支撐結(jié)構(gòu)的邊緣,這樣,托盤(pán)也可以一一疊加存放。圖3(a)為托盤(pán)左側(cè)后輪與導(dǎo)軌接觸情況示意圖。
阻尼裝置安裝在托盤(pán)頂板下方,用彈簧保證阻尼輪和阻尼導(dǎo)軌能充分接觸,如圖3(b)所示。
阻尼輪主要由外筒、行星齒輪、彈簧以及離心滑塊組成[12]。外筒與阻尼導(dǎo)軌接觸,當(dāng)托盤(pán)下滑時(shí)外筒也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。外筒和離心滑塊在行星齒輪的傳動(dòng)下存在一定的轉(zhuǎn)速差。當(dāng)外筒旋轉(zhuǎn)速度增大時(shí),在離心力的作用下離心滑塊會(huì)張開(kāi),與外筒產(chǎn)生摩擦,降低外筒的轉(zhuǎn)速;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度降低時(shí),離心輪滑塊在彈簧的作用下收縮,摩擦力下降,外筒旋轉(zhuǎn)速度又會(huì)增加。
設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行在動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)下,阻尼輪的受力分析如圖4所示。
圖4 離心滑塊受力分析示意圖
設(shè)Fb為離心滑塊的離心力,F(xiàn)t為彈簧產(chǎn)生的回復(fù)力,F(xiàn)z為摩擦阻尼的正壓力,o為離心滑塊質(zhì)心。有
(1)
Ft=kl
(2)
Fz=Fbcos(β+γ)-Ftcos(β+α)
(3)
式中:m1為單個(gè)離心滑塊的質(zhì)量;v為離心滑塊質(zhì)心處的線速度;r為離心滑塊質(zhì)心到阻尼輪旋轉(zhuǎn)中心的距離;l為彈簧的形變量;k為彈簧的彈性系數(shù);α為彈簧拉力與豎直方向的夾角;β為阻尼正壓力與豎直方向的夾角;γ為離心力與豎直方向的夾角。則摩擦阻尼為
Fm=nzFzμ
(4)
式中:nz為離心滑塊的數(shù)量;μ為離心滑塊的摩擦系數(shù)。
取m1=3 kg,r=0.03 m,l=3 cm,k=1.3 N/cm,α=20°,β=40°,γ=5°,nz=2,μ=60,將參數(shù)代入式(1)~(4)得離心滑塊產(chǎn)生的摩擦阻尼與下滑速度關(guān)系如圖5所示。
圖5 離心滑塊產(chǎn)生的摩擦阻尼與下滑速度關(guān)系
隨著下滑速度的增加,摩擦阻尼也在增加,當(dāng)摩擦阻尼增加到一定程度后,與牽引力平衡,使得加速度為0,進(jìn)而使速度保持在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)。
利用這種特性,可以使托盤(pán)下滑的速度保持恒定,保證整個(gè)運(yùn)行過(guò)程處于一種勻速狀態(tài)。根據(jù)材料、載重和環(huán)境等不同的條件,選擇合適規(guī)格的阻尼輪,保證下滑速度處于一個(gè)安全值內(nèi)。一般要求該速度不超過(guò)0.3 m/s[13]。本次設(shè)計(jì)貨物較重,下降速度為不超過(guò)0.2 m/s。
阻放機(jī)構(gòu)安裝在通道的出貨端。由于整體儲(chǔ)物通道處于傾斜狀態(tài),存放的托盤(pán)前后緊貼排列。當(dāng)出貨端的一個(gè)托盤(pán)取出時(shí),后面的托盤(pán)會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔秒S著下滑,如果沒(méi)有阻放機(jī)構(gòu),會(huì)導(dǎo)致一起滑出,無(wú)法完成取貨。
傳統(tǒng)的分離裝置是無(wú)動(dòng)力的,當(dāng)貨叉取貨時(shí),第一位置的貨物隨著貨叉逐漸外移,貨物會(huì)壓住分離裝置一端的踏板,使分離裝置位于第二貨位的另一端上升,阻擋第二位置貨物的下滑,以完成貨物的分離。當(dāng)?shù)谝晃恢玫呢浳锶〕龊?,踏板失去壓力,第二位置的貨物重量壓下分離機(jī)構(gòu),停止滑動(dòng)。由于車(chē)軸在托盤(pán)頂板下方,無(wú)法用貨叉托取頂板取出貨物。針對(duì)這一問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了可以根據(jù)不同需要進(jìn)行自主狀態(tài)切換的阻放裝置,再配合專用的升降機(jī),以保證正常取貨。
阻放機(jī)構(gòu)包含電動(dòng)推桿、支撐架以及踏板等結(jié)構(gòu),如圖6所示。
圖6 阻放機(jī)構(gòu)
當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)出出貨命令時(shí),阻放機(jī)構(gòu)處于阻擋狀態(tài),電動(dòng)推桿處于伸出狀態(tài),踏板右端擋住第一位置的托盤(pán),保證不取貨物時(shí),貨物不會(huì)沿導(dǎo)軌滑出貨架,如圖7(a)所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出出貨命令時(shí),電動(dòng)推桿收縮,踏板旋轉(zhuǎn)使右側(cè)下降,左側(cè)升高,使其左端擋住第二位置的托盤(pán),第一位置托盤(pán)可順利滑出,如圖7(b)所示。待第一位置的托盤(pán)完全滑出貨架后,電動(dòng)推桿伸出,分離裝置變回阻擋狀態(tài),右側(cè)上升,左側(cè)下降,第二位置的托盤(pán)滑至第一位置,并被踏板右側(cè)升高的部分擋住。這樣就保證了一次僅取出一個(gè)托盤(pán)的貨物。
圖7 存貨與取貨時(shí)的踏板狀態(tài)
阻放機(jī)構(gòu)采用的電動(dòng)推桿具有自鎖功能。當(dāng)突然失去電力時(shí),阻放機(jī)構(gòu)的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化,確保貨物不會(huì)滑落。相比于傳統(tǒng)的液壓及氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,電動(dòng)推桿節(jié)省了大量配套設(shè)施,也不用擔(dān)心溫度對(duì)于液壓油及配套設(shè)施的影響,降低了維護(hù)成本。
存貨和取貨各使用一臺(tái)升降機(jī),一臺(tái)用于存貨,另一臺(tái)用于取貨,如圖8所示。為了節(jié)省空間,升降機(jī)不采用常規(guī)的貨叉,依然采用兩條傾斜的平行導(dǎo)軌和一條傾斜的阻尼導(dǎo)軌,利用貨物自身重力,讓托盤(pán)自動(dòng)滑進(jìn)貨架或滑出貨架。兩臺(tái)升降機(jī)均可沿著地上的軌道水平移動(dòng),其上的載貨平臺(tái)均可垂直移動(dòng),對(duì)應(yīng)不同的貨架層。
圖8 升降機(jī)構(gòu)與貨架位置關(guān)系
在載貨平臺(tái)下方設(shè)置擋板機(jī)構(gòu),如圖9的部件5和6所示。
圖9 升降機(jī)載貨平臺(tái)
存貨時(shí),存貨升降機(jī)的載貨平臺(tái)移動(dòng)到貨架進(jìn)貨端,使載貨平臺(tái)的軌道和進(jìn)貨端的軌道對(duì)接。隨后載貨平臺(tái)的擋板在電動(dòng)推桿的作用下下降,托盤(pán)依靠重力沿著導(dǎo)軌自行滑至貨架中,如圖9(a)所示。當(dāng)取貨時(shí),先將取貨升降機(jī)的載貨平臺(tái)移動(dòng)至出貨端指定位置,完成軌道的對(duì)接。隨后出貨端的分離裝置運(yùn)行至取貨狀態(tài),取貨升降機(jī)的擋板變?yōu)樽钃鯛顟B(tài),如圖9(b)所示。待托盤(pán)從貨架滑至取貨升降機(jī)后,貨架上的分離裝置再恢復(fù)至存貨狀態(tài),貨架上第二位置的貨物滑至第一位置,如此循環(huán)往復(fù)完成倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)。
為更好地應(yīng)對(duì)沖擊力,保證穩(wěn)定性,升降機(jī)采用四立柱的結(jié)構(gòu),如圖10所示。
圖10 升降機(jī)結(jié)構(gòu)
控制流程如圖11所示。系統(tǒng)選用西門(mén)子的PLC,型號(hào)為SIPLUS S7-1200,內(nèi)部CPU為1212c。該型號(hào)的CPU的工作范溫度圍為-25~60 ℃。系統(tǒng)主要目的是完成貨物的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ),其中手動(dòng)部分可由操作員根據(jù)需要手動(dòng)切換,作為安裝調(diào)試和日常維護(hù)所用;自動(dòng)部分則由系統(tǒng)根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)的狀態(tài)自動(dòng)執(zhí)行。
圖11 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)控制流程
4.1.1 貨架
貨架的模型由橫梁、立柱和導(dǎo)軌等部分組成。導(dǎo)軌的安裝角度定為3°。橫梁與立柱、橫梁與導(dǎo)軌都用螺栓連接,存在很多螺栓及螺栓孔,這不利于網(wǎng)格的劃分。所以將用螺栓連接部件的接觸面定義為剛性接觸,去掉螺栓和螺栓孔,以方便網(wǎng)格的劃分[14-15]。
立體倉(cāng)庫(kù)在低溫環(huán)境中運(yùn)行,有的金屬材料會(huì)變脆,所以根據(jù)溫度條件,選擇可以適用于-20 ℃的普通碳鋼Q235D。
設(shè)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)貨架單個(gè)通道可以裝載5個(gè)托盤(pán),單托盤(pán)承重貨物的最大質(zhì)量為400 kg。單托盤(pán)用4個(gè)車(chē)輪支撐(忽略阻尼輪),并假設(shè)每個(gè)車(chē)輪的受力相同。選取導(dǎo)軌上一小塊面積,施加等效壓強(qiáng),將這塊等效面積的負(fù)載作為單個(gè)車(chē)輪對(duì)導(dǎo)軌施加的載荷,再畫(huà)出每個(gè)車(chē)輪對(duì)應(yīng)位置的等效面積進(jìn)行加載,進(jìn)而達(dá)到模擬貨架滿載的效果。
等效壓強(qiáng)的計(jì)算方法如式(5)所示:
(5)
式中:P為等效壓強(qiáng);m為單個(gè)托盤(pán)及貨物總質(zhì)量;n為支撐車(chē)輪數(shù)量(不包括阻尼輪);s為所取的等效面積。
設(shè)計(jì)貨物重量為400 kg,托盤(pán)自重考慮安全性取50 kg,則m總質(zhì)量為450 kg,取s為20 mm×70 mm的長(zhǎng)方形,面積為1 400 mm2,n為4,則所計(jì)算結(jié)果P為0.804 MPa。
阻尼裝置的作用是防止下滑速度過(guò)快,其阻礙下滑的作用力可以等效于貨物在下滑時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。設(shè)θ為導(dǎo)軌傾斜角度,F(xiàn)n為阻尼輪對(duì)斜面產(chǎn)生的正壓力,G為貨物的重力,F(xiàn)f為阻尼輪可產(chǎn)生的最大阻力,F(xiàn)1為重力G沿斜面產(chǎn)生的斜向下的分量。
為保證能穩(wěn)定下滑的速度,要求Ff大于F1(忽略其他摩擦力)。在低溫環(huán)境中為確保安全,取安全系數(shù)K1為2.4。對(duì)中間導(dǎo)軌的載荷也采用等效面積的方法,建立關(guān)系式:
F1=Gsinθ
(6)
Ff=Fnμ=F1K1
(7)
(8)
式中μ為阻尼滾筒與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù),取0.5。整理式(6)~(8)得:
(9)
式(6)~(9)中:θ傾斜角為3°;s依舊為1 400 mm2;計(jì)算所需的摩擦力Ff為565 N,其產(chǎn)生的壓強(qiáng)P1為0.807 MPa。
在每一個(gè)車(chē)輪下方設(shè)置的等效面積上加載0.804 MPa的壓強(qiáng),阻尼輪下方加載0.807 MPa,再添加上貨架本身的重力以及每個(gè)立柱下方與地面的固定約束,環(huán)境溫度設(shè)置為-20 ℃,最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
4.1.2 阻放機(jī)構(gòu)
踏板受力的最大的情況是當(dāng)取貨升降機(jī)完成取貨后,剩余貨物滑至踏板右側(cè)時(shí)產(chǎn)生的瞬間的沖擊力與貨物斜向下的分力的總和。
裝有貨物的托盤(pán)從斜面滑下,在遇到擋板時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊,其瞬間受力的最大值可用式(10)進(jìn)行計(jì)算:
(10)
式中:F為貨物對(duì)擋板的沖擊力大??;t為作用時(shí)間;v1為接觸時(shí)貨物的速度;n1為托盤(pán)的數(shù)量。
這里單個(gè)貨物和托盤(pán)的總質(zhì)量是450 kg,滿載時(shí)總共剩余4個(gè)托盤(pán),下滑速度用阻尼裝置控制在0.2 m/s,踏板右側(cè)表面裝有緩沖的材料,經(jīng)測(cè)定接觸時(shí)間為0.3 s,則受力為2 142 N。踏板右側(cè)面有兩個(gè)面共同阻擋托盤(pán),假設(shè)兩個(gè)面受力相等,則每個(gè)面上施加1 071 N的力,方向斜向下,與水平線的夾角為3°。
4.2.1 貨架
貨架應(yīng)力分布圖如圖12所示。在貨架滿載的情況下,最大應(yīng)力為應(yīng)力集中處的29.821 MPa,其余部分的應(yīng)力則基本小于12 MPa,滿足普通碳鋼Q235D的使用要求。
圖12 貨架應(yīng)力分布
貨架位移情況如圖13(變形量放大了420倍)所示,橫梁的最大位移量約為0.235 mm,中間的導(dǎo)軌自身的最大位移量約為0.373 mm,兩邊的承重導(dǎo)軌位移不超過(guò)0.2 mm,立柱的最大位移量約為0.236 mm。
圖13 貨架位移
文獻(xiàn)[16]中要求立柱的最大位移量Y1滿足式(11),并且最大不超過(guò)20 mm;橫梁的最大撓度Y2需要滿足式(12)。
Y1≤H/500
(11)
Y2≤L/200
(12)
式中:H為立柱的有效高度,單位為mm;L為橫梁的有效長(zhǎng)度,單位為mm。根據(jù)式(11)、(12)計(jì)算了貨架立柱和橫梁的允許最大位移量,如表1所示。
表1 立柱、橫梁位移量及位移允許值 mm
根據(jù)表1可知立柱及橫梁的位移量滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2.2 阻放機(jī)構(gòu)
阻放機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布如圖14所示。阻放機(jī)構(gòu)應(yīng)力較大的地方為電動(dòng)推桿、前端連接件、后端連接件以及軸承座等部位,其中應(yīng)力最大的部位是前端連接件,最大值為87.045 MPa,滿足Q235D的使用要求。
日常維護(hù)時(shí),這部分零件需要重點(diǎn)檢查,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。如果需要承載的貨物過(guò)重,建議增加電動(dòng)推桿數(shù)量,以保證運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
本文設(shè)計(jì)的用于儲(chǔ)存冷凍產(chǎn)品的傾斜式高密度立體倉(cāng)庫(kù),用傾斜導(dǎo)軌和自適應(yīng)摩擦阻尼導(dǎo)軌代替輥道,配合相應(yīng)的軌道式四立柱升降機(jī)以及自動(dòng)阻放機(jī)構(gòu),在保證先進(jìn)先出的同時(shí),簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),有效提升了冷庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)密度,降低了冷庫(kù)的運(yùn)營(yíng)成本。阻放機(jī)構(gòu)利用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng),不僅可以在低溫環(huán)境下使用,也能保證突然斷電的安全性,可以較好地應(yīng)用于低溫環(huán)境中。最后對(duì)主要受力部件進(jìn)行低溫環(huán)境下的有限元分析,為倉(cāng)儲(chǔ)的設(shè)計(jì)提供了一定的力學(xué)參考。結(jié)果顯示受力在允許的范圍內(nèi),且受力較大的部件也易于檢查、更換,有效地降低了日常維護(hù)成本。