文｜罗伯泰克自动化科技（苏州）有限公司 周维存
摘 要：国内常规堆垛机所存取货物重量一般在5t以内，当货物重量过大时，对堆垛机金属结构、载货台、货叉都有很高要求，设计难度大。本文主要论述一种用于运输重载卷料的堆垛机，其承载货物重量可达到12t。卷料货物通常无法使用常规托盘存取货物，且金属卷、纸卷受压时易产生变形损坏，因此设计了一种专用货叉与导向机构，可以防止卷料位移滚动，该堆垛机与取货机构的设计适用于较重的卷料货物，主要用于重工业厂、纸业厂等卷料货物或者其他放置卷料货物的仓储系统中。
关键词：重载堆垛机、卷料堆垛机、结构装置、设计
随着物流业快速发展，各个行业对仓储效率、仓储智能化的需求日益提升。现有的堆垛机在搬运和堆垛卷料的过程中，容易引起卷料掉落，导致已有自动仓储系统暂不能被应用在板带轧制工厂中。因此，如何降低卷料在被堆垛机搬运和堆垛的过程中易掉落的风险，成为一个棘手问题。
常规厂家在生产钢卷、纸卷等卷料时，针对这些特殊物料的存取有一定难度，使用传统的输送设备占用空间多、存放复杂、效率低。自动化立体仓库的应用，可以提高卷料的存取效率，降低人工成本与减少仓库面积，实现高效智能化的管理。不过，由于一些实心卷料，尤其是钢卷、铜版纸等，货物重量可达到数吨甚至十几吨，需要对重载卷料堆垛机进行设计开发。
一、机械结构
金属结构主要由上横梁、立柱、下横梁、安全梯、休息平台、操作平台等组成。金属框架主体结构是由钢板焊合或槽钢焊接的开口断面由钢板、方管、矩形管等焊接而成，焊接时严格控制焊缝宽度及焊接件结构的垂直度、平行度，以保证整体结构安装尺寸。
堆垛机天轨使用H125型钢，地轨使用89Cr钢轨，以保障堆垛机钢轨的强度与刚度。上横梁使用钢板拼接而成，其结构刚度符合静刚度要求，变形量计算可控制在横梁总长度的1/1500以内。上面设有滑轮、天轨导轮、安全保护机构、安全绳固定点等。立柱的主体使用钢板、工字钢拼接焊接而成，两侧焊接较宽的扁钢用于外侧载货台的导轮行走；在工字钢上焊接钢板与电梯导轨，此类导轨能够保证在长度较长时，依然保持导轨的垂直度，防止因堆垛机过高使导轨扭曲，以及由此导致载货台运行抖动。下横梁由钢板拼接焊接而成，内设有筋板，下横梁结构根据堆垛机高度设计，变形量计算符合行业标准静刚度要求。除主体受力结构外，还在立柱外侧设有爬梯、休息平台以方便维修保养。电控柜操作台设于堆垛机一侧。
如图1所示，堆垛机金属结构具有强度高、刚度好、拼装简单、运行轨道垂直度高等特点，但与之相对，此类堆垛机金属结构重量比常规堆垛机重很多，现场安装需要大型设备配合，施工难度相对较高。由于堆垛机立柱较高，在实际应用中立柱需要拼焊，且焊接运输过程中可能造成立柱扭曲度，导致载货台运行到顶部时间隙过大、取货晃动等问题。在立柱上设有电梯导轨，该种导轨两端有凹凸拼接点，在导轨底部设有垫片，导轨焊接前需要保证整个高度方向上立柱导轨的直线度。
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由于堆垛机较高、货物较重，因此该类堆垛机立柱需要特殊制作。如图2，立柱采用拼焊方式，堆垛机内侧使用工字钢作为主要承载，其外侧焊接扁钢用于载货台运行导向。由于立柱过高，在一定高度后立柱挠度会超过设计要求值，因此载货台内侧导向轨采用电梯导轨，并在工字钢与导轨之间通过加入调整垫来控制导轨的平面度。
通过细化设计计算，可计算出金属框架各部件重量，共计总重量约23t，载货台重量约3.6t，货物重量约12t，货叉重量约1t，两根立柱导轨之间跨距约3m。
图3为下横梁截面示例图。
通过细化设计，可计算出堆垛机总重量约37t，货物重量12t。
下横梁行走轮之间跨距L=5650mm，立柱中心与支点距离a=1010，要求载货台静刚度小于跨距1/1500要求。由此公式可计算出最大挠度fmax≈2.82＜（5650/1500≈3.77），满足要求。
如图4，载货台主要由起升导向轮、金属框架等组成。载货台上装有存取卷料货物的货叉伸缩机构、用于卷料货物导向的导向架、钢丝绳滑轮，以及用于距离和位置检测的开关等。载货台通过起升机构的电动机使钢丝绳上下移动，从而带动载货台沿立柱的垂直方向升降。
图5中的左图为载货台示意图，载货台框架是由矩形管、方管、钢板等金属机构拼接焊接而成。右图为载货台水平框架截面图，使用200×400工字钢与钢板焊接而成，根据该截面尺寸可以使用软件（AutoCAD、Caxa等）计算出其惯性矩，用于计算水平框架的静刚度。
在货叉满载货物时，依然能保证其静刚度满足挠度变形量在垂直框架跨距1/1500以内的要求。载货台上面的导向架通过带座轴承可以调节导向角度，以满足不同规格的卷料取货导向作用，使载货台具有标准化、通用性。
由此公式可计算出最大挠度fmax≈0.29＜(2000/1500≈1.33)，满足要求。
在货叉伸出取货时，由于货物过重，且卷料的重心偏差，载货台可能会在宽度方向上有较大的偏重力，因此需要在导轨的外侧和内侧均设有导轮，以保证设备运行的稳定。
二、取货机构
货叉伸缩机构是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上。固定货叉安装在载货台上，固定货叉、伸缩货叉（中）、伸缩货叉（上）之间由链轮链条进行连接。电机减速器通过链轮由链条驱动链轮轴上的链轮，再由链轮轴上两个链轮带动链条、链条驱动伸缩货叉（中）从固定货叉中点向左或向右伸缩时，又带动伸缩货叉（上）进行伸缩。为防止卷料滚动，设计出一种V型货叉进行存取。
如图7，卷料货物因其特殊的外形，无法使用常规托盘存取货物，因此采用此种货叉可以将卷料从托盘中解放出来，使用该种货叉即可实现存取，并且可以兼容不同大小的卷料货物。卷料货物因通常由纸卷、金属卷等薄片状材料卷起而成，而卷料的整体重量非常大，因此外部材质实际很容易被钢铁等金属挤压变形造成损坏，所以上叉支撑板采用合金钢+尼龙板材质（MC901）的V型货叉，尼龙板表面粗纹理增加最大静摩擦力防止取货时发生打滑。
货叉采用V型结构来放置，可以防止卷料的径向滚动，但是在取货过程中卷料可能会因为惯性而滚出V型区域，因此需要制作导向架来防止卷料的滚动。该导向架的驱动机构设计了两个电动推杆，通过电动推杆驱动摆动的连杆实现对不同外径的卷料限位。当导向架接触载货台与货物时，触发机械开关，推杆机构停止摆动，对卷料进行导向。导向架使用工况示例图，如图8。
三、安全保护装置
安全保护装置是堆垛机的重要装置之一。当堆垛机的载货台升降时，如某种原因（如同步带断裂、钢丝绳断裂、起升电机或减速机断轴等）引起载货台超速下坠，安全保护装置可不依赖其他动力驱动机构和电气系统，迅速将载货台可靠地夹持在起升导轨上，达到防坠保护作用。
该堆垛机载货台设有夹紧钳保护装置，在下横梁设有超速保护棘轮，当钢丝绳断裂时，载货台超速下坠，棘轮达到一定速度后制动，从而带动载货台夹紧机构启动，通过软轴将载货台两侧夹紧钳牢牢夹紧在运行导轨上，从而使载货台减速制动。
安全保护装置布置示例图，如图9。夹紧钳示例图，如图10。
安全钳选型计算：根据国家安全规范JB 5319.2—91对安全钳要求，5.1.1.1 捕捉器产生的制动力，应不小于被制动部分全部载荷的1.25倍。
式中：F——制动力，N；
P——轿厢质量，kg；
Q——额定载重量，kg；
本项目起升速度为20m/min，即为0.33m/s，小于上述国标规定的0.63m/s，故选择瞬时安全钳装置，符合要求。
选型校核：速度为0.33m/s，小于额定速度0.63 m/s，故符合标准规定；
总允许质量：载货台总质量P= 5000kg，额定载荷Q=12000kg，单台使用两个安全钳同时作用，允许质量P+Q=17000<（19000×2=38000），安全钳的制动力是被制动部分全部载荷的2.23倍，大于国家规范要求的1.25倍，选用的安全钳型号符合国家规定。
四、机电结合装置
堆垛机在巷道中运行时，依靠认址装置及限位装置来确定运行的相对距离与位置。在本次堆 垛机设计中，采用可靠的激光测距认址进行位置判定，定位精度可达±3mm。设备外部设有集电臂，采用滑触线供电。端部设有红外通讯装置，与金属框架的接收装置配套使用。对于货物，货位检测装置设有超高、超宽、外形坍塌、探测货物等多组传感器。使该设备能够具有堆垛机完备的大多数功能。
堆垛机在使用过程中的夹紧安全装置也在其中设置电气检测，在钢丝绳松绳或断裂时，亦可以进行检测。
机电结合布置示例图，如图11。松绳保护装置示例图，如图12。
五、结论
随着堆垛机技术在国内自动化仓储领域的普及与完善，现有常规堆垛机已无法满足日益增长的物料种类需求，因此需要有针对性地推动重载、超高等堆垛机的机型研发。
本文论述了一种运输重载卷料货物的堆垛机，物料特征为圆柱体易滚动、重量大。通过项目案例的参数，计算校核了该机型结构的强度，能够符合行业标准。并且，设计了一种特制的导向架机构来固定卷料货物，配合使用V型货叉，使货物存放更稳定；采用电梯夹紧钳作为安全保护制动机构，安全性更可靠。该机型的机械结构设计与取货导向架方案稳定可靠，可作为一种适用于重载卷料运输的解决方案。
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