高鐵轉(zhuǎn)向架四立柱重載堆垛機設(shè)計

萬英和，周強龍，滿運超，山榮成，呂國艷

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111）

0 引言

隨著物流行業(yè)的發(fā)展，倉儲物流逐漸延伸至產(chǎn)品生產(chǎn)線行成車間物流，其在智能制造中扮演著重要的作用。自動化立體倉儲系統(tǒng)的優(yōu)點有；實現(xiàn)自動化出入庫，減少對勞動力的依賴；高層貨架的使用，減少了倉儲占地面積，增加了空間利用率；自動化基礎(chǔ)上向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)實時貨物監(jiān)控，出入庫記賬，及接入MES系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。自動化立體倉儲系統(tǒng)逐步向智能倉儲系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合物流行業(yè)的產(chǎn)物。堆垛機是智能倉儲系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于貨物的出庫，入庫及盤庫。

鐵路是國民經(jīng)濟的動脈，隨著我國高鐵技術(shù)的發(fā)展，高鐵已成為我國一張靚麗的名片。高鐵市場已成功從國內(nèi)拓展到了世界，與之對應(yīng)的生產(chǎn)制造模式亟需與時俱進，進行智能制造新模式改革。高鐵轉(zhuǎn)向架是高速動車組的關(guān)鍵零部件，在其智能制造改革中，引入了智能倉儲系統(tǒng)。

高鐵轉(zhuǎn)向架的特點是：質(zhì)量大，架體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致體積大，高鐵關(guān)鍵零部件從而價值高。因此本項目中堆垛機針對其特點進行了非標(biāo)個性化設(shè)計。

1 四立柱重載堆垛機方案設(shè)計

目前立體庫設(shè)計中多采用巷道式堆垛機，根據(jù)其機架結(jié)構(gòu)分類多采用單立柱堆垛機和雙立柱堆垛機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

巷道式堆垛機一般由機架結(jié)構(gòu)，運行機構(gòu)，提升機構(gòu)，載貨臺（帶有存取貨機構(gòu)），電氣設(shè)備五部分組成。單立柱和雙立柱堆垛機的區(qū)別主要為機架結(jié)構(gòu)的垂直支撐結(jié)構(gòu)，其起重質(zhì)量相對都不高。由于高鐵轉(zhuǎn)向架質(zhì)量大，為滿足剛度要求從而會導(dǎo)致機架垂直支撐結(jié)構(gòu)粗笨；轉(zhuǎn)向架體積大，導(dǎo)致片狀結(jié)構(gòu)不足以保證設(shè)備運行平穩(wěn)。所以本方案采用了一種不常見的四立柱堆垛機結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 單立柱和雙立柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 四立柱堆垛機結(jié)構(gòu)示意圖

這三種堆垛機各有優(yōu)缺點，各個項目要按照實際情況需求采取不同的方案。三類堆垛機的特點如表1所示。

表1 三類堆垛機特點

可從表1中看出，單立柱堆垛機的使用范圍一般為對速度要求較高的，效率高，載重輕的倉庫，如miniload堆垛機；雙立柱堆垛機的適用范圍較廣泛，綜合性能較好，適合做標(biāo)準(zhǔn)化堆垛機；而四立柱堆垛機則適合體積大，質(zhì)量大的貨物，不強調(diào)其速度，強調(diào)其穩(wěn)定性，可靠性的項目。

本項目根據(jù)高鐵轉(zhuǎn)向架的特點，最終采用四立柱堆垛機形式。四立柱機構(gòu)可以有效的分散載荷，增加剛度。并在存取貨物左右偏載時，保證重心在機架支撐范圍內(nèi)，較單、雙立柱的片狀結(jié)構(gòu)增加其穩(wěn)定性。從而確定了四立柱重載堆垛機的設(shè)計方案。

2 四立柱重載堆垛機方案實現(xiàn)

根據(jù)方案，結(jié)合項目實際，四立柱重載堆垛機方案的具體實現(xiàn)如下。

2.1 機架結(jié)構(gòu)

四立柱堆垛機采用四立柱結(jié)構(gòu)，猶如將兩個雙立柱堆垛機通過連梁將上橫梁和下橫梁連接起來。倉庫高度低于10米，沒有采用天軌，采用的雙地軌支撐。四立柱采用350×12的方管，為保證機架結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，又增加了背拉和斜拉減小運行過程中的變形。

2.2 載貨臺（帶存取貨系統(tǒng)）

載貨臺用于搭載取貨系統(tǒng)，由提升機構(gòu)控制其升降；載貨臺主要由左右吊架、下框架、提升導(dǎo)向組件和安全防墜機構(gòu)組成；左右吊架主要由矩形鋼管焊成，下框架由H型鋼焊成；提升導(dǎo)向組件包含16個導(dǎo)向滾輪，8個撐在各立柱左右內(nèi)側(cè)面的導(dǎo)向板上，8個撐在各立柱前后內(nèi)側(cè)面的導(dǎo)向板上，導(dǎo)輪與立柱導(dǎo)向板的間隙可調(diào)，通過調(diào)節(jié)間隙可以保證提升運行平穩(wěn)無卡滯。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

堆垛機的存取貨系統(tǒng)也針對高鐵轉(zhuǎn)向架質(zhì)量大的特點進行了非標(biāo)設(shè)計。常見存取貨系統(tǒng)為一般貨叉托取貨物。由于轉(zhuǎn)向架質(zhì)量大，加上托盤的質(zhì)量采用托取的方法會導(dǎo)致貨叉下?lián)线^大。因此采用了無動力輥筒加推拉式貨叉的方法。其貨叉只承受推拉力，不承受貨物的重力，重力由棍子承受。輥筒組由兩條輥道各若干輥筒組成，用于承載貨物。貨叉由上、中、下叉體組成，均安裝在載貨臺上。貨叉上叉上布置有取貨鉤裝置，貨叉下叉固定在載貨臺安裝面上，上中下叉間的相互運動由貨叉電機驅(qū)動，上下叉上的滾輪軸承在中叉滑槽中轉(zhuǎn)動導(dǎo)向，分別由滾子鏈和板式鏈傳動；貨叉結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 載貨臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 貨叉結(jié)構(gòu)示意圖

為防止高鐵轉(zhuǎn)向架在貨格里回退外探，在貨架上設(shè)計了活動阻擋，其結(jié)構(gòu)如圖4中所示，上部擋套可以沿著支撐桿上下滑動，由于彈簧支撐，平時擋套為升起狀態(tài)，當(dāng)堆垛機存取貨物伸叉時，貨叉上活動阻擋撞塊壓下固連于擋套上的軸承，活動阻擋下降，使托盤及轉(zhuǎn)向架進入貨格，收叉后活動阻擋上升，擋住托盤，防止其回滑外探及掉落。

2.3 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)包括走輪箱，導(dǎo)軌靠輪，及水平緩沖器等；走輪箱又分為主動走輪箱和從動走輪箱，主動走輪箱是走輪，減速器，伺服電機的集合體，起支撐及為水平運行提供動力。從動走輪箱為無動力走輪，起支撐作用。四立柱重載堆垛機共布置有兩條地軌，無天軌導(dǎo)向。共有四個支撐走輪箱，兩個主動輪箱和兩個從動輪箱，每條地軌上均設(shè)置一主一從兩個走輪箱。四個走輪箱安裝于機架結(jié)構(gòu)的四角，四個走輪箱承載能力更強，運行過程中重心始終位于四個走輪箱支撐內(nèi)，使運行更加平穩(wěn)。兩個主動輪采用同步伺服驅(qū)動。堆垛機設(shè)計四個導(dǎo)軌靠輪夾持地軌，起導(dǎo)向防脫軌的作用。水平方向上還設(shè)有水平緩沖器，起到緩沖保護作用。

2.4 提升機構(gòu)

四立柱重載堆垛機采用鏈條提升結(jié)構(gòu)，由四臺伺服電機分別驅(qū)動鏈輪，帶動四條滾子鏈進行提升，鏈條連接桿分別安裝在載貨臺四角，同步升降。與普通堆垛機的卷筒鋼絲繩提升相比，承載能力更強，負(fù)載更均衡，運動更平穩(wěn)，可靠性更高。垂直方向的導(dǎo)向靠載貨臺上的導(dǎo)向滾輪。垂直方向也裝有垂直緩沖器，提供緩沖保護。

2.5 電氣設(shè)備

堆垛機的電氣設(shè)備主要包括行走檢測、提升檢測、貨物檢測、無線通信及供電等設(shè)備。大量傳感器的運用才使得堆垛機更加自動化，智能化。完善的檢測防護系統(tǒng)能有效降低設(shè)備故障，增加系統(tǒng)可靠性。

1）行走檢測

行走檢測目的主要為了尋址，限定速度，前后端識別及行程限位。此堆垛機水平尋址定位采用的是激光檢測裝置，把激光檢測位置接入水平位置控制用于定位及速度限定。使堆垛機能準(zhǔn)確在每一列貨架挺準(zhǔn)，且在巷道的前部和后部強制減速運行防止制動事故堆垛機沖出軌道。前后端識別采用的是U型開關(guān)檢測安裝在巷道第一列和最后一列地面上的端部識別片用于檢測堆垛機位于巷道的前后端。比如前端時堆垛機禁止向前行走并強制校驗更改列值為1。行程限位采用的是觸碰式行程開關(guān)，在巷道前后地面上安裝觸發(fā)支架限定水平行程。

2）提升檢測

提升檢測與水平檢測類似，目的為貨架層值尋址，限定速度，上下端識別及行程限定。開關(guān)類型的選用也與水平檢測類似。

3）貨物檢測

貨物檢測多安裝于載貨臺與貨叉上，貨物有無檢測使用的是鏡反射光電開關(guān)，用于檢測載貨臺上是否有貨物，超高超寬檢測也是采用的鏡反射光電開關(guān)，用于檢測載貨臺上貨物大小是否適用。歪斜檢測采用鏡反射光電開關(guān)，檢測貨物在載貨臺上是否放正。左右探檢測采用的是漫反射光電開關(guān)，用于檢測貨架上是否有貨，從而是否允許伸叉命令。貨叉原位檢測采用接近開關(guān)，用于檢測貨叉是否收叉到位。托盤條碼檢測采用二維碼識別系統(tǒng)，可綁定貨物信息，貨物RFID檢測用于輸入及綁定貨物信息，上傳至MES系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4）其他

堆垛機供電系統(tǒng)采用滑觸線供電，無線通信采用在堆垛機上安裝定向天線，與地面站進行通信。

2.6 控制系統(tǒng)

堆垛機的控制系統(tǒng)是堆垛機運行的關(guān)鍵部分，是堆垛機的靈魂。堆垛機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示：控制系統(tǒng)硬件主要有計算機系統(tǒng)，控制器，驅(qū)動器及堆垛機各種傳感器及無線通信系統(tǒng)組成。計算機系統(tǒng)主要為倉儲監(jiān)控系統(tǒng)（WCS）硬件載體?？刂破鞑捎玫氖俏鏖T子PLC，驅(qū)動器采用的是SEW的驅(qū)動器。WCS接到倉儲管理系統(tǒng)（WMS）的調(diào)度命令，通過控制器、驅(qū)動器最終控制堆垛機狀態(tài)。傳感器接入控制器用于其控制算法，并把狀態(tài)表現(xiàn)于WCS系統(tǒng)。人與堆垛機的交互主要可通過兩種方式進行，一是自動狀態(tài)下通過WCS系統(tǒng)控制，另一種是人工控制下通過堆垛機控制柜上的按鈕及觸摸屏進行交互。

圖5 控制系統(tǒng)示意圖

堆垛機的軟件系統(tǒng)及控制算法設(shè)計與實現(xiàn)不在此詳細(xì)說明。

3 結(jié)束語

本文以高速動車組關(guān)鍵零部件智能制造中自動化立體倉儲系統(tǒng)設(shè)計為例，在方案設(shè)計階段，總結(jié)了單立柱、雙立柱及四立柱堆垛機的特點及適用范圍，并針對轉(zhuǎn)向架體積大，質(zhì)量大的特點給出了“四立柱重載堆垛機”的設(shè)計方案。根據(jù)方案并結(jié)合項目實際，給出了四立柱堆垛機的具體實現(xiàn)過程，包括其結(jié)構(gòu)硬件的實現(xiàn)及控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。通過項目的順利實施也驗證的方案設(shè)計及實現(xiàn)過程的正確性，實用性及可靠性。

堆垛機是智能倉儲系統(tǒng)的核心設(shè)備，其設(shè)備性能直接影響系統(tǒng)的好快。目前堆垛機為了控制成本不是很注重機架結(jié)構(gòu)剛度前提下的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，往往產(chǎn)品看起來笨重或震動特性不好。今后將持續(xù)堆垛機結(jié)構(gòu)的改進，使堆垛機向輕巧化發(fā)展。更加注重堆垛機上各種傳感器的使用及數(shù)據(jù)的共享，做到倉儲過程的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控共享，使堆垛機向智能化發(fā)展。