重载卷料堆垛机的机械结构

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，需要对重载卷料堆块机进行设计开发。

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。

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。

根据上边的截面参数，可计算出惯性矩I=1629104666（mm^4），弹性模量E=206000。通过细化设计，可计算出堆垛机总重量约37t，货物重量12t。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200X400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。由于货物重量约12t，远超过一般货物。因此，要保证载货台的框架结构的静刚度要求，必须使用较大的型钢作为主要承载结构。根据如上截面参数可计算出惯性矩1=396527302（mm^4），弹性模量E=206000，载货台之间跨距L=2000mm，货物重量约12t，货叉重量约1t，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≈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。