个性化立库的设计要点

郝隆誉

摘要：特殊行业的自动化立体仓库如冷冻冷藏立体仓库、防爆型有轨巷道堆垛机、橡胶轮胎库等具有各自显著的特点，在设计与制造中必须满足其各自的特殊性。

关键词：低温库、防爆、轮胎、特殊环境

低温库设计

要确保低温食品在制造、储存、输送及销售等流通过程中保持低温状态，以维持食品品质，需要有完善的冷冻、冷藏设施、物流装备以及快速运作的冷链物流体系。物流发达国家普遍采用以移动式货架为主导的冷冻、冷藏自动化立体仓库。在我国，目前还没有一座真正意义上的自动化冷冻、冷藏立体仓库，可以说，在低温环境下，采用自动化控制，运用机械设备自动存取的立体仓库至今仍是空白。

冷冻、冷藏立体仓库是低温环境下的恒温库，要保持低温与恒温，需要各方面设施和技术的支持。要实现低温状态下的自动化控制，实施无人化存取，需要配备适应低温环境的设施和设备。

1总体要求

(1)整体设施要求

低温库的土建工程与常温库不同，尤其是配备有轨巷道堆垛机、高层货架的自动化立体仓库，库面地基不仅要防湿、防冻、地面要设保温层外，地基还需具备足够的承载能力，同时必须考虑由于低温库在除霜、除水时产生水流的排放，因此库内要有排水通道，排水通道要根据库内设施位置确定。

不同温域对设施有不同的要求，涉及到执行设备材料的选用，组合结构的形式，安装工艺，电气控制件的选择、安装方式等。

库房要保持低温环境，需高效制冷与保温。与普通低温库相比，还需考虑执行设备表面结霜、结冰的预防与清除。

库内设施的结构与普通库也有差别，如构件温度应力的预防与消除，以防止设施结构的冷桥效应；穿堂的合理配置等。

对于常温库，由于季节交替带来温度变化，因而材料产生热胀冷缩，形成交变应力，导致材料与结构间的疲劳损伤。低温库则无需考虑温度变化应力影响。

(2)执行设备要求

与普通自动化立体仓库相比，低温库的执行设备如堆垛机、输送机从设计到制造都相对复杂，设备结构必须适应特殊要求，特别是环境达到冷冻温度时，首先要考虑设备在低温状态下如何保持正常运转。在材料的选择上必须避免采用低温冷脆性材料。从金属材料应用规范来讲，一般温域划分以-30℃为界，低于-30℃要选用低温性能好的材料。在制造过程中，各种构件需采用适应低温条件的加工工艺。构件的连接方式、构件的组装方式也必须适应低温条件。同时，电气控制的可靠性对自动化立体仓库的正常运作也是至关重要。此外，运行车轮与导轨打滑的消除、低温润滑油的选用也不可忽略。

(3)热流控制要求

当物体内部温度不均匀时，热量会自动从高温处传递到低温处，热交换的方式有传导、对流、幅射三种，冷藏、冷冻库内热交换以传导、对流为主。适当的温度及湿度、均匀的空气流速及分布、良好的卫生控制有利于库内温度的均匀，而温度系数的高低不会影响设备的正常运作。

热流干扰有多种形式，如货物的输入造成热量的入侵，货物的呼吸、库内照明、库门的开闭、出入通道形成热量的对流，作业热(如库内电器运转热、工作人员散热等)的散发，都会带来库内温度变化。为保持良好的低温环境，在设计结构布局、物流路径确定时必须考虑有效避免、降低热流干扰。同时，迅速降低物品入库温度是重要措施，其中制品预冷是重要的环节，可有效减少入库后对库内温度的干扰，所以预冷设施的合理配备必不可少。

对流是形成温度干扰最显著的形式，温差越大，对流越强，因此阻断热流是控制温度的关键。阻挡气体的流动有多种形式，有些看似简单的措施却起着不可忽略的作用，如在通道口挂帘，避免开通时的瞬时对流，是阻断空气对流极为经济有效的方式。

2电气控制要求

电气元件在低温状态下的安全性、实用性和耐久性是自动化控制的关键，因此，电气元件必须有高可靠度指标。同时，安装的工艺也直接影响控制质量，必须有较高的可靠度要求。配电柜保温、防霜、电气独立元件的保温、防冻措施，滑导线运行机构的保温防霜方式、电刷加热温度等均需适宜。

有些电气元件无低温性环境工作性能，需要个体保温。有些电气元件出现故障后会产生冻结，必须考虑如何解冻，以及实施快速维修以恢复其功能，这些问题直接影响着自动化立体仓库的正常运行和工作效率，必须完善解决。

3弱化“冷桥”效应

在库内构件与库体连接部位、电缆的出入通道，应连续而均匀地覆盖保温材料，如果在实际设计和施工中造成“短路”，形成“冷桥”，将导致该部位形成热交换源，使建筑物的整体保温性能下降。“冷桥”的存在会造成冷凝现象，构件表面凝结的水滴会影响设备及产品的安全，并导致金属表面腐蚀，影响建筑物的正常使用。

4设备的维护要求

在常温库，设备维修可以正常进行。但在-30℃甚至-60℃的仓库中，即使配备防寒服，维修人员也只能坚持半小时至1小时。因此，维修的快捷是必须考虑的因素，这就要求机械结构要合理，具备快速更换、快速拆卸性能。同时，要考虑配备方便维修的辅助设施、工位器具。必要时，要具备实施快速出库的方式与泊位。

5总体规划阶段

在方案规划阶段，设计方要与客户进行全面的沟通，深入了解不同商品的特性，对制品公司的企业管理系统要有充分的了解，也应让制品公司对所做的每一步都理解认可。冷库建设是不允许失败的，因为冷库一旦失败就是废库，无法挽救。

结合我国国情，适应国内市场需求，在规划和设计低温物流系统时还应注意以下几点：

(1)规划准备，分析上游供应商、下游顾客的特性，确定中间节点的设施配备。

(2)系统规划，包括物流路线、流动频率、设施规模等，要形成快捷合理的储存物流供应链。

(3)不同制品、不同企业具有不同特点，方案设计要满足个性化要求。

(4)技术经济性指标方面，要结合企业经济实力、物流水平要求，选择相应的规模与自动化程度。

防爆型有轨巷道堆垛机设计

BDX防爆有轨巷道堆垛机是在特殊环境下运行的设备，它的机械结构运行控制必须满足以下要求：

(1)运动构件不得有爆源隐患，绝对避免磨擦火花的发生；

(2)金属结构除满足强度要求外，还必需有足够的刚度，外形圆滑无锐角；

(3)运行状态下要求小振动低噪音，运行无冲击，停车平稳准确；

(4)过载、断绳、超速保护装置避免；中击振动、启动运行时磨擦火花；

(5)外表防护使用的油漆、

涂料不得含有轻金属粉末。

与普通堆垛机相比，BDX防爆巷道堆垛机采取了特殊减振与降噪措施，加工过程采用特殊工艺以消除爆源。在正常工作状态下可能发生摩擦碰撞的部位或同外物发生碰撞的地方都采用了铜基材料或不锈钢材料，以确保磨擦时无火花产生。

1BDX防爆堆垛机设计改进与创新

(1)机械设计改进与创新

为适应防爆要求，结构部件采取以下改进措施：

①金属结构

金属结构是堆垛机的主体结构，立柱、上横粱和下横梁必须有足够的刚度，BDX防爆巷道堆垛机立柱、载货台吊架均采用型材，体积显著减小，整个结构布局紧凑，强度高，刚性好，外形美观圆滑无锐角。

②起升机构

起升机构驱动传动型式为同轴式，起动及制动平稳，结构紧凑减少机械冲击，便于载货台的准确定位。

③运行机构

运行机构驱动装置全部采用结构先进的总成，并采用变频器控制实现无级调速，以确保停准精度和运行平稳。接触碰撞部位均采用橡胶缓冲器避免刚性冲击。

④货叉机构

货叉伸缩传动机构采用专利技术——密闭防爆专用链轮径向离合器，简化了结构，能有效避免磨擦火花发生。

⑤载货台

载货台采用独立滚轮斜面的失重同步制动器专利技术，取消了所有连杆与弹簧构件，简化了结构。该机构采用滚轮式制动，有效避免了钳口式平面磨擦，大大降低了发生磨擦火花的几率。

(2)控制设计改进与创新

①采用了西门子Profibus现场总线技术，使信息传输更加可靠。

②采用最新技术成果“激光测距仪＋变频器闭环调速控制”，实现了堆垛机的绝对认识和无级调速控制，堆垛机起步加速和减速停车更加平稳准确。

③全部采用无火花型防爆光电开关，内部电路为无火花发生的电子电路，电气线路全部经2000V、1min、50Hz交流耐压实验无击穿、闪络现象。电气线路设有防机械损伤的可靠保护。

④全部电气设备的地面轨道必须可靠接地，接地电阻不大于4Ω。主回路与控制回路对地绝缘电阻应不小于0.5MΩ。

2振动和噪音的控制

振动是磨擦撞击源，必须加以严格控制。要实现对振动的有效控制以避免磨擦火花，对各项技术指标和性能提出了更严格的要求，需要对相互关联的诸多因素进行综合控制协调治理。通过对堆垛机振动力学模型系统分析研究，明确各因素因果关系及内在联系，针对各因素特性采取不同措施，对振动取得有效控制，具体措施如下：

(1)堆垛机、货架、运行道轨是一个有机整体，如果三者固有频率接近，必然产生共振。为避免共振，运行道轨与货架、导轨与货架采取不同方式的特殊隔振措施，实现了良好的减振效果。

(2)堆垛机整体构件均采用型材，提高了刚度，减轻了自重。

(3)合理设计轴系结构，避开共振的临界转速。

(4)立柱箱体内设置阻断结构，降低共鸣效应。

(5)在构件连接处采用弹性阻尼隔振技术。

(6)采用振源负荷减振专利技术。

(7)运行道轨采用特殊加工工艺措施，提高平稳性，并采取特殊隔振结构，避免与货架的共振。

(8)导向轮运行系统采用复合材料滚轮，收到良好的减振降噪效果。

3结论

太原刚玉物流工程有限公司为广东华润涂料有限公司制造的BDX防爆堆垛机，通过南洋防爆研究所全面检测，各项技术指标达到标准要求，经过三年的实际运行，全部功能正常实现，运行平稳可靠，从未发生任何故障，各项技术指标已达到国际先进水平，在国内处于领先地位，是国内首创。

经验表明，要实现对振动和噪音的有效控制，避免火花，各项技术指标和性能要严格控制，并且需要对相互关联的诸多因素综合控制、协调治理。只有把堆垛机作为一个系统加以分析研究，明确各因素因果关系及内在联系，通过对各因素的重组改变，才能保证高速状态下堆垛机的正常运行。按照堆垛机运行规律，当运行速度超过100m/min时，噪音曲线将出现拐点，急剧增强。

橡胶轮胎库设计

橡胶轮胎直径、厚薄、规格繁多，采取固定尺寸货位通常难以达到特殊要求。在实际使用中，货位要适应多样性要求，空间大小必须可调节，并要实现动态密集立式存放。目前，国内橡胶轮胎库主要采取平码堆放或吊挂。

1关键技术问题分析

橡胶轮胎的储存状态、入出方式具有特殊要求，平码堆放、固定立放、悬臂吊(托)挂等方式的共同缺陷是无法调整方位，不仅变形大，而且很难实现先进先出。自动化立体轮胎仓库必须适应多品种、多规格轮胎的密集储存，并能调整位置，避免变形，同时要实现先进先出要求。

货位要适应多样性要求，空间大小必须可调节，并要实现动态密集立式存放。要满足以上条件，货位应采取连续形式，通过折叠斜面滚道，形成三维立体连续货架，不仅可解决轮胎连续摆放，同时通过运用重力原理，在出库过程中实现轮胎的位置调整；如超期滞留，可采取模拟出入库循环，进行位置调整，以最经济的方式满足特殊功能。为保证逐件提取的有效控制，在轮胎出口需设置门挡机构，以实现释放与阻挡的快速可靠实现，此机构必须实现逐一开闭，在释放前一个的同时必须阻挡后一个下滚，门挡机构运用机床夹具常用的死点自锁原理，实现开启阻挡功能。该机构简单，紧凑体积小，工艺性良好，成本低廉轮胎存放需从货架顶部输入，如采用行车输入，效率低操作不便。采用结构简单操作方便的专用提升机，成功实现了轮胎的自动输入功能，提升机由机架、道轨、提升台组成，轮胎通过转运小车输入提升台，沿提升台机架将轮胎提升到货架入口位置，通过重力作用自动滚入货架，完成入库存放。轮胎立式存放仓储库在国内为首创，较完善地解决了橡胶轮胎的合理存储。

2主要特点

轮胎立式存放仓储库具有如下特点：自动存储，重力取货；适应各种规格橡胶轮胎；可实现先进先出；可随时调整方位，防止变形。