多层穿梭车换层技术分析

文/胡建法 李成友 徐超 周伶俐 王浩旭

随着电子商务的蓬勃发展，规模化定制引导着物流发展趋势。现代物流中心的规模变得越来越大，所处理的品规也越来越多，小订单比例越来越高，拣选和配送速度越来越快。

与传统的“人到货”拣选模式相比，穿梭车密集仓储系统的作业效率及拣选正确率大大提高，同时节约了大量人力成本和土地成本。

目前，件箱密集仓储系统中采用的穿梭车，主要有普通穿梭车、自动换层穿梭车、子母穿梭车、四向穿梭车等。子母穿梭车、四向穿梭车可在水平方向换道，适用于存在多条巷道的场合；普通穿梭车+换层提升机组合，穿梭车可实现在竖直方向换层。两种方式均可提高穿梭车的设备利用率，系统柔性。

自动换层穿梭车沿货架立柱自动爬升方式，对货架的制造、安装精度要求较高。本文仅讨论提升机自动换层模式。

一、单层作业和跨层作业模式

根据是否可跨层作业，穿梭车系统可分为单层作业和跨层作业两种模式。

1.单层作业模式

单层作业模式通常由出、入库提升机、存储货架、多层穿梭车组成。

在单层作业模式下，一条巷道内，每层货架配置一台穿梭车。其平面布局图和立面图，如图1、图2。

与“人到货”拣选模式相比，穿梭车密集仓储系统的作业效率及拣选正确率更高

图1 单层作业模式穿梭车系统平面布局图

2.跨层作业模式

跨层作业模式下，一条巷道内，n层货架只需配置m台穿梭车（m＜n）。同时，在单层作业模式穿梭车系统的基础上，跨层作业模式多配置了一台穿梭车换层提升机。其平面布局图，如图3。

3.两种作业模式对比

图2 单层作业模式穿梭车系统立面图

图3 跨层作业模式穿梭车系统平面布局图

图4 错位说明示意图

单条巷道，n层货架。单层作业模式配置n台穿梭车；跨层作业模式配置m（m＜n）台穿梭车，1台穿梭车换层提升机。当穿梭车系统出入库流量很大时，即便采用单层作业模式，穿梭车闲置率也很低，这种情况只适宜采用单层作业模式。两种模式的对比分析，只针对存在一定的穿梭车闲置，适宜采用跨层作业模式的情况。

（1）经济性对比

通常情况下，密集仓储系统出入库端均设有一定数量的缓存工位，用于出入库物料的排序暂存。穿梭车连续完成某层的出入库任务后，即可转入另一层继续执行出库任务，从而减少穿梭车空闲时间，提高设备利用率。对于设置有合理数量的出入库缓存工位的多层穿梭车系统，当穿梭车数量m满足总出入库流量时，增加穿梭车数量来增加系统效率的作用逐渐转弱，即出现穿梭车闲置。

单层作业模式与多层作业模式在设备配置及控制系统方面均有差别，二者的经济性，取决于系统采用单层作业模式时，穿梭车的闲置率。当闲置穿梭车的成本大于换层提升机的成本时，采用跨层作业模式更为经济。

（2）扩展性对比

“一轨多车”模式下，需考虑穿梭车之间的相互避让，效率提高效果不佳，且控制复杂，所以单层作业模式几乎没有扩展性；而跨层作业模式可随出入库流量的增加，而增加穿梭车数量。

（3）系统柔性对比

当某巷道穿梭车出现故障或其他意外情况时，对单层作业模式来讲，该层该巷道的所有货物都不能进行出入库作业，这就对出入库作业产生了极大影响，给企业带来了一定损失；而对跨层作业模式，某一小车出现故障时，可以调度其他小车至该层完成出入库作业，可以有效地将某一小车出现故障所带来的影响降至最低，保证了系统整体性能。

二、穿梭车换层面临的问题

1.限位装置的自动开合

单层作业模式下，穿梭车轨道端头的限位装置为死挡。跨层作业模式下，走行轨道靠换层提升机一侧需设置为能自动开合的活动限位装置。不需要换层时，活动限位装置能起到防止小车冲出轨道的作用；需要换层时，活动装置应能自动打开，让出穿梭车上下换层提升机升降台的通道。

2.升降台错位

（1）错位的分类

①高度错位：升降台处于水平状态，只存在y方向存在高差，导轨两侧高差相等，即ΔH1=ΔH2。

②x轴转角错位：升降台处于倾斜状态，存在绕x轴的转角αx，导轨两侧高差相等，ΔH1=ΔH2。

③z轴转角错位：升降台处于倾斜状态，存在绕z轴的转角αz，导轨两侧高差不同，ΔH1≠ΔH2。

对于αx、αz，规定逆时针转角为正值，顺时针转角为负值。

错位说明示意图，如图4。

（2）错位的危害

理想状态，换层提升机升降台应与穿梭车走行轨道齐平，即，ΔH1=ΔH2=0，αx=αz=0°，以保证穿梭车的平稳过渡。

穿梭车分为带电池和不带电池两种。目前不带电池的穿梭车一般采用滑触线供电。采用滑触线供电的穿梭车还需考虑集电臂的平稳过渡。

以下分析为错位超差的极端状态，实际应用时，一般处于理想状态与极端状态之间。ΔH1≠ΔH2时，统一按ΔH1＜ΔH2考虑。

①ΔH1=ΔH2＞0且达到一定限度，穿梭车不能走行到升降台上；

②ΔH1=ΔH2＜0且达到一定限度，穿梭车可以走行到升降台上，但为跳台跌落，过渡不平稳；

③αz≠0且达到一定限度，对于滑触线供电的穿梭车，由于集电臂不能顺利过渡，不管高度错位多少，穿梭车不能走行到升降台上。

（3）造成错位的原因

①升降台走行轮与提升机立柱导轨之间存在安装间隙。

②运行磨损，导致升降台走行轮与立柱导轨之间的间隙增大。

③制造、安装过程中不可避免的误差。

④走行轨道、升降台加载后产生变形。升降台穿梭车进入升降台的过程，是一个逐渐加载的过程，悬臂端头挠度必然是个变量。

⑤一组升降台对应多层货架，存在停位误差。

三、提高换层可靠性的有效措施

换层技术的关键在于尽量减少高度错位和转角错位，使得穿梭车能平稳过渡，延长设备使用寿命。对于降低错位误差，我们有以下几个努力方向：

1.提高制造、安装精度

提高制造、安装精度，可有效控制系统初始静态误差，降低系统调试难度。

2.增加升降台刚度

增加升降台刚度，能减少升降台端头挠度，从而减少高度错位误差。

3.合理选用提升机的支撑结构

采用单立柱支撑结构的提升机，除存在高度错位误差外，还同时存在x轴转角错位误差和z轴转角错位误差。靠轮破损后，转角误差还有加大的趋势。

采用双立柱支撑结构的提升机，除存在高度错位误差外，还存在z轴转角错位误差。

采用四立柱框架支撑结构的提升机，升降台运行过程中基本能保持水平状态，转角错位误差可以控制在较小的范围内，可以考虑为只有高度错位误差。

停位精度方面，四立柱框架结构提升机优于双立柱提升机，双立柱提升机又优于单立柱提升机。但实际应用中，由于场地限制，物料提升机与换层提升机并列，有时会不得不选用双立柱，甚至单立柱提升机。

4.增加轨道对接辅助装置

通过在升降台一侧轨道端头处增加轨道对接辅助装置，在对接时，矫正错位，同时使接缝处形成临时刚性连接。

5.穿梭车集电臂可脱离设计

此项主要针对不带电池的穿梭车。如滑触线供电穿梭车改为带低容量电池的穿梭车，集电臂与穿梭车可脱离，以使得集电臂只在货架区域运行，无需和穿梭车一起过渡到换层提升机升降台，从而减少故障环节。穿梭车带低容量电池，还有一大好处，即解决意外掉电情况时的穿梭车停车问题。

集电臂顺畅过渡要求的错位误差，一般比穿梭车顺畅过渡要求的错位误差更为严苛。

6.升降台采用同步带传动

链传动的瞬时转速和瞬时传动比不是常数，而同步带传动具有准确的传动比。因此，传动平稳性及准确停位方面链传动不如同步带传动，换层提升机升降台升降采用同步带传动将获得更高的停位精度及稳定性。

7.升降台二次停位

控制系统能自动识别升降台停位误差，当误差较大时，启动二次停位进行修正。

四、结束语

采用提升机对穿梭车进行的多层穿梭车系统，换层提升机升降台停位后，与穿梭车走行轨道一般都有一定的高度错位和转角错位，从而导致穿梭车过渡时出现不同程度的卡滞、跳台现象；对于采用滑触线供电模式的穿梭车，还存在集电臂在轨道对接处过渡不畅的情况。换层技术的关键在于尽量减少高度错位和转角错位，使得穿梭车能平稳过渡，延长设备使用寿命。

错位通常是由多个因素综合导致的。可以通过提高制造、安装精度，增加升降台刚度，合理选用提升机的支撑结构，增加轨道对接辅助装置，穿梭车集电臂可脱离设计，升降台二次停位等方式减少错位误差。其中，提高制造安装精度、合理选用提升机支撑结构往往受经济性、制造水平、场地限制等因素制约；增加轨道对接辅助装置，穿梭车集电臂可脱离设计，升降台二次停位成为成本增加不大却行之有效的措施，值得进一步探究及推广使用。