摘要：我国物流行业迅猛发展，超高型自动化立体仓库和超高堆垛机的需求越来越大。为了实现超高堆垛机的平稳运行，文中应用极限状态设计法和模态分析理论对超高双立柱堆垛机的金属结构进行理论分析，详细介绍了新技术在超高堆垛机上的应用。提出并论证了正对称结构对超高堆垛机能够稳定运行的必要性，为超高堆垛机的设计提供了理论依据。
关键词：超高堆垛机；防摇摆技术；结构分析；有限元分析
0引言
现代物流业属于生产性服务业，是国家重点鼓励发展的行业。2018年全国社会物流总额为283.1万亿元，同比增长6.4%，有分析认为我国的物流业仍将快速增长。扩大的物流需求以及我国可利用土地价值的提升，对自动化立体仓库的性能提出了更高的要求。自动化立体仓库对于消费者，是产品运输的起点；对于制造商，是生产制造过程的终点。自动化立体仓库的存储能力和调度能力，将直接影响整个物流过程。我国自动化立体仓库广泛应用于汽车行业、烟草行业、医药行业、食品冷链行业、邮政快递业以及家用电器行业。本文基于行业需求对超高堆垛机结构进行分析设计并介绍新技术的应用。
1堆垛机的发展与应用
自动化立体仓库的核心设备为自动化立体仓库堆垛起重机，简称堆垛机，其以快速、高效、准确、安全的特点，成为国内外争相研发的对象。美国约在1960年出现了世界上第一台巷道式堆垛机；我国于1973年由北京起重运输机械设计研究院有限公司（北起院）研制出国内第一座自动化立体仓库。堆垛机是自动化立体仓库的标志，其作用是在巷道内进行水平往复直线运动、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调动作，实现存储单元货物从巷道端口输送机到指定货位的入库作业，或者从指定货位到巷道端口输送机的出库作业，从而与巷道端口入出库输送机系统一起实现货物的自动入出库。堆垛机具备以下特点：
1)工作效率高。堆垛机是立体仓库的专用设备，具有较高的搬运速度和货物存取速度，可在短时间内完成出入库作业。堆垛机平稳工作的最高水平运行速度可以达到300m/min，最高垂直升降速度可以达到180m/min，最高左右伸叉速度可以达到40m/min。
2)仓库的利用率高。相对于立体仓库的总体尺寸，堆垛机自身的尺寸较小，可以在较窄的巷道内运行，同时可以进行高层货架作业。
3)自动化程度高。以“产业互联网”为特征的新工业革命，包括堆垛机在内的仓储物流系统与设备日益呈现出一体化和智能化的发展趋势。
4)设备稳定性高。堆垛机具有很高的可靠性，可以确保7×24h连续运行。
2超高堆垛机的研发
近几年随着商家开展网上线下一体化，产品抢占市场份额需求扩大，备货量剧增使得超高、超大型自动化立体仓库、配送中心规模呈现爆发式增长。国内外优秀物流集成厂商都投入了巨大的研发精力，带来众多新的设计理念和深入的技术研究成果。
2.1超高堆垛机立柱结构的模型分析
目前欧洲德马泰克设计的堆垛机的高度可达45m，日本大福设计的堆垛机的高度可达50m，国内的堆垛机的高度可达30m以上。在库容量不变的情况下，仓库的高度增加一倍，占地面积能减少35%到45%。扩大的物流需求以及我国可利用土地价值的提升，须提高堆垛机的高度来满足存储空间的要求。45m超高堆垛机研发工作，已完成超高堆垛机的建模及分析。超高堆垛机需要满足的要求：
1)堆垛机具有足够的刚度、强度和稳定性。在高度大幅提升至45m的情况下，保证设备在巷道运行速度达到200m/min以上，货物的提升速度达到70m/min以上，货叉伸叉的速度达到40m/min。
2)堆垛机具备精准快速定位能力，堆垛机在钢轨上平稳运行。在以较大加速度运行工况下能快速制动和启动。
3)设备能有效防摇摆，货叉精准快速获取和放置货物，载货台在高位和低位具有良好的一致性。
堆垛机承受载荷的金属结构主要由上横梁、立柱和下横梁组成，堆垛机通常分为单立柱堆垛机和双立柱堆垛机。超高堆垛机采用双立柱金属结构，双立柱金属结构属于门架结构，具有更好的刚度属性。双立柱堆垛机的受力情况分析：金属结构受到地轨在Y轴方向的支持力和Z轴方向的约束力，同时受到天轨Z轴方向的约束力。双立柱金属结构的力学模型属于一次超静定门架，在静定的框架中附加约束，为金属结构带来一个多余未知广义力。双立柱堆垛机的金属结构能够利用这个多余的广义力抵消一部分立柱的弯曲变形，从而具有更好的刚度。
考虑到实际应用和制造，双立柱堆垛机的两个立柱的截面积可能不同，立柱的转动惯量和失效形式也不相同。在主立柱截面积不变的情况下，副立柱截面由小增大。在静态下，主副立柱之间转动惯量相差最大，主立柱有倾倒向副立柱的趋势，同时副立柱的变形情况比较复杂，最大变形量的位置发生在上横梁，这种变形情况叫做反对称变形。随着副立柱的转动惯量逐渐接近主立柱，主副立柱的变形趋于相等，最大变形量的位置在主立柱上，这种情况的变形更偏向于正对称变形。
对称结构的定义是结构的几何形状、尺寸、构件材料以及约束条件均对称于某一轴。当对称结构承受对称载荷时，其约束力、内力分量以及位移都是对称的，那么对称结构就会发生正对称变形。
2.2超高堆垛机伺服控制系统应用
应用堆垛机伺服控制器可使系统具有更好的稳定性、快速性，同时精度高、动态响应及时。堆垛机控制系统采用交流伺服控制系统通过应用伺服变频器，采集控制异步电机的反馈信号和输出量，同时结合系统PLC通过通讯接口所采集到的外部传感器状态、高精度位移测量元件的数值进行分析、整定，最终作为控制系统调节的偏差输入量，来实现堆垛机机械位移准确地跟随输入位移。
2.3超高堆垛机防摇技术研究
堆垛机在巷道内进行水平加减速往复直线运动，尤其是载货台和货叉处于取货高位时，设备会出现不同程度的摇摆。摇摆会较大程度上降低设备的整体运行效率，因摇摆过程中堆垛机无法与静止的货位形成精准的定位。因此防摇摆技术是设计研发30m以上堆垛机的核心技术之一。
1）提升机械设备刚度实现防摇摆。通过建立堆垛机的有限元模型，同时从理论和实践两个方面，提高设备金属结构的强度、刚度和稳定性，这是超高堆垛机能够防摇摆最根本的因素。
2）通过电气控制方式实现防摇摆。通过给定加速度变化率实现堆垛机启动或停止过程中加速度逐渐增大或减小，实现堆垛机S形曲线运行，减小堆垛机立柱振幅。通过变频器进行堆垛机位置控制的同时，对加速度变化曲线进行设定。利用控制程序采集堆垛机立柱顶部与底部的加速度差值，并进行有效补偿，提高堆垛机顶部与底部加速度/速度的一致性，减小立柱摆幅。在定位过程中，对变频器的加速度设定值保持实时调整。
通过采用上述技术中的一项或多项对堆垛机立柱摇摆进行补偿控制，尽可能减小立柱摆幅，避免堆垛机定位过程中的晃动，尽快进入稳定对准状态。
3结束语
应用模态分析理论探究堆垛机金属结构的正对称、反对称结构模型对产品性能的影响，通过动态仿真优化堆垛机金属结构框架。目前已建立超高堆垛机金属结构分析计算体系和模型模拟仿真体系，通过伺服控制技术、图形示教系统等的开发与应用，完成超高堆垛机成套技术解决方案。
参考文献：
[1]邹丽,王钰培,丁力,等.超高型堆垛机金属结构优化设计[J].起重运输机械,2017,000(002):56-58.
[2]章真雄.40m高单立柱巷道堆垛机结构设计与分析[D].2015.