梁亦华
深圳市航瑞物流自动化有限公司 广东深圳 518000
摘要：现代堆垛机正朝着多样化、高速化和高层化的方向发展。为了适应这种发展趋势，越来越多的企业更倾向于采用双立柱结构的堆垛机。双立柱结构更适用于大尺寸货物、大砘位、高速运行、高度在15米以上的立体库中。文中通过对一种双立柱式堆垛机结构进行传统力学计算研究与有限元分析以及对试验数据进行分析对比，探索了一种双立柱式堆垛机的结构分析方法，为双立柱堆垛机的设计提供了参考。
关键词：双立柱堆垛机；水平运行噪音；框架变形量；
引言：巷道堆垛机作为自动化立体仓库不可或缺的搬运主机，其整体性能的优劣直接影响着自动化立体仓库的运行性能。双立柱堆垛机以其强度好、 刚度大以及适用场合多等优点越来越多的应用于仓储工程。堆垛机主体框架结构是堆垛机的主要受力部件，本文以某规格的双立柱堆垛机主体框架结构为研究对象，通过对其结构的力学分析，并结合有限元分析结果及现场试验数据进行分析对比，说明力学分析方法的合理性。
1. 设计阶段
1.1 堆垛机的构成
一台龙门框架式堆垛机主要由以下几大部分组成∶堆垛机主体框架机构、驱动机构、载货台机构、货叉机构、导轨及其它附件等。其中堆垛机主体框架机构是由左立柱，右立柱（如果高度在12米以上，各立柱还会采用法兰联接方式加长，会分为左上立柱、左下立柱、右上立柱、右下立柱等），下横梁、上横梁组成，各组件之间采用高强度螺栓与法兰方式进行联接，形成一个矩形的堆垛机主体框架结构[1]。
为便于说明如何控制堆垛机的堆垛机主体框架的变形量，先介绍堆垛机的大体结构。如下图 1所示∶
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下部由两个行走轮在地轨上行走与导向，堆垛机上部则由导轮与安装在货架上的天轨来导向。堆垛机通过在巷道前后行走（X轴方向）与载货台在堆垛机主体框架间的上下升降（Y轴方向），再加上货叉的伸缩运行（Z轴方向），而实现对两侧货架上的托盘货物取放，并与库端的输送机配合，达到货物出入库的目的。
由上图的结构示意图可知，行走轮在地轨上运行、载货台在框架内升降是否平稳流畅，框架形变是否在控制范围，直接关系到货叉把货物送到货架上时位置是否正确、设备运行的噪音与寿命是否在设计范围等。特别是在有故障报警而紧急停止时，堆垛机的堆垛机主体框架上半部分是否变形过大而发生事故。所以，堆垛机主体框架的设计阶段的技术控制非常重要[2]。
1.2 堆垛机主体框架设计
已知堆垛机是通过X/Y/Z三个轴向的动作来实现对托盘货物的存取，因而可知堆垛机主体框架在堆垛机动作过程中的受力状况，由经验与类比法初定堆垛机主体框架上立柱的矩形管截面、上/下横梁主体截面尺寸大小。再对在满载及紧急制动停止时最大的受力情况，通过堆垛机主体框架建模和有限元分析结果，与堆垛机主体框架中某部分的变形量与应力允许值进行对比，来优选型材截面尺寸。
同时，需要做好对法兰厚度、高强螺栓的选取，需保证各部件有效联接成一个刚度足够的整体。在实际工作中，通过20KG-3500KG的载货重量、高度在3米-23米之间、运行速度在60-240米/分钟的案例实施，已积累有以上范围内各型材截面的选取经验值，都是先通过类比加有限元分析的方式作出优选的。有限元对框架分析如下图2示例：
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在设计时需要在图纸中对立柱管材的原材料、下料尺寸、端部截面加工要求等标示清楚;对上、下横梁体等组焊件，需在组焊后经过时效处理后，再采用龙门机床进行一次装夹加工完主要的加工面。而立柱上所用的法兰需先加工平整法兰联接面待用，而不能直接把法兰焊于立柱端部后再加工，因为此种大尺寸结构件不容易控制其形位公差。而采用框架组合调校到位后再进行组焊，把框架上的各部件、零件：上、下横梁体、柱端法兰、左、右各段立柱、紧固件等齐备后，才可进行堆垛机主体框架的组焊制作[3]。
而堆垛机水平运行过程中是否达到平稳、噪音小、寿命长的要求。那么堆垛机主体框架中的下横梁体加工是重点，特别是两个行走轮轴线垂直于下横梁主体中心面的形位公差需控制好，如下图3所示的情况：
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主要是为了防止堆垛机在运行时，行走轮跑偏产生噪音，并防止轨道、行走轮、轴承易受损。
2. 制作组焊阶段
此阶段工作是保证堆垛机主体框架平整、变形量、行走轮轨迹在轨道上表面的偏离在允许范围内的重要环节。
2.1 组焊前准备
组焊前要准备好组焊的组件，另外还要准备好以下内容∶
2.1.1立柱矩形管下料时，一定要两头都经过加工，磨平，保证两头端面与矩形管中心线的垂直。每根立柱材料都要平直无明显弯曲，和扭曲现象，否则要先进行调直工作。
2.1.2 场地 有能把堆垛机主体框架平置于地面的、足够大厂房场地，并且四周需至少留有1米以上的空间以方便制作。并且此场地上方有不小于 5T 的行车[4]。
2.1.3 水平仪或经纬仪，30M 长的钢卷尺，1米长水平尺，卡尺等。
2.1.4 垫块、垫片、楔块若干，用于支撑平置于地面的堆垛机主体框架各组件。
2.1.5 有若干根刚性好的长度大于框架宽度的方管，截面不小于60*60*3mm。
2.2 组焊前堆垛机主体框架预装。
以下是2018年某一项目的堆垛机主体框架在地面预装要求示意图，图4：
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根据图4示，按图把各组件在地面上摆放好，按装配要求把所有配对相联接的法兰都全部用高强度螺栓紧固，用垫块如图中箭头所示把立柱、法兰、上横梁、下横梁垫平，使各组件的中心线都在同一个高度平面上。然后，把水平仪置于堆垛机主体框架的中心，把标尺置于立柱、上下横梁的上表面，测出各点的数据并做好记号与记录（注意各上表面与组件的中心线距离是有差别的）。测量点数越多越好，并且在各法兰附近 50mm的范围内必须要取点测量，且不止一点。再用垫片、楔块调校各组件中心线高度差需保证在 1.5mm 以内（以图4中的A-A面为基准）。再测量堆垛机主体框架的内侧距离尺寸，各点相差也控制在1.5mm以内;对角线如图测量，误差则控制在±2mm以内。采用夹具固定组件，或在要焊接缝处的四周点焊若干个点以固定各组件，把方管夹具也点焊于两立柱之间，使堆垛机主体框架保持形状[5]。
在堆垛机主体框架基本定形后，需再次测量堆垛机主体框架的高度差、内侧尺寸差、对角线误差。若有尺寸不对，则再调整楔块、模具等，直到各差值都控制在允许值以内时，才能进行下一步的组焊工作。
再组焊过程中，需严格按照焊接工艺进行，比如不可一圈的顺序焊接，而需对角交替焊接焊缝等。
在焊接工作完成三分之一左右时，需再次测量各尺寸有无变形。确认无变形后，若有变形需再调校后才可以进行下一步焊接工位。
在焊接工作完成后， 取下各种夹具，再次确认框架各尺寸是否满足要求。否则需要作更进一步的调整。
法兰焊接处要满焊，并且焊高不低于10mm。
一般项目都会有多台堆垛机，故采用以上方法是配对制作的。所以对配对的各组件，都需打上堆垛机序号的钢印，以确保现场安装时配对再组装。
3. 打包运输阶段
由于一般堆垛机的尺寸较大，在将堆垛机送到安装现场的途中，都是采用部件方式进行运输的。对于立柱运输，需特别注意在货台平台上多些木方垫平，防止在运输过程中立柱弯曲变形，并且在立柱上方不可以再放置另的重物。
4. 项目现场安装阶段
现场组装需注意按堆垛机编号进行配对组装，搬运及吊装堆垛机时需注意各组件的保护等等，这里不再详细展开描述。
结束语：
综合而言，在土地成本、人工成本越来越高、并在对自动化、智能化需求更高的情况下，绝大部分具有一定规模的生产性企业或物流企业，都在逐步采用自动智能仓储代替传统的平面仓储。而自动智能仓储的实施大部分都会用到堆垛机，特别是建造高度更高的自动仓库，使用双立柱堆垛机是必然的选择。
而本人长期通过物流装备的设计开发工作，对双立柱堆垛机的设计及加工的研究，积累了相当的经验，摸索出一套优化双立柱堆垛机设计与加工制作的方法,能有效的解决了堆垛机形变过大、由于行走轮跑偏而水平运行噪音过大的问题。为提供优质的仓储项目提供了可靠保障。
为企业在物流自动化智能装备系统市场中占有一席之地，业绩年年稳步增长作出贡献；亦为我国仓储行业的稳步发展、拓展海外市场尽一分绵薄之力。
参考文献：
[1] 丁力, 邹丽, 陈杰,等. 双立柱式堆垛机结构分析[J]. 起重运输机械, 2016, 000(012):67-70.
[2] 谭晓东, 刘新. 双立柱堆垛机自动控制设计中的问题探讨[J]. 科技创新与生产力, 2009, 186(007):82-84.
[3] 陈杰, 汤秀丽, 丁力,等. 基于Workbench的双立柱式堆垛机货叉力学分析[J]. 起重运输机械, 2016(7):69-72.
[4] 谭晓东, 刘新, TANXiao-dong,等. 双立柱堆垛机自动控制设计中的问题探讨[J]. 太原科技, 2009, 186(7):82-84.
[5] 李东升. 双立柱堆垛机故障诊断关键技术研究[J]. 中国新技术新产品(24).