垂直提升货柜的可靠性设计

刘茂生，彭香玲

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

随着生产和科学技术的高速发展，机械产品和设备也日益向高速、高效、精密、轻量化、自动化方向发展，产品结构日趋复杂，产品更新换代的速度日益加快，对其工作性能的要求也愈来愈高。为了提高垂直提升货柜在市场中的竞争能力，保证产品的高性能、高质量、低成本，降低设备在工作情况下的非正常故障，保护操作者的人身安全以及设备本身，同时尽量不影响使用单位的工作进度，为此，展开产品的机械可靠性设计，在产品设计中考虑机械结构强度由于载荷的影响使之疲劳、断裂、磨损的引起失效；考虑机构在运动过程中引起的故障，实现产品的稳定性和可维修性，降低产品的后期维修成本。

可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力，是衡量产品质量的一个重要指标，是人们设计制造产品时的一个追求目标。机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地计算了各设计变量之间的关系。机械产品的可靠性技术，因为实验周期长、耗资大、设计安全系数较大而掩盖了矛盾，实验结果的可参考性较差；因此只有通过依据客户的反馈意见和产品设计的不断改进，才能达到设备的高可靠性。产品的可靠性越高，市场的竞争力就越强。自动货柜的可靠性设计主要是通过可靠性设计，延长产品正常工作期的时间，缩短跑合期和耗损期、降低产品的非人为故障率，从而降低产品的成本，增加市场竞争力。

当前，自动化立体仓储系统在现代化生产管理系统中占有非常重要的地位，是整个企业物料管理、组织和协调的中心。国内外许多采用自动化仓储系统的厂家的经验表明，以自动化立体仓储为中心的物流管理，在实现物料的自动化管理、加速资金周转、提高劳动生产率、降低劳动强度、提高厂房、库房空间利用率、保证生产均衡等诸多方面能带来巨大的效益。

目前，国内应用比较广泛的自动货柜主要包括垂直循环货柜（回转库）、垂直提升货柜（升降库）以及该所新近研发的联体提升货柜。

垂直提升货柜是以托盘为存储单元，通过提取车的升降和水平运动，将存放货物的托盘取出或送到柜内合适的货位。提取车的升降运动采用绝对认址方式，精度高、认址准确；水平运动采用感应开关控制，可达到机构的动作要求。货柜运行时自动进行路径优化和寻找最佳存储位置，真正实现“物到人”和智能化管理。

垂直提升货柜主要由骨架、内部结构、外壳、电气控制和仓储管理软件5部分组成。骨架分为左、右支撑架、顶盖、底座等组件；内部结构主要由提取小车和传动两部分组成。外壳由前板、拉伸门、后板和侧板组成。

图1

该所从垂直提升货柜的研发，到规模化生产，历经10余年的发展，在自动货柜领域已经占有重要地位。为了进一步提高设备质量和市场占有率，我们只有通过不断学习，吸取经验和客户的反馈意见，改进设计方法、引入可靠性设计方法。垂直提升货柜的可靠性设计主要是通过以下几个方面来完成的。

1 对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上划分并设计

为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可靠性与互换性两个特征。为了保证这两个特征，主要还是通过设计中提高模块的标准化、通用化和规格化，生产中，主要靠模具的大量使用来完成。将模块化设计应用到自动货柜的生产中，对缩短产品生产周期、降低成本、提高设备精度、可靠性、稳定性等有着非常显著的效果。

没有采用模块化设计以前，每个零部件都属于单独的个体，在设计生产制造过程中都是单独进行设计加工的，对于垂直提升货柜型号规格众多的（32个型号），会造成设计人员工作量加大，机械加工中工艺设计量增大，制造周期漫长，且互换性很差（基本上一对一），对设备的制造工期带来很大的不确定性。而在设备的运输过程中，由于零件种类繁多，给包装运输带来很多繁琐的工作，安装时，由于零件众多，同时设备要求具有较高的安装精度及运行稳定性，对安装工人的技术要求较高，且工作量大。而采用模块化设计后，整个传动系统被分为顶链轮箱组件、底链轮箱组件、提取车，每个组件与货柜整体都有严格的安装尺寸，且各种型号货柜之间具有很强的互换性。

1.1 底（顶）链轮箱组件

图2

改进前，整体强度低、零件种类繁多、加工周期长、现场安装工作量大，安装精度无法保证。

改进后，底链轮箱和顶链轮箱作为整体，采用模块化设计，在生产中采用模具定位加工，零件一致性得以保证，从而整个部件的精度得到满足，而且增加了互换性，可以批量生产，适量库存，缩短加工周期，降低加工成本。在现场安装过程中，只要控制好安装基面的尺寸，就可以保证安装精度，工作量大幅降低。

1.2 托盘挂块

图3 托盘挂块

挂块作为托盘的关键零件，是托盘与提取小车之间水平运动的挂接点，挂块是否合格，直接决定了提取小车水平运动是否稳定可靠，因此在加工过程中，其一致性具有严格的要求。经过最初采用线切割直接切割而成，成本高；用5#槽钢直接切割而成，一致性不好，最后采用Q235冷板模具冲压而成，成本降低70%以上，一致性好，品质优异。

2 垂直提升货柜的控制系统

实现整个存取运动的平稳、安全、快速的完成。

2.1 安全系统

在垂直提升货柜的存取货口，实现全程光幕安全保护，当有异物进入存取货口，光幕会自动报警，提醒操作人员。在垂直提升货柜左右两边的维修门旁装有自动断电传感器，当设备维修门打开时，设备自动断电，确保维修人员的人身安全。

2.2 超重报警功能

垂直提升货柜在进出货平台（出货口）处增加称重传感器，可以检测出每个托盘的载重，如果托盘载重量超出设备额定载荷时会自动报警，并退出托盘，这样既可以保证每个托盘的载重量，又可以使整机载重量不超过设备的额定值。提高设备的安全性，使设备不会因为超负荷运转，而增加零部件的耗损，从而延长设备的正常工作周期。

2.3 防倾倒功能

设备底部与顶部装有上下对应的激光安全光栅，检测提取小车在升降运动中托盘是否到位及是否有货物倾斜出托盘，并报警停止运动，以保护提取小车运动过程的安全。降低因为操作人员粗心使托盘中所放货物超出托盘边缘，或者由于设备水平链条同步性出现偏差，而造成设备在垂直运动中发生提取小车与托盘相撞。

2.4 防振动功能

设备提取小车在高速升降运动中，4根悬挂链条可能会出现一些摆动，从而引起提取车及提取车上的托盘震动，而且链条震动会引起顶部及底部链轮和轴承的耗损，长时间不解决，会给设备的安全稳定运行带来很大隐患；通过采用在链条固定末端增加一个减震弹簧，以及链条导向套，有效降低链条的振动，从而降低链条上下运动带给提取车的振动、小车上托盘的抖动及链轮和轴承的耗损。

3 结束语

综上所述，可以看出通过对垂直提升货柜的可靠性设计，不仅完善了产品的功能，而且提高了产品的稳定性、安全性，降低了产品的非人为故障，节约了售后费用，从而降低设备的总成本，增加市场竞争力。

[1]杨瑞刚.《机械可靠性设计与应用》.冶金工业出版社，2008.

[2]《机械工程手册》.机械工业出版社.

[3]《物流技术与应用》.2010.