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摘要：本文针对高速堆垛机提升同步齿形带在水平高速运行时出现的局部翻转、继而整体震荡甩动的现象，通过分析设备整体结构及运行状态提出该现象产生的诱因；并通过不同条件下样机的运行测试，确定提升同步齿形带整体震荡甩动的根本原因。最后，通过对分析结果进行工程转化，优化改进结构设计并对改进后的样机进行验证测试，最终彻底解决高速堆垛机提升同步齿形带在水平高速运行时出现的局部翻转继而整体震荡甩动的工程问题。
关键词：高速堆垛机、提升同步齿形带、翻转、震荡甩动、空气阻力
作者：郝岳强 苗鑫 郭超
东杰智能科技集团股份有限公司
一
引言
伴随国家经济发展，各行各业都在不断发展壮大，在早期规划建设的各类工业园区中，其厂房、仓库已无法满足产能快速增长的需求。其中，电子电工类行业尤为明显，基础物料种类日渐繁多、产品与半成品形式多样化、产品不断升级迭代等，均对企业硬件设施提出较大挑战。
该类型工业园区经过长期运行，目前已拥有成熟的产业链、稳定的产业模式，如果重新规划搬迁，无论对于企业还是工业园区均存在较高风险与成本。然而，产能需求的不断增长，又迫使企业不得不进行整改，或调整厂房用途，或对老旧厂房进行拆除重建等。在拆旧建新的过程中，需要统筹考虑整个企业的产能、物料等，如果要在原址建设新厂房，必须保证新厂房能够满足目前及短期内产能上涨的空间需求。在双重约束下，要求新建厂房在有限空间内不但可以存放更多物料，还必须快速进行周转，因此常规的立库设施无法满足需求。
为解决以上企业痛点问题，结合电子电工类产业优势，一种新型的高速堆垛机应运而生。这种高速堆垛机专门针对高存储密度自动化立体仓库系统研发设计，不但可以实现物料从出、入库指定工位快速搬运到立体库货架系统内特定货位进行存储，还能一次搬运多个重型料箱货物，实现节拍效率最大化。
二
设备工况介绍
本项目为高位密集立体库，立体库库内建筑尺寸为71m×27m×26m（长×宽×高），立体库内设置10套高速堆垛机系统，共计存储货位79920箱。本项目用户为电子电工类行业，物料多以小型金属元器件为主，存储料箱规格设计为600mm×400mm×400mm，单个料箱设计存放重量为100kg。立体库货架系统采用单深设计，每个货格设置6个货位，货格层数设置为37层。货架形式，如图1所示。
图1 货架形式
立体库库前设置有高速料箱输送系统，该系统与高速堆垛机对接。通过高速堆垛机系统搬运和高速料箱输送系统输送，可实现料箱快速由库内转运到车间生产线指定工位。根据项目调研数据，高速堆垛机节拍能力设计为单台单一循环为90次/小时，高速堆垛机载货台设计为3工位形式（单次最多可搬运3箱物料），高速堆垛机系统整体运行时最大效率可实现270箱/小时（货位通过预处理调配，满取满放方式）。高速堆垛机单机设计参数见表1，高速堆垛机结构形式如图2所示。
图2 高速堆垛机结构形式
表2 高速堆垛机单机设计参数
受仓库场地限制，立体库巷道规划设计净宽度为1050mm，高速堆垛机系统整体外形宽度为960mm，单侧预留安全距离仅有45mm。提升同步齿形带整体垂直布置在堆垛机侧边，上下提升带轮间距为23600mm，提升带外侧距离货物理论距离仅有165mm。提升同步齿形带截面宽度为115mm，提升同步齿形带高度方向除上下带轮位置固定外，其余均为自由状态，一旦设备在运行中提升同步齿形带出现震荡甩动且震荡甩动范围超过165mm（震荡幅度约为7‰）时，就会出现钩挂货物现象。
三
测试样机问题分析
1.运行轨道因素
高速堆垛机系统按照上述需求及运行指标进行工程化设计，测试样机制作完成后搭载在实验平台上进行测试，检测设备运行各项指标及对应运行参数，在满足设备基础运行参数运行过程中发现，高速堆垛机载货台提升同步齿形带在水平运行初期加速阶段会出现抖动翻转，随着加速完成进入高速运行时，在某一个位置会出现提升带整体大幅度震荡甩动现象，并伴随整个高速运行全程。
鉴于设备在运行测试过程中每一次出现大幅震荡甩动的位置，均在前后两个加速段固定位置，并且这两个位置刚好是轨道对接口，首先推测是因为轨道对接位置接口不平整，当设备通过接口位置时出现振动，导致提升同步齿形带震荡甩动。在试验现场，以这个诱因为问题突破口，进行一系列整改措施，比如轨道平整度、直线度调整，轨道对接口重新焊接打磨等。然而，通过整改后问题依然没有解决，设备运行到该位置后依旧开始大幅震荡甩动。为了排除轨道对接位置是否为提升同步齿形带大幅震荡甩动的诱因，对高速堆垛机测试起点终点位置进行调整，调整后运行测试发现：随着高速堆垛机起点终点位置的调整，提升同步齿形带大幅震荡甩动的位置也跟随出现变化，但与起点终点位置之间的距离保持一致。通过以上测试运行结果可知，轨道平整度直线度及对接位置，并不是提升同步齿形带在运行过程中整体出现大幅震荡甩动现象的主要诱发因素。
2.提升同步齿形带因素
排除运行轨道因素后，再从高速堆垛机系统的提升同步齿形带上寻找原因。提升同步齿形带安装在高速堆垛机侧边。当高速堆垛机在巷道内运行时提升同步齿形带迎风面为侧面（10mm厚度），提升同步齿形带整体与巷道内部的气流相互之间是切入形式，并且提升同步齿形带内外两侧面形式不同（内侧为齿形覆布结构，外侧为聚氨酯光面结构，式样如图3所示），所以可能空气阻力是高速运行中导致提升同步齿形带整体大幅震荡甩动的原因。
图3 提升同步齿形带内外侧形式
空气阻力与空气密度、空气流速及迎风面积有关，计算公式如下：
其中：C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S为物体迎风面积；v为物体与空气的相对运动速度。
从以上公式可以看出，在同一测试条件下，空气阻力系数与空气密度确定，空气阻力的大小与物体迎风面积和物体运行速度关系较大。因此，对实验平台上的样机进行第二轮验证测试，即以运行速度为变量（通过电控调整高速堆垛机运行速度）进行测试，在设定不同运行速度后测试结果见表2。
表2 不同运行速度时齿形带震荡甩动记录表
由表2可知，在运行速度降低过程中，提升同步齿形带整体震荡甩动幅度范围会不断变小。当运行速度降低到150m/min时，测试设备在运行过程中提升同步齿形带不再出现翻转震荡趋势，仅为设备运行方向正常的颤动，且颤动范围±20mm可以满足测试设备在后期项目中的实际使用。通过第二轮验证测试，最终确定提升同步齿形带在设备水平运行时震荡甩动的诱发因素为空气阻力。
3.诱发因素仿真分析
高速堆垛机系统载货台提升选用的是GPP14-115开式提升同步齿形带，其内部由若干柔性钢丝绳线性排布进行承载，钢丝绳外部为聚氨酯材料包覆。提升带整体内侧为圆弧齿形结构，使用时通过内侧圆弧齿与同步带轮啮合实现传动运行。提升同步齿形带高速运行时，圆弧齿和同步带轮啮合会出现发热现象，同时由于两者相互之间贴合严密也会有很大噪音，为了降低提升同步齿形带与同步带轮之间的噪音，提升同步齿形带内侧采用覆布工艺。提升同步齿形带内侧与外侧表面两种形态如图3所示，外侧聚氨酯带面较为光滑，内侧为覆布齿面较为粗糙。
高速堆垛机在巷道内运行时，提升同步齿形带立面纵切前方空气，相对于皮带本体来讲是内外两侧均有气流快速通过。由于提升同步齿形带内外两侧表面形式不同，内侧为覆布形式，较为粗糙，空气阻力系数C较大，所以内侧的空气阻力比外侧大。受空气阻力影响，内外侧通过的气体流速不一致，提升同步齿形带整体就会向气体流速较快的一侧偏移翻转。当提升同步齿形带整体出现翻转现象后，迎风面积S也会同步发生改变，进一步导致整体阻力继续增大，同时由于提升同步齿形带翻转迎风受力会产生一个侧向的分力，将提升同步齿形带推向外侧。截面受力状态如图4所示。
图4 提升同步齿形带截面受力状态
在单侧翻转达到极限时，提升同步齿形带在张紧拉力的作用下就会出现回弹现象，最终在气流阻力与自身张紧拉力双重作用下出现震荡摆动现象。
高速堆垛机实际使用时是在高位货架巷道中运行，货架两侧横梁上放置有塑料周转箱，货架上货物满载时巷道两侧的货物+货架支撑横梁等将会遮挡90%以上，而高速堆垛机在巷道内运行时对提升同步齿形带影响的主要因素为空气阻力，可以简化设置为空气动力学中的风洞模型进行仿真分析计算。
使用SolidWorks进行三维建模，将高速堆垛机运行巷道简化为一个水平风洞。堆垛机迎风面立柱与提升同步齿形带简化模型静止在水平风洞通道中。在实际的实验平台测试中，堆垛机水平运行速度最大为360m/min，即6m/s。因此，通过SolidWorks软件中的Flow Simulation插件设定仿真初始条件：风洞模型中入口风速设定为6m/s，出口模式为静压。风洞模型创建好后对设备运行中典型的2种状态进行仿真分析。
风洞模型状态1：设定提升同步齿形带为正常提升稳定状态（设备运行初始加速阶段），此时提升同步齿形带平行切入前方气流，模型中提升同步齿形带与设备运行方向一致。通过Flow Simulation插件运行分析可以得出，气流在通过堆垛机立柱阻挡后出现了湍流现象，正面的气流会向立柱两侧分流，且分流后两侧气压均有不同程度变化。堆垛机提升同步齿形带为平行于立柱的环形形式，一侧提升同步齿形带靠近堆垛机立柱，另一侧提升同步齿形带远离堆垛机立柱。气流受到堆垛机立柱阻挡后，靠近堆垛机立柱侧的提升同步齿形带所在区域气流压力比较稳定，远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带刚好处在湍流区域。湍流区域气流压力变化较大，同时提升同步齿形带在该区域与空气切入接触，进一步加剧了外侧提升同步齿形带两侧的气流压力变化，使该提升同步齿形带出现翻转现象。风洞模型状态1分析结果，如图5所示。
图5 风洞模型状态1分析结果
风洞模型状态2：设定堆垛机提升同步齿形带翻转45°角时（设备高速运行阶段），此时提升同步齿形带发生翻转且与前方气流呈45°夹角，模型中提升同步齿形带受到的气流阻力侧向分力最大。通过Flow Simulation插件运行分析可以看出，靠近堆垛机立柱侧的提升同步齿形带，气流通过立柱阻挡后所在区域气流压力变化不大，依旧比较稳定；远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带由于处在湍流区域且提升同步齿形带发生翻转，迎风面积S发生了变化，该位置湍流区域气流压力直接作用在提升同步齿形带翻转后的迎风面上，进一步加剧提升带的翻转与偏移。最终在气流阻力与提升同步齿形带自身张紧拉力双重作用下，出现震荡摆动现象。风洞模型状态2分析结果，如图6所示。
图6 风洞模型状态2分析结果
4.解决方案仿真分析
通过以上2种风洞模型状态分析，并结合现场样机实际测试运行结果，设备在靠近堆垛机立柱侧的提升同步齿形带，无论前进还是后退都不会出现震荡晃动现象；而远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带，无论是堆垛机前进还是后退都会出现震荡晃动现象；两者唯一不同的是，所处的气流环境。
解决远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带震荡晃动，目前指向了解决其所处的气流环境，使远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带处在一个相对稳定的气流环境中，就可以保证设备整体稳定地运行。参照靠近堆垛机立柱侧的提升同步齿形带所处环境，设置风洞模型状态3并对其进行分析。
风洞模型状态3：在堆垛机立柱侧方设置一组挡风罩，使外侧提升同步齿形带全部处在挡风罩的后方。在这种工况下通过Flow Simulation插件运行分析可以看出，在堆垛机立柱与挡风罩的迎风面气流对两者同时进行冲击，冲击产生湍流后向两侧蔓延扩散。但是由于挡风罩的阻挡，后方远离堆垛机立柱侧的提升同步齿形带区域气流压力变化相对稳定，与风洞模型状态1分析结果相比，此时整体提升同步齿形带所处的环境都相对稳定。风洞模型状态3分析结果，如图7所示。
图7 风洞模型状态3分析结果
参照风洞模型状态3分析结果，对测试现场样机进行工程转化，在原试验样机立柱位置设计增加挡风罩。挡风罩安装后继续进行高速运行测试，测试结果为：高速堆垛机系统在水平高速运行、停止以及与提升联动作业中，提升同步齿形带再也没有出现局部翻转继而整体震荡甩动的情况，整个运行过程只有轻微震颤，可满足项目使用需求。
四
结论
本文通过对高速堆垛机提升同步齿形带在水平高速运行时出现的局部翻转、继而整体震荡甩动的诱因进行逐项分析，确定是高速运行时的气流阻力导致。通过SolidWorks软件中的Flow Simulation插件进行流体仿真分析，为提升同步齿形带在水平高速运行时出现的局部翻转、继而整体震荡甩动问题的解决提供了理论依据，通过在立柱位置设计增加挡风罩后彻底解决了这一问题。同时，对于高速运行设备中相似布置的柔性体翻转、震荡甩动等工程问题的产生原因分析和解决方案制定，本文所述也具有很好的指导作用。
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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