多進(jìn)多出循環(huán)提升機(jī)提升高度的設(shè)計(jì)研究

彭榜盈，梁海東，單朝蘭，李 海，趙曉燕

（1.普天物流技術(shù)有限公司，北京 100080；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264000）

1 產(chǎn)品需求背景描述

新建的高層建筑大型電能表倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化項(xiàng)目需要在不同樓層間垂直輸送以周轉(zhuǎn)箱為載體的電能表，且任意樓層都可同時(shí)設(shè)置出口和入口，適應(yīng)檢定出庫(kù)和檢定后回庫(kù)、電能表出庫(kù)和入庫(kù)的功能。其垂直輸送實(shí)際總效率要求大于400 箱/h。按照其功能和輸送效率要求，多進(jìn)多出的循環(huán)提升機(jī)就成了唯一選擇。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的多進(jìn)多出循環(huán)提升機(jī)最大提升高度都不超過(guò)26m，對(duì)于一些建筑高度大于26m 的高層建筑電能表倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化項(xiàng)目，如何保證在安全前提下，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出提升高度大于26m 的循環(huán)提升機(jī)，對(duì)于各物流設(shè)備制造企業(yè)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2 多進(jìn)多出循環(huán)式提升機(jī)的構(gòu)成與功能

多進(jìn)多出循環(huán)式提升機(jī)由單鏈或雙鏈組成循環(huán)提升主鏈，在鏈條上每隔一定距離懸掛一個(gè)載貨托盤(pán)，懸掛托盤(pán)的鏈條在垂直方向形成一個(gè)大的窄長(zhǎng)形回轉(zhuǎn)輸送環(huán)。為了保證鏈條運(yùn)行不擺動(dòng)，在鏈條上的每個(gè)托盤(pán)固定點(diǎn)都安裝有導(dǎo)輪。鏈條上行的一側(cè)托盤(pán)接收樓層送來(lái)的周轉(zhuǎn)箱，鏈條下行的一側(cè)托盤(pán)向各樓層送出周轉(zhuǎn)箱。在每個(gè)樓層與提升機(jī)進(jìn)出口對(duì)應(yīng)位置安裝有水平輸送設(shè)備，圖1 為提升機(jī)外觀效果圖。循環(huán)的載貨托盤(pán)是承載電能表周轉(zhuǎn)箱的載體，有梯形、梳型等結(jié)構(gòu)形式，圖2 為梯形載貨托盤(pán)的多進(jìn)多出提升機(jī)結(jié)構(gòu)圖。提升機(jī)機(jī)架上在每個(gè)樓層對(duì)應(yīng)位置安裝有伸縮的活動(dòng)對(duì)接托盤(pán)，活動(dòng)對(duì)接托盤(pán)按控制指令完成周轉(zhuǎn)箱在提升機(jī)和樓層輸送設(shè)備之間的交接?；顒?dòng)對(duì)接托盤(pán)由一對(duì)可伸縮的短輥筒組構(gòu)成。

圖1 多進(jìn)多出提升機(jī)效果圖

圖2 提升機(jī)結(jié)構(gòu)

多進(jìn)多出提升機(jī)適應(yīng)箱式物品在各樓層間的高效輸送，一般適應(yīng)于大型物流配送中心，應(yīng)對(duì)樓層多、各樓層可同時(shí)進(jìn)出物品、任意兩樓層間有輸送需求的復(fù)雜垂直輸送情況。

按樓層托盤(pán)進(jìn)出口方向不同，常用的有同側(cè)進(jìn)出和異側(cè)進(jìn)出兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖3 所示。

圖3 出入口結(jié)構(gòu)形式

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

多進(jìn)多出循環(huán)式提升機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素：

（1）多進(jìn)多出循環(huán)式提升機(jī)采用鏈條提升方式，高速時(shí)噪音比較大，輸送速度不能太高。

（2）提升鏈設(shè)計(jì)安全系數(shù)8-10，高層建筑取上限10。

（3）井道占地面積是往復(fù)式占地面積的1.5-1.7 倍。

（4）提升高度過(guò)大時(shí)，鏈條自重及負(fù)載大，鏈條磨損及鏈條受拉伸長(zhǎng)會(huì)影響同步。

（5）由于提升鏈連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，各層門(mén)不能夠采用電梯轎門(mén)自動(dòng)“開(kāi)關(guān)門(mén)機(jī)”直接帶動(dòng)，若需要安裝層門(mén)，就要對(duì)每個(gè)層門(mén)單獨(dú)控制或?qū)娱T(mén)常開(kāi)。

（6）井道常規(guī)采用四立柱加金屬蒙皮結(jié)構(gòu)。當(dāng)防火要求比較高時(shí)，需要按GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》執(zhí)行，井道采用防火材料砌成。

（7）提升高度超過(guò)30m 時(shí)，建議加裝防斷鏈墜落裝置，其功能等同于電梯的安全鉗。

（8）驅(qū)動(dòng)鏈輪軸懸臂受力，需要按機(jī)械傳動(dòng)常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 高層循環(huán)提升機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

下面對(duì)提升高度展開(kāi)設(shè)計(jì)研究與可行性分析。

4.1 已知電能計(jì)量表周轉(zhuǎn)箱及提升機(jī)部分技術(shù)參數(shù)

周轉(zhuǎn)箱滿(mǎn)載最大重量：30kg；

提升托盤(pán)自重：10kg（鋁合金梯形結(jié)構(gòu)）；提升速度：0.5m/s；

啟停加速度：0.5m/s2；

平均提升效率：≥400 箱/h。

4.2 提升鏈條結(jié)構(gòu)形式與主要參數(shù)

多進(jìn)多出循環(huán)提升機(jī)的托盤(pán)懸吊采用鏈條結(jié)構(gòu)，提升鏈按數(shù)量分單鏈和雙鏈提升兩種結(jié)構(gòu)形式。雙鏈提升結(jié)構(gòu)有利于提高提升極限高度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使用比較廣泛。本文以雙鏈提升為例展開(kāi)設(shè)計(jì)研究。

以使用比較普遍的浙江東華鏈條廠的鏈條為例，其結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示，采用單排直板套筒滾子鏈，A 系列技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 鏈條結(jié)構(gòu)

表1 鏈條主要技術(shù)參數(shù)

4.3 托盤(pán)節(jié)距設(shè)計(jì)

提升鏈上托盤(pán)節(jié)距的設(shè)計(jì)條件是：托盤(pán)節(jié)距減去周轉(zhuǎn)箱高度和安全間隔后的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)大于周轉(zhuǎn)箱從樓層輸送機(jī)的等待位輸送至伸縮托盤(pán)位的時(shí)間。

L─托盤(pán)節(jié)距（mm）；

l─周轉(zhuǎn)箱高度（mm）,最大300mm；

Δ─安全間隔（mm）,一般取200mm-300mm；

v- 提升速度，0.5m/s；

C─周轉(zhuǎn)箱水平進(jìn)入深度，取1 200mm；

v1─周轉(zhuǎn)箱水平輸送速度，0.5m/s。

由此得出：L＞C+l+Δ。

考慮滿(mǎn)足效率前提下，留有較大安全裕度，安全間隔Δ取300mm,托盤(pán)節(jié)距L＞1 800mm,取L=2 000mm。

4.4 提升鏈最大張力計(jì)算

根據(jù)以上已知參數(shù)，在常規(guī)提升極限高度25m 以上每隔5m 設(shè)定一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，即提升高度H 分別取25m、30m、35m、40m、45m、50m 六個(gè)點(diǎn)。在每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，以提升高度為橫軸，安全系數(shù)為縱軸，采用分點(diǎn)計(jì)算，描繪出不同鏈規(guī)格的安全系數(shù)─提升高度曲線(xiàn)族圖。

（1）符號(hào)意義及單位定義

H- 提升高度（m）；

q- 鏈條每米重力（N/m）；

G1- 單根鏈條自重2Hq（N）；

G2- 托盤(pán)自重，100（N）；

G3- 周轉(zhuǎn)箱最大重力，300（N）；

Fmax- 鏈條最大張力（N）；

n- 提升鏈安全系數(shù)，取10；

Q- 鏈條極限拉伸載荷（kN）；

L- 托盤(pán)節(jié)距，2（m）。

（2）鏈條張力F 計(jì)算及安全系數(shù)校核。多進(jìn)多出循環(huán)提升機(jī)系統(tǒng)由兩根鏈并行同速工作，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖5 所示。圖6 是鏈條受力簡(jiǎn)圖，鏈條張力最大部位在鏈條緊邊靠近鏈輪A 處。

以單根鏈條上升側(cè)為研究對(duì)象，勻速時(shí)鏈條的張力由A點(diǎn)以下鏈條自重、托盤(pán)重、周轉(zhuǎn)箱重、托盤(pán)吊臂導(dǎo)輪受到導(dǎo)軌的阻力及鏈條張緊力五部分組成。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，托盤(pán)吊臂滾輪受到的摩擦阻力不超過(guò)5%，垂直懸吊的鏈條張緊力調(diào)整在500N左右，兩項(xiàng)合計(jì)張力增加按10%計(jì)算，即k1=1.1。啟動(dòng)加速度為0.5m/s2，其啟動(dòng)慣性力相當(dāng)于重力的1/20，再考慮系統(tǒng)受力不均勻影響，兩項(xiàng)引起的張力增加系數(shù)k2=1.1。這樣，鏈條A點(diǎn)的最大張力Fmax 計(jì)算就簡(jiǎn)化為只考慮靜力了。

圖5 鏈條系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖6 鏈條簡(jiǎn)化受力圖

以25m 提升高度為起點(diǎn)，每隔5m 高度設(shè)一計(jì)算點(diǎn)，逐點(diǎn)計(jì)算，最大提升高度設(shè)定在50m，不同規(guī)格鏈條的最大張力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：

其他高度點(diǎn)的計(jì)算方法與此類(lèi)似，不再贅述，將計(jì)算結(jié)果列入表2。

表2 安全系數(shù)計(jì)算表

以提升高度為橫軸，安全系數(shù)為縱軸，描繪出不同規(guī)格的鏈條安全系數(shù)隨提升高度變化曲線(xiàn)圖如圖7 所示。設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同的提升高度，查曲線(xiàn)選擇合適的鏈條規(guī)格即可，簡(jiǎn)便實(shí)用。

圖7 安全系數(shù)-提升高度曲線(xiàn)圖

荷載不同時(shí)，可參照此方法重新計(jì)算，并繪制曲線(xiàn)圖，方便設(shè)計(jì)選用。

從Fmax 計(jì)算公式看出，在托盤(pán)自重和周轉(zhuǎn)箱重量不變的情況下，提升鏈最大張力取決于提升高度和鏈條規(guī)格兩大因素。隨著高度增加，鏈條自重在總重量中的占比增加。

從以上高度- 安全系數(shù)曲線(xiàn)看出，50m 高的提升機(jī)，安全系數(shù)設(shè)計(jì)為10，鏈條選用C20A-1 規(guī)格。一般的電能表計(jì)量中心倉(cāng)儲(chǔ)建筑和大部分醫(yī)院的樓層高度都不超過(guò)50m。

（3）雙鏈與單鏈提升結(jié)構(gòu)對(duì)比分析。以上是雙鏈提升機(jī)提升高度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)于單鏈提升結(jié)構(gòu)，在同等提升高度（如50m）、同等鏈規(guī)格（如C20A-1）的情況下，安全系數(shù)會(huì)明顯降低，計(jì)算如下：

由上式看出，高50m、C20A-1 鏈規(guī)格的情況下，其單鏈提升結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)只有6.1，而雙鏈提升結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)是10.5。所以，一般高層建筑提升機(jī)多采用雙鏈提升結(jié)構(gòu)。

4.5 電機(jī)功率的計(jì)算

多進(jìn)多出提升機(jī)采用雙鏈循環(huán)方式提升，鏈條規(guī)格C20A-1，雙鏈共用一臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置同速運(yùn)行，運(yùn)行曲線(xiàn)如圖8 所示，按最大提升高度50m 計(jì)算。

圖8 速度曲線(xiàn)

（1）參數(shù)代號(hào)與數(shù)值

v─提升速度，0.5(m/s)；

a─起動(dòng)加速度，0.5(m/s2)；

m1─單根鏈條質(zhì)量，m1=3.9kg/m×100m=390kg；

m2─托盤(pán)質(zhì)量，10(kg)；

m3─周轉(zhuǎn)箱質(zhì)量，30(kg)；

Σm─系統(tǒng)總質(zhì)量為2 根鏈條、全部托盤(pán)、全部周轉(zhuǎn)箱的質(zhì)量和，即:

Σm=2m1+50(m2+m3)=2 780kg；

Pmax─最大有用功率(kW)，即鏈輪對(duì)鏈條的輸出；

P─電機(jī)額定功率(kW)；

F─鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條力(N)；

ΔW─鏈輪兩側(cè)不平衡載荷(N)，取單側(cè)托盤(pán)全部滿(mǎn)盤(pán)的極端情況；

Δm─不平衡質(zhì)量(kg)；

Σm'─極端不平衡時(shí)的系統(tǒng)質(zhì)量(kg)，指提升機(jī)一側(cè)托盤(pán)全滿(mǎn)，另一側(cè)全空；

F 摩─沿程導(dǎo)論滾動(dòng)摩擦阻力(N),與荷載大小、托盤(pán)剛性、安裝垂直度等因素相關(guān)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取系統(tǒng)總重力荷載的5%；

F 張緊─鏈條張緊力(N)，設(shè)定為500N,驅(qū)動(dòng)鏈輪兩側(cè)張緊力相互抵消；

η─驅(qū)動(dòng)裝置總效率，鏈傳動(dòng)效率與電機(jī)效率之乘積，取0.83；

cosφ─功率因數(shù),取0.8。

（2）功率設(shè)計(jì)計(jì)算。兩根鏈條由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，極端工況是提升機(jī)從一層向頂層輸送，上升一側(cè)托盤(pán)全滿(mǎn)盤(pán)，下降一側(cè)全空盤(pán)，此時(shí)急停后再啟動(dòng)的啟動(dòng)功率最大，計(jì)算如下：

取額定功率7.5kW 的一檔電機(jī)。

4.6 輸送效率計(jì)算

垂直輸送速度0.5m/s，綜合利用系數(shù)η1 取0.8，托盤(pán)節(jié)距2m，則實(shí)際垂直輸送效率C 計(jì)算如下：

實(shí)際輸送效率≥400 箱/h，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)探討了多進(jìn)多出循環(huán)提升機(jī)提升高度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，總結(jié)出50m 以下提升機(jī)的安全系數(shù)- 提升高度曲線(xiàn)圖，方便鏈條選用。設(shè)計(jì)系統(tǒng)適用于高層建筑的大型電能表智能倉(cāng)儲(chǔ)、現(xiàn)代醫(yī)院物流等垂直輸送自動(dòng)化需求，實(shí)現(xiàn)了多樓層的周轉(zhuǎn)箱同時(shí)進(jìn)出，輸送能力在700 箱/h 以上。提升高度大于50m 時(shí)存在的問(wèn)題與解決措施如下：

（1）安全問(wèn)題。盡管設(shè)計(jì)已考慮10 倍的安全系數(shù)，但急停、卡鏈、零件缺陷等意外情況有可能造成斷鏈，為了防止高層墜落，需要在鏈條的上升側(cè)和下降側(cè)加裝防墜落裝置，系統(tǒng)變得很復(fù)雜，可靠性差。

（2）安裝難度。過(guò)長(zhǎng)的環(huán)形鏈及大量的托盤(pán)自重加大了安裝難度，導(dǎo)軌的直線(xiàn)度和垂直度不易保證。

（3）同步問(wèn)題。因鏈條重、荷載大，長(zhǎng)期運(yùn)行磨損大，加上因自重蠕變延伸造成鏈條伸長(zhǎng)，影響同步。

（4）啟停問(wèn)題。系統(tǒng)慣量太大，啟動(dòng)緩慢，急停沖擊大，急停后滿(mǎn)載啟動(dòng)困難。

（5）提升高度大于50m 的解決方案。少數(shù)建筑高度大于50m 時(shí)，建議采用多級(jí)接力、自動(dòng)轉(zhuǎn)接的解決方案。即采用兩臺(tái)提升機(jī)接力的形式解決50m-100m 高的垂直輸送需求。兩臺(tái)提升機(jī)在垂直面上錯(cuò)開(kāi)布局，中間交接層由一段雙線(xiàn)輸送機(jī)自動(dòng)連接。