自動化立體倉庫用堆垛機的幾種換軌方式及應(yīng)用案例

饒金海，洪 騰，李 森，方慶貴，武名虎

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著土地和人力成本的提高，自動化立體倉庫日益廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、機械、石油、化工和航空航天等行業(yè)。堆垛機具有自動化程度高，可靠性高等優(yōu)勢，是自動化立體倉庫的核心設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整座自動化立體倉庫的處理能力。

一般來說，在自動化立體倉庫中是每一個巷道配置一臺堆垛機。但是在一些對效率要求不高的場合，如油田巖心巖屑庫等，可以通過堆垛機換軌的方式，應(yīng)用少量堆垛機完成多個巷道的入出庫作業(yè)，減少堆垛機數(shù)量，從而降低投資成本。

堆垛機換軌的過程是根據(jù)設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)的指令，通過換軌的裝置或者設(shè)施，實現(xiàn)堆垛機在不同巷道之間的自動切換的過程。根據(jù)換軌的形式和方法不同，目前主流的幾種堆垛機換軌方式包括：轉(zhuǎn)軌車式換軌，道岔式換軌，U型/蛇形換軌。

1 轉(zhuǎn)軌車式換軌

轉(zhuǎn)軌車式換軌是指堆垛機通過轉(zhuǎn)軌車實現(xiàn)換軌的方式。這種方式下，在N個巷道中配置M臺堆垛機（N大于M）和1臺轉(zhuǎn)軌車，具體布局形式如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)軌車式換軌方案圖

堆垛機需要轉(zhuǎn)軌時，在設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)配下，轉(zhuǎn)軌車配合堆垛機，實現(xiàn)堆垛機在不同巷道之間的切換作業(yè)。這個過程中，轉(zhuǎn)軌車把堆垛機視為貨物來搬運。具體流程如表1所示。

相比常規(guī)堆垛機，轉(zhuǎn)軌車式的換軌在方案設(shè)計和實施過程中需要考慮的注意事項比較多：

1）堆垛機在換軌過程中要通過機械結(jié)構(gòu)保證堆垛機能夠順利從巷道內(nèi)移動到轉(zhuǎn)軌車上，也能夠從轉(zhuǎn)軌車移動到巷道內(nèi)，保證設(shè)備的安全；

表1 轉(zhuǎn)軌車式換軌的主要階段

2）堆垛機在轉(zhuǎn)軌車上的支撐方式特殊設(shè)計。常規(guī)堆垛機是靠上下水平導(dǎo)輪和天地軌作用保持堆垛機處于豎直狀態(tài)，轉(zhuǎn)軌車上沒有天軌，需要做一套支撐裝置替代上水平導(dǎo)輪來維持堆垛機的豎直狀態(tài)；

3）在換軌過程，要有一套機構(gòu)來固定轉(zhuǎn)軌車，避免堆垛機的移動使轉(zhuǎn)軌車出線偏移，造成不安全因素；

4）換軌過程中，電氣控制方面采取相應(yīng)的措施來保證堆垛機和轉(zhuǎn)軌車的相互校驗和對接；

5）每臺堆垛機都能夠在任意巷道內(nèi)正常工作，完成出入庫作業(yè)。

總而言之，轉(zhuǎn)軌車式換軌的形式，需要通過機械和電氣的方式同時保證堆垛機在換軌的過程中保持穩(wěn)定可控的狀態(tài)，以實現(xiàn)換軌的順利和可控。同時，由于每臺堆垛機都有可能在任意巷道內(nèi)作業(yè)，要求堆垛機之間的互換性高，一致性好。

2 道岔式換軌

道岔式換軌是指堆垛機通過道岔機構(gòu)實現(xiàn)換軌，這種方式類似于火車換軌。這種方式下，在N個巷道中配置N-2個道岔裝置和M臺堆垛機（N大于M），如圖2所示。

圖2 道岔式換軌方案圖

堆垛機切換巷道時，需要配合道岔機構(gòu)配合實現(xiàn)換軌。如圖3所示，道岔機構(gòu)由直段軌道、彎段軌道和一套切換裝置構(gòu)成。堆垛機需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能時，道岔機構(gòu)彎段軌道與對應(yīng)主軌道對接；堆垛機需要直行通過時，道岔機構(gòu)直段軌道與對應(yīng)主軌道對接。

圖3 道岔機構(gòu)

以圖2所示方案為例，當(dāng)堆垛機需要從2巷道轉(zhuǎn)到4巷道時，需要配合道岔機構(gòu)配合實現(xiàn)換軌。具體流程如表2所示。

堆垛機在其他巷道之間的切換與之類似。涉及到1巷道和6巷道的換軌過程會相對簡單。

相比常規(guī)堆垛機，岔道式換軌的方式在方案設(shè)計和實施過程中需要注意：

1）換軌處的天軌沒有貨架支撐，需要單獨設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)；

2）換軌處天地軌的彎道部分做處理，要保證天地軌在彎道部分的平行度；

3）換軌處天軌和地軌道岔機構(gòu)的同步性，確保換軌過程的安全可控；

4）堆垛機的上下水平導(dǎo)向輪要做成可以轉(zhuǎn)彎的機構(gòu)，保證堆垛機能順利通過彎道。

5）堆垛機在換軌處取電的問題。傳統(tǒng)的堆垛機是在每個巷道配置一個獨立的滑導(dǎo)線供電，而岔道式換軌需要在換軌的直線段（垂直于巷道方向）增加一根滑觸線供電，堆垛機上的取電裝置設(shè)置成2個，保證在換軌過程堆垛機不斷電。

表2 道岔式換軌的主要階段

3 U型/蛇形換軌

U型換軌是指相鄰兩個巷道端部連接，1臺堆垛機可以在兩個巷道中自由運行，通過U型彎道實現(xiàn)巷道的切換。1臺堆垛機負責(zé)2個巷道的存取貨作業(yè)任務(wù)。

圖4 U型換軌方案圖

這種方式不需要配置特殊的換軌裝置，需要對天地軌的彎道部分做處理，特別注意要保證天地軌在彎道部分的平行度。另外堆垛機的上下水平導(dǎo)向輪要做成可以轉(zhuǎn)彎的機構(gòu)，保證堆垛機順利通過彎道。

蛇形換軌是U型換軌的一種延伸，把堆垛機運行軌道布置成蛇形，這樣1臺堆垛機就可以負責(zé)多個相鄰巷道內(nèi)的出入庫作業(yè)。

圖5 蛇形換軌方案圖

4 各種方式的優(yōu)缺點比較

對幾種換軌方式做比較，主要的優(yōu)缺點和注意事項如表3所示。

表3 各種換軌方式的優(yōu)缺點比較

5 應(yīng)用案例

塔里木某油田公司2013年新建的巖心庫就是一個典型的應(yīng)用堆垛機換軌方案降低投資成本的案例。

該巖心庫采用的是組合橫梁式貨架，配置6個巷道，約8000個貨位，要存儲近20萬米的巖心。由于該巖心庫主要用于給地質(zhì)相關(guān)的科研人員觀察巖心使用，對出入庫效率要求不高，每天8小時300個托盤的出入庫作業(yè)量就能夠滿足使用要求。

一般來說托盤堆垛機的作業(yè)效率大于40托盤/小時。每臺堆垛機一天的作業(yè)量約為40托盤/小時×8小時=320托盤＞300托盤。單臺堆垛機能夠滿足立體庫的出入庫作業(yè)要求。

如果按照常規(guī)布局，每個巷道配置一臺堆垛機，則需要配置6臺堆垛機。

如果選擇換軌方案，可以用1臺堆垛機實現(xiàn)6個巷道內(nèi)的作業(yè)任務(wù)。

1）轉(zhuǎn)軌車式換軌

轉(zhuǎn)軌車式換軌方案，需要配置1臺轉(zhuǎn)軌車，考慮到堆垛機在換軌過程中耗時較長，大概5分鐘的換軌作業(yè)時間，需要增加1臺堆垛機，以保證滿足出入庫要求。同時，能搞保證其中一臺堆垛機出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)的整體運行。

需要配置：2臺堆垛機和1臺轉(zhuǎn)軌車。

2）道岔式換軌

道岔式換軌方案，需要配置1臺堆垛機，考慮到系統(tǒng)可靠性，再增加1臺堆垛機作為備用堆垛機。

需要配置：2臺堆垛機和4套道岔機構(gòu)。

3）U型/蛇形換軌

U型布置，需要配置3臺堆垛機。

蛇形布置，需要配置1～2臺堆垛機。

綜上，采用換軌方式，在該巖心庫中可以配置1～3堆垛機，或者2臺堆垛機配合1臺轉(zhuǎn)軌車，就可以滿足出入庫任務(wù)。后期如果效率需求增加的需求，可以根據(jù)實際情況再增加堆垛機數(shù)量。相比傳統(tǒng)的每個巷道一臺堆垛機的方案，至少節(jié)省3臺堆垛機的購置成本。

在該巖心庫自動化立體倉庫實際建設(shè)中，選用了轉(zhuǎn)軌車式換軌的方案。布置了6個巷道12排43列16層，共計8256個貨位，配置了2臺堆垛機和1臺轉(zhuǎn)軌車。目前該巖心庫已經(jīng)投入使用，滿足設(shè)計要求，使用效果良好。

6 結(jié)束語

堆垛機的換軌是堆垛機的一種靈活應(yīng)用，在發(fā)揮自動化立體倉庫自動化程度高，空間利用率高，管理精確，人力成本低等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，通過采用堆垛機換軌，在滿足自身使用需求的前提下降低了建設(shè)成本，實現(xiàn)了與用戶實際需要的緊密結(jié)合。