伸縮式鏈條輸送機設計及應用

劉友朋 孫樹峰 吳宇東 趙志理

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 概述

近年來由于科學技術的發展和市場的需求，物流倉儲行業進入了快速發展時期。自動化立體倉庫是現代物流技術的重要發明，也是物流倉儲領域最主要的技術之一。自動化立體倉庫系統主要由貨架、堆垛機系統、輸送機系統、托盤、叉車（或AGV）以及計算機系控制、監控和管理系統組成。2015 年1 月1 日GB50016—2014《建筑設計防火規范》開始實施，對自動化立體倉庫的建筑消防安全做出了強制性規定。以丙二類倉庫為例，當耐火等級為一、二級別時，防火分區最大1 500 m2，超過此防火分區必須設置消防門?？紤]到消防安全要求，需要在自動化立體倉庫內設置防火卷簾門，常用的防火卷簾門厚度一般大于等于400 mm。由于自動化立體倉庫建筑面積較大，鏈條輸送機要完成外圍輸送作業往往要穿過防火卷簾門。在防火卷簾門的下方，若采用普通的鏈條輸送機，當發生火災時，由于鏈條輸送機不能移動，防火卷簾門只能落在鏈條輸送機上，無法做到完全封閉，影響自動化立體倉庫的安全，不能滿足建筑消防安全要求。普通鏈條輸送機需要加上側移、翻轉、伸縮等機構，才能實現防火卷簾門落，達到完全封閉狀態，滿足消防要求。

目前國內穿過防火卷簾門區域的鏈條輸送機有側移式鏈條輸送機和翻轉式鏈條輸送機2 種類型。2 類輸送機一定程度上能夠滿足防火卷簾門的通過要求，但在高效率要求或較寬防火卷簾門項目中，2 類輸送機各自的局限性制約了輸送系統的正常運行。

側移式鏈條輸送機是在鏈條輸送機的基礎上增加1套驅動裝置、軌道和限位機構，軌道安裝時避開防火卷簾門，通過驅動裝置可以在導軌上左右移動，與左右2 側鏈條輸送機對接。當防火卷簾門需要關閉時，側移式鏈條輸送機移出防火卷簾門下方，防火卷簾門能正常關閉。

側移式鏈條輸送機亦存在不足之處：1）每次托盤從鏈條輸送機上通過時，設備至少需要進行一次對接，降低了輸送效率，對于出入庫效率高的自動化立體倉庫，此類設備不適用；2）考慮到鏈條輸送機整體結構的穩定性，最大側移距離受輸送托盤貨物質量的限制，例如國內常用規格托盤1 200 mm×1 000 mm，貨物質量1 000 kg，為保證托盤物料安全要求側移的距離小于300 mm，對于較寬的消防門無法滿足要求。

翻轉式鏈條輸送機是在鏈條輸送機的基礎上增加一套驅動裝置、翻轉機構和到位檢測裝置。翻轉式鏈條輸送機位于防火卷簾門的正下方，設置2 套支腿，布置在防火卷簾門的兩側，1 套支腿用于翻轉時的主支承，另外1 套用于翻轉落下后共同支承。當防火卷簾門需要關閉時，驅動裝置通過鏈條帶動翻轉軸轉動，整個鏈條輸送機繞翻轉軸翻起，避開防火卷簾門區域，防火卷簾門快速落下。

翻轉式鏈條輸送機亦存在不足之處：1）翻轉時鏈條輸送機要根據防火卷簾門高度設計，翻轉時不能與之干涉，致使此類設備不適用較低的防火卷簾門門洞；2）翻轉時整個鏈條輸送機質量都由翻轉軸承載，由此產生的彎曲力矩容易造成翻轉軸彈性變形、鏈條松弛引發跳齒，進而影響翻轉效率。

1 設備組成及工作原理

根據消防要求并結合防火卷簾門的特點，提出1 種伸縮式鏈條輸送機設計。即在鏈條輸送機的基礎上增加1 套伸縮機構，與前后兩側鏈條輸送機配合。防火卷簾門開啟時，伸縮機構處于伸出狀態，托盤貨物能正常通過，實現自動化立體倉庫的輸送功能；防火卷簾門需要關閉時，伸縮機構縮回，運行過程穩定可靠，滿足消防要求。

1.1 組成

伸縮式鏈條輸送機主要由3 段分別獨立的鏈條輸送機以及1 套伸縮機構組成。3 段獨立的鏈條輸送機包括固定段鏈條輸送機（以下簡稱固定段）、伸縮段鏈條輸送機（以下簡稱伸縮段）、配合段鏈條輸送機（以下簡簡稱配合段）。伸縮機構位于固定段和伸縮段之間，通過伸縮機構驅動，伸縮段能在固定段上靈活伸出或縮回。固定段和配合段分別位于消防門的兩側，防火卷簾門中間設置伸縮段。固定段的鏈條間距較大，伸縮段的鏈條在其內側，安裝在固定段機架上方。防火卷簾門開啟時，伸縮段通過導向槽搭接在配合段鏈條機（見圖1a）；消防門關閉時，伸縮段處于固定段的內側（見圖1b）。

圖1 防火卷簾門

伸縮段的鏈條處于固定段內側，縮回狀態時，鏈條不互相干涉、伸縮自如。3 段鏈條輸送機配置獨立的驅動裝置、張緊系統等，可分別進行托盤輸送。伸縮機構由減速電動機、導軌滑塊、齒輪齒條組成，齒輪安裝在減速電動機驅動軸上，減速電動機設置在固定段機架底部，齒條安裝在伸縮段底部，齒輪與齒條嚙合，通過減速電動機轉動來驅動伸縮段進行直線運動。為了減小摩擦阻力、保證伸縮運動的直線度，伸縮段的底部安裝2條導軌，固定段的機架上安裝4 個滑塊，導軌滑塊之間滾動摩擦，較小的摩擦系數可以選配低功率電動機，以降低設備制造成本。

1.2 工作原理

伸縮段是伸縮式鏈條輸送機的核心，其結構設計是否合理是整機完成輸送目標的關鍵?；谏炜s段工作原理進行結構設計，合理布置各部件配合關系，如圖2所示。

防火卷簾門開啟時，伸縮段穿過消防門，3 段鏈條輸送機連為1 個整體，輸送托盤穿過防火卷簾門下方；防火卷簾門關閉時，伸縮段縮回，防火卷簾門落到地面上，防火分區完全隔離，符合消防要求。

當防火卷簾門需要關閉時，消防系統給PLC 發出關閉信號，PLC 要求固定段、伸縮段、配合段上的位置檢測光電傳感器檢測其上方是否有托盤，如果存在托盤，托盤快速通過防火卷簾門區域。PLC 驅動伸縮減速電動機轉動，電動機輸出軸帶動齒輪轉動，齒輪與齒條嚙合，電動機轉動轉換成直線運動，伸縮段沿齒條方向上運動，伸縮段與導軌滑塊連接，保證其運動的直線度，避免伸縮過程中發生偏移。當伸縮段脫離防火卷簾門區域到達限制位置時，伸縮段上的檢測片觸發固定段上的接近開關，伸縮減速電動機停止，伸縮動作完成，PLC 給消防系統發送信號，驅動消防電動機，防火卷簾門落到地面上，防火區域完全隔離。

當防火卷簾門開啟后，消防系統發出信號給PLC，PLC 驅動伸縮減速電動機轉動，驅動伸縮段外伸運動。伸縮段的導向槽到達固定段的導向板位置，伸縮段與配合段連接完好，檢測片觸發接近開關，伸縮減速電動機停止運動，伸出動作完成，托盤能正常輸送。

2 伸縮式鏈條輸送機結構設計

2.1 鏈條輸送機設計

在自動化立體倉庫中，鏈條輸送機的主要作用是將托盤貨物從初始位置輸送到指定位置，提高物流運輸效率。鏈條輸送機一般由驅動裝置、張緊裝置、機架、鏈條、鏈輪等組成。輸送原理為電動機驅動鏈輪帶動鏈條運動，通過托盤與鏈條之間的摩擦力，帶動托盤沿鏈條運動方向進行位移。

物流行業輸送托盤用的鏈條輸送機速度不高，但傳動扭矩和功率較大，驅動裝置采用減速電動機，通過減速電動機驅動鏈輪旋轉從而帶動驅動軸轉動，實現輸送鏈條的運行和托盤貨物的輸送。在使用的過程中由于鏈條節距受磨損逐漸伸長，影響到鏈條輸送機的正常工作，因此要設計鏈條張緊裝置。張緊裝置的設計原則是允許鏈條伸長2 節鏈條長度，以保證鏈條磨損伸長后拆除2節鏈條，鏈條輸送機仍舊能正常工作，提高鏈條的使用壽命。

機架通常由型材焊接而成，型材采用矩形鋼管，矩形鋼管上方焊接軌道槽，軌道槽里鋪耐磨材料尼龍板，輸送托盤時滾子鏈條與尼龍板頂部為滾動摩擦，可以減少鏈條磨損，降低能量損耗，提高鏈條使用壽命。鏈條的規格尺寸根據運行速度和鏈條承載進行選取，以鏈條輸送機為例，托盤貨物質量1 000 kg，運行速度0.25 m/s，為了更為緊湊的布置和增加托盤摩擦力，采用雙排鏈條10B-2。

2.2 伸縮機構設計

伸縮機構主要由減速電動機、齒輪齒條、導軌滑塊、限位裝置組成，各結構配合關系如圖3 所示。減速電動機安裝在電動機支架上，電動機支架安裝在固定段上，齒輪與減速電動機輸出軸配合安裝。齒條固定在伸縮段底部，通過齒輪驅動齒條運動以實現伸縮段動作。伸縮段的縱梁正下方安裝導軌，4 個滑塊安裝在固定段的機架上與導軌配合。導軌滑塊的安裝精度具有較高要求，其安裝板的表面應加工平整，安裝滑塊的孔設計為長圓孔，可在垂直于導軌運行方向上適當調整，抵消加工制造引起的誤差。

伸縮段鏈條底部的縱梁與上橫梁連接，形成框架結構。導軌安裝在縱梁的正下方，且運動方向與縱梁方向一致，由于滑塊的安裝尺寸較大，故安裝在固定段的機架上。伸出狀態時，固定段和伸縮段的鏈條存在部分重合，為實現托盤平穩輸送，4 排鏈條需要布置在同一水平面內。為彌補結構加工誤差，滑塊底部的橫梁端面連接板設計有長圓孔，裝配時首先將伸縮段調節至設計高度并固定，橫梁底部有細牙螺栓，可以頂住橫梁并用螺母鎖緊防止橫梁下沉。

由于自動化立體倉庫輸送設備高度要求的限制，伸縮減速電動機采用斜齒輪-傘齒輪減速電動機進行驅動，電動機固定在電動機支撐板上，電動機支架與固定段的橫梁用U 形螺栓連接，電動機支架每端安裝2 個U 形螺栓，可以沿橫梁左右滑動，調整齒輪齒條處于最佳嚙合位置，擰緊U 形螺栓以固定。采用U 形螺栓固定電動機支架，可以避免齒輪齒條安裝中間隙過大或過小等問題，保證齒輪齒條傳動系統安全可靠運行。

當伸縮機構處于伸出狀態時，伸縮段依靠4 個滑塊支承且處于懸臂狀態，故在配合段設置支承結構用于承載伸縮段的懸臂端。在伸縮段的懸臂端設計4 個導向槽，配合段首端設計2 個導向板，導向槽和導向板的外段都加工倒角，便于二者連接配合。伸縮機構伸出到達極限位置時，導向板插入導向槽，伸縮減速電動機停止運行并打開抱閘，伸縮機構沿鏈條運行方向固定，導向槽和導向板固定另外2 個方位自由度。伸縮段的懸臂端連接于配合段，3 段鏈條機固定為1 個整體，使得托盤物料順利通過防火卷簾門。

2.3 伸縮式鏈條輸送機運行特征

防火卷簾門下的鏈條輸送機采用伸縮機構，除滿足消防門通過性要求外，伸縮式鏈條輸送機還具有以下特點：

1）設備運行平穩、可靠性高。伸縮段采用齒輪齒條傳動，導軌滑塊導向，伸縮動作時摩擦力小，驅動功率顯著降低；摩擦阻力小，從而實現運行平穩、減小了運行中的沖擊和振動，安全可靠。

2）防火卷簾門寬度小于650 mm 時，設備可以適用于不同寬度的防火卷簾門，伸縮段長度標準化設計。在自動化立體倉庫中，伸縮式鏈條輸送機可以應用于不同寬度的防火卷簾門，無需更改設備尺寸，僅修改接近開關的位置即可，設備可以實現標準化設計。

3）可以跨越較大寬度的防火卷簾門。伸縮式鏈條輸送機具備大跨度伸縮能力，可以滿足特殊項目的伸縮要求，如某項目實施過程中要求伸縮距離為900 mm，僅伸縮式鏈條輸送機可以適用實施要求，側移設備、翻轉設備均難以實現此距離。

3 伸縮機構關鍵參數分析計算

導軌滑塊和伸縮減速電動機是伸縮段的重要部件，準確選型是制約伸縮式鏈條機穩定運行的關鍵因素?；诶碚摿W分析模型，結合經驗公式及設計規范進行導軌滑塊和減速電動機的參數計算，得到規格選型最優解。首先計算導軌滑塊承受的最大壓力，選型導軌滑塊，并進行校核計算；根據伸出或縮回狀態，分析齒輪承受的最大切向力，計算得到減速電動機最大扭矩，結合伸縮速度求得電動機功率，參照減速電動機規格表進行合理選型。

3.1 伸縮機構導軌滑塊選型計算

簡化導軌滑塊受力模型如圖4 所示，計算滑塊受到的最大壓力。導軌滑塊處于伸出狀態時，與配合段搭接之前，導軌懸臂處于最大位置時，滑塊受到的壓力最大，建立三維模型并求出導軌上伸縮段的重力和位置，由于加速度數值很小，慣性力對計算導軌滑塊受到的壓力影響不大，為了方便計算忽略慣性力。

圖4 導軌滑塊懸臂受力示意圖

式中：F為伸縮段所有部件的重力和，Pmax=P1最大。

考慮負載、安裝等原因，選型MSA30 導軌。當直線導軌使用在慢速運動的情況下，需要考慮安全系數。

式中：C0為基本額定靜載荷，Pmax為滾子功能部件在垂直于運功方向所受最大靜載荷.

經式（1）、式（5）計算，并查詢《機械設計手冊第二卷》直線導軌靜態安全系數表，所選導軌的靜態安全系數結果滿足要求。

3.2 伸縮機構齒輪齒條功率扭矩計算

伸縮機構上安裝2 條導軌，每條導軌配置2 個滑塊?；瑝K導軌進行伸出或縮回動作時，歷經勻加速、勻速、勻減速3 個階段。其中

式中：t1為勻加速或勻減速時間，t2為勻速時間，t為運行總時間，S為伸出或縮回時運行距離。

在勻加速時，齒輪受到的切向力最大，為伸縮段在導軌上的摩擦力和慣性力之和。

式中：μ為導軌滑塊的摩擦系數，f為伸縮段在導軌上的摩擦力，F1為齒輪受到的切向力，mg為伸縮段質量。

根據F1的計算結果選取齒輪模數。伸縮機構采用的開式齒輪齒條傳動，輪齒主要為磨損失效，模數不宜選的太小。電動機需要輸出的扭矩為

式中：T為電動機輸出的扭矩，K為安全系數，R為齒輪分度圓半徑。

電動機的最大輸出功率為

根據齒輪所需功率扭矩的結果進行減速電動機的選型。選用標準托盤尺寸及常用載重進行計算，得到伸縮扭矩為19 N·m，選用斜齒輪-傘齒輪系列減速電動機進行驅動，對照電動機規格表確定電動機功率為0.18 kW。減速電動機要帶抱閘功能，當伸縮段伸出狀態到位停止時，抱閘打開，此時伸縮段處于鎖緊狀態。

4 總結

1）根據消防要求并結合防火卷簾門的特點，提出一種伸縮式鏈條輸送機設計。設計采用齒輪齒條驅動完成伸縮動作，導軌滑塊進行導向，可實現大跨度伸縮要求，具有運行穩定可靠、標準化設計等特點，顯著提高防火卷簾門區域托盤物料輸送效率。

2）針對伸縮式鏈條輸送機關鍵部件進行分析，結合經驗公式及設計規范進行導軌滑塊和減速電動機的參數計算，得到規格選型最優解，校驗選型部件安全系數，驗證設計方案可行性。