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在糧食存儲(chǔ)過(guò)程中,為了節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間,提高車廂、倉(cāng)庫(kù)、露天堆場(chǎng)利用率,糧食通常采用袋裝、堆垛方式放置。技術(shù)先進(jìn)的自動(dòng)堆垛機(jī)在我國(guó)已經(jīng)有了部分應(yīng)用,但多為國(guó)外引進(jìn)技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)無(wú)論是引進(jìn),還是自主研發(fā)生產(chǎn)的堆垛機(jī)堆碼袋垛,規(guī)模普遍偏小,多限于室內(nèi)應(yīng)用。隨著我國(guó)糧食產(chǎn)量的逐年上升,糧食存儲(chǔ)問(wèn)題得到了越來(lái)越多的重視,因此,開發(fā)一種適合室外大規(guī)模堆垛、自動(dòng)化程度高、堆垛效率高的專用堆垛機(jī)是非常必要的。
1袋裝糧食堆碼存儲(chǔ)需求及門式自動(dòng)堆碼機(jī)研制
本研究依托項(xiàng)目為交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院前瞻性項(xiàng)目《堆場(chǎng)專用大型包裝物自動(dòng)堆碼裝置關(guān)鍵技術(shù)研究》,項(xiàng)目目標(biāo)是根據(jù)糧食袋包堆存特點(diǎn),開發(fā)出適合糧袋成區(qū)域、成規(guī)模堆垛的自動(dòng)堆垛機(jī)械。
港口堆場(chǎng)作為糧食貨物重要存儲(chǔ)場(chǎng)所之一,其糧食袋包堆存方法具有很大的代表性。JT/T706—2007《港口貨物堆垛要求》規(guī)定,對(duì)于單袋質(zhì)量50kg以上,大垛堆存的糧食或飼料,堆垛型式為按照垛位使用面積,垛頭順擺1袋橫擺2袋(或順擺2袋橫擺3袋),第2層橫擺2袋順擺1袋(或橫擺3袋順擺2袋),依次變層壓縫擺放,頂部收縮起脊。該種袋垛擺放垛型如圖1所示。

根據(jù)上述堆垛要求,項(xiàng)目研發(fā)了門式自動(dòng)堆垛機(jī)如圖2所示。其工作流程為:后方供料系統(tǒng)(皮帶機(jī))將袋包放置在鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)取包平臺(tái)上,鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)自動(dòng)運(yùn)行,經(jīng)過(guò)取包平臺(tái)時(shí)抓取袋包并垂直提升到適合高度,給縱向皮帶機(jī)喂包,袋包沿著縱向皮帶機(jī)被輸送到指定位置,卸包給橫向皮帶機(jī),然后袋包再沿著橫向皮帶機(jī)被輸運(yùn)到指定位置,卸包給堆碼機(jī)頭,最后由堆碼機(jī)頭控制袋包下放,并完成袋包堆垛。
在工作流程中,門式自動(dòng)堆垛機(jī)通過(guò)橫向支撐架懸掛在升降架上,并能夠沿著升降架縱向移動(dòng),堆碼機(jī)頭懸掛在橫向支撐架上,并能夠沿著橫向支撐架橫向移動(dòng);升降架能夠沿著門式支承結(jié)構(gòu)上下移動(dòng)。通過(guò)3個(gè)方向移動(dòng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)堆垛范圍在3個(gè)方向延伸,從而完成1個(gè)袋垛堆碼,并通過(guò)行走機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多個(gè)袋垛堆碼。
堆垛機(jī)工作過(guò)程可以分為送包和堆碼袋包2個(gè)過(guò)程,其中,送包過(guò)程是為堆碼袋包服務(wù)的,堆碼袋包為核心工作過(guò)程。

2堆碼機(jī)頭設(shè)計(jì)
2.1堆碼機(jī)頭工作原理及流程
堆碼機(jī)頭作為堆垛機(jī)堆垛的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是堆垛機(jī)工作的核心部件,其設(shè)計(jì)應(yīng)保證袋包按照指定順序、方向堆碼,且堆垛工作連續(xù)。堆碼機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖3所示,其設(shè)計(jì)工作流程如下:

袋包從橫向皮帶機(jī)卸下后,通過(guò)過(guò)渡滑道裝置送入堆碼機(jī)頭的接包廂,堆碼機(jī)頭根據(jù)堆垛的工藝要求,進(jìn)行就地開啟卸包或整體回轉(zhuǎn)90°后開啟卸包。接包廂共4個(gè),通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)連接在一起,間隔角為90°。當(dāng)一個(gè)接包廂沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°后,下一個(gè)接包廂同時(shí)旋轉(zhuǎn),對(duì)正橫向皮帶機(jī)滑道裝置,從而實(shí)現(xiàn)卸包過(guò)程的周期性循環(huán)。
2.2堆碼機(jī)頭設(shè)計(jì)參數(shù)
堆碼機(jī)頭生產(chǎn)效率:1200包/h,單包質(zhì)量:50kg;堆垛機(jī)頭回轉(zhuǎn)時(shí)間:3s。
2.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)及相關(guān)傳動(dòng)件組成,電機(jī)功率為0.75kW。
2.4接包廂
接包廂是整個(gè)堆碼機(jī)頭的核心,其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求:
(1)接包。接到來(lái)自橫向皮帶機(jī)袋包后,在收到袋包下放指令前,應(yīng)當(dāng)能夠承受住袋包質(zhì)量。
(2)放包。在接受袋包下放指令后,將袋包按指定方向下放。
(3)回位。袋包下放后,接包廂應(yīng)能夠回位,并準(zhǔn)備接受新袋包開啟下一工作循環(huán)。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能,接包廂設(shè)計(jì)成閘門開閉式。接包廂工作原理圖如圖4所示。

卸包時(shí),電磁鐵斷電,磁力消失,啟閉門在袋包自重作用下開啟,袋包下放。袋包卸下后,啟閉門在鐵質(zhì)配重的作用下自動(dòng)恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài),同時(shí)電磁鐵通電,將鐵質(zhì)配重吸附在電磁鐵底座上。啟閉門開閉通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn),配重與齒條焊接連接,齒條可沿著軌道垂向運(yùn)行,啟閉門與半齒輪焊接連接,能夠繞著中心旋轉(zhuǎn)。通過(guò)配重(連同齒條)上下移動(dòng),帶動(dòng)齒輪并最終帶動(dòng)啟閉門旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)啟閉門開閉。
為了防止袋包在接包廂上方脫落,在啟閉門兩側(cè)設(shè)置擋板裝置。
接包廂設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
(1)齒輪及齒條模數(shù):5,壓力角20°。(2)齒輪分度圓直徑:70mm。
(3)半齒輪及齒條齒數(shù):5。
(4)齒條向上運(yùn)動(dòng)距離:62mm。
2.5堆碼機(jī)頭技術(shù)特點(diǎn)及先進(jìn)性
堆垛機(jī)采用四廂旋轉(zhuǎn)閘門式堆碼機(jī)頭,閘門由料包自重開啟,由配重配合磁力鎖關(guān)閉。關(guān)閉閘門的磁力鎖裝置采用電磁控制,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆碼過(guò)程的自動(dòng)化、智能化。
根據(jù)堆垛的工藝要求,四廂旋轉(zhuǎn)閘門可就地開閘卸包或回轉(zhuǎn)90度開閘卸包。采用四廂旋轉(zhuǎn)閘門可以消除空廂回位環(huán)節(jié),從而縮減循環(huán)時(shí)間,提高整機(jī)的生產(chǎn)效率。閘門式卸包裝置實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)、定方向的規(guī)則碼包,碼包精度高。采用磁力鎖、半齒輪齒條啟閉閘門,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,啟閉效果好。
3門式自動(dòng)堆垛機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析
3.1門式自動(dòng)堆垛機(jī)與傳統(tǒng)堆垛設(shè)備經(jīng)濟(jì)性比較
傳統(tǒng)堆垛工藝設(shè)備:目前,糧食袋包常用的運(yùn)輸、堆存方式為將袋包安裝用戶要求的工作方式（如每層8袋,每垛5層）自動(dòng)堆疊成垛,再由人工借助叉車等輔助設(shè)備將袋包進(jìn)行堆垛[1]?？紤]堆垛所需工具,以2臺(tái)叉車(1臺(tái)TCM的5t叉車價(jià)格大概在39萬(wàn)左右)同時(shí)堆垛考慮,一個(gè)大型袋垛堆碼設(shè)備投入約80萬(wàn)元左右。
門式自動(dòng)碼垛機(jī):新型門式自動(dòng)堆垛機(jī),設(shè)備一次投入成本大概80萬(wàn)左右,單從設(shè)備投入成本上考慮,門式自動(dòng)堆垛機(jī)經(jīng)濟(jì)性不高于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝設(shè)備投入。
3.2作業(yè)成本比較
傳統(tǒng)堆垛工藝作業(yè)成本[2]:傳統(tǒng)堆垛流程卸5車皮貨物,并運(yùn)到庫(kù)內(nèi)碼垛需要10名工人,2名司機(jī)。人工裝卸費(fèi)344元/車皮,下站運(yùn)輸包干105元/車皮,車輛折舊費(fèi)27.5元/(臺(tái)·d),共55元;車輛維修費(fèi)9元/車皮(每輛車每年按8000元計(jì)算),總計(jì)2345元。
門式自動(dòng)碼垛機(jī)作業(yè):新型門式自動(dòng)堆垛機(jī)需要操作人員1名,司機(jī)1名。人工成本360元/d,折舊費(fèi)219元/d(設(shè)備按10a計(jì)),維修費(fèi)136元/d(按5萬(wàn)元/a計(jì)算),電費(fèi)410元,總計(jì)1125元。
從作業(yè)人數(shù),作業(yè)成本考慮,門式自動(dòng)堆垛機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)。
4應(yīng)用前景
本研究提出的門式自動(dòng)堆垛機(jī),解決了糧食堆垛過(guò)程中需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員多、生產(chǎn)效率低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,極大地降低了堆垛作業(yè)的作業(yè)成本。特別是提出的堆碼機(jī)頭設(shè)計(jì)思路,較好地解決了目前堆垛機(jī)應(yīng)用中存在的袋包堆放順序不可控、袋包下放堆碼不連續(xù)等問(wèn)題,具有技術(shù)含量高,適用性強(qiáng)的特點(diǎn),為大規(guī)模自動(dòng)堆碼機(jī)應(yīng)用推廣打下了良好的基礎(chǔ),具有廣闊的應(yīng)用前景。
 

作者：陳方，張飛飛

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