在糧食存儲過程中,為了節約儲運空間,提高車廂、倉庫、露天堆場利用率,糧食通常采用袋裝、堆垛方式放置。技術先進的自動堆垛機在我國已經有了部分應用,但多為國外引進技術。目前,國內無論是引進,還是自主研發生產的堆垛機堆碼袋垛,規模普遍偏小,多限於室內應用。隨著我國糧食產量的逐年上升,糧食存儲問題得到了越來越多的重視,因此,開發一種適合室外大規模堆垛、自動化程度高、堆垛效率高的專用堆垛機是非常必要的。
1袋裝糧食堆碼存儲需求及門式自動堆碼機研製
本研究依托項目為交通運輸部水運科學研究院前瞻性項目《堆場專用大型包裝物自動堆碼裝置關鍵技術研究》,項目目標是根據糧食袋包堆存特點,開發出適合糧袋成區域、成規模堆垛的自動堆垛機械。
港口堆場作為糧食貨物重要存儲場所之一,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》規定,對於單袋質量50kg以上,大垛堆存的糧食或飼料,堆垛型式為按照垛位使用麵積,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。

根據上述堆垛要求,項目研發了門式自動堆垛機如圖2所示。其工作流程為:後方供料係統(皮帶機)將袋包放置在鏈式提升機取包平台上,鏈式提升機自動運行,經過取包平台時抓取袋包並垂直提升到適合高度,給縱向皮帶機喂包,袋包沿著縱向皮帶機被輸送到指定位置,卸包給橫向皮帶機,然後袋包再沿著橫向皮帶機被輸運到指定位置,卸包給堆碼機頭,最後由堆碼機頭控製袋包下放,並完成袋包堆垛。
在工作流程中,門式自動堆垛機通過橫向支撐架懸掛在升降架上,並能夠沿著升降架縱向移動,堆碼機頭懸掛在橫向支撐架上,並能夠沿著橫向支撐架橫向移動;升降架能夠沿著門式支承結構上下移動。通過3個方向移動運行,實現堆垛範圍在3個方向延伸,從而完成1個袋垛堆碼,並通過行走機構,實現多個袋垛堆碼。
堆垛機工作過程可以分為送包和堆碼袋包2個過程,其中,送包過程是為堆碼袋包服務的,堆碼袋包為核心工作過程。

2堆碼機頭設計
2.1堆碼機頭工作原理及流程
堆碼機頭作為堆垛機堆垛的執行機構,是堆垛機工作的核心部件,其設計應保證袋包按照指定順序、方向堆碼,且堆垛工作連續。堆碼機頭結構如圖3所示,其設計工作流程如下:

袋包從橫向皮帶機卸下後,通過過渡滑道裝置送入堆碼機頭的接包廂,堆碼機頭根據堆垛的工藝要求,進行就地開啟卸包或整體回轉90°後開啟卸包。接包廂共4個,通過支撐結構連接在一起,間隔角為90°。當一個接包廂沿一個方向旋轉90°後,下一個接包廂同時旋轉,對正橫向皮帶機滑道裝置,從而實現卸包過程的周期性循環。
2.2堆碼機頭設計參數
堆碼機頭生產效率:1200包/h,單包質量:50kg;堆垛機頭回轉時間:3s。
2.3旋轉機構
旋轉機構由電機驅動,驅動係統由電機、減速機及相關傳動件組成,電機功率為0.75kW。
2.4接包廂
接包廂是整個堆碼機頭的核心,其設計應當滿足如下要求:
(1)接包。接到來自橫向皮帶機袋包後,在收到袋包下放指令前,應當能夠承受住袋包質量。
(2)放包。在接受袋包下放指令後,將袋包按指定方向下放。
(3)回位。袋包下放後,接包廂應能夠回位,並準備接受新袋包開啟下一工作循環。
為了實現上述功能,接包廂設計成閘門開閉式。接包廂工作原理圖如圖4所示。

卸包時,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。袋包卸下後,啟閉門在鐵質配重的作用下自動恢複到關閉狀態,同時電磁鐵通電,將鐵質配重吸附在電磁鐵底座上。啟閉門開閉通過齒輪齒條傳動形式實現,配重與齒條焊接連接,齒條可沿著軌道垂向運行,啟閉門與半齒輪焊接連接,能夠繞著中心旋轉。通過配重(連同齒條)上下移動,帶動齒輪並最終帶動啟閉門旋轉,實現啟閉門開閉。
為了防止袋包在接包廂上方脫落,在啟閉門兩側設置擋板裝置。
接包廂設計參數如下:
(1)齒輪及齒條模數:5,壓力角20°。(2)齒輪分度圓直徑:70mm。
(3)半齒輪及齒條齒數:5。
(4)齒條向上運動距離:62mm。
2.5堆碼機頭技術特點及先進性
堆垛機采用四廂旋轉閘門式堆碼機頭,閘門由料包自重開啟,由配重配合磁力鎖關閉。關閉閘門的磁力鎖裝置采用電磁控製,易於實現自動化控製,從而實現整個堆碼過程的自動化、智能化。
根據堆垛的工藝要求,四廂旋轉閘門可就地開閘卸包或回轉90度開閘卸包。采用四廂旋轉閘門可以消除空廂回位環節,從而縮減循環時間,提高整機的生產效率。閘門式卸包裝置實現了定點、定方向的規則碼包,碼包精度高。采用磁力鎖、半齒輪齒條啟閉閘門,結構簡單,啟閉效果好。
3門式自動堆垛機經濟性分析
3.1門式自動堆垛機與傳統堆垛設備經濟性比較
傳統堆垛工藝設備:目前,糧食袋包常用的運輸、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）自動堆疊成垛,再由人工借助叉車等輔助設備將袋包進行堆垛[1]。考慮堆垛所需工具,以2台叉車(1台TCM的5t叉車價格大概在39萬左右)同時堆垛考慮,一個大型袋垛堆碼設備投入約80萬元左右。
門式自動碼垛機:新型門式自動堆垛機,設備一次投入成本大概80萬左右,單從設備投入成本上考慮,門式自動堆垛機經濟性不高於傳統生產工藝設備投入。
3.2作業成本比較
傳統堆垛工藝作業成本[2]:傳統堆垛流程卸5車皮貨物,並運到庫內碼垛需要10名工人,2名司機。人工裝卸費344元/車皮,下站運輸包幹105元/車皮,車輛折舊費27.5元/(台·d),共55元;車輛維修費9元/車皮(每輛車每年按8000元計算),總計2345元。
門式自動碼垛機作業:新型門式自動堆垛機需要操作人員1名,司機1名。人工成本360元/d,折舊費219元/d(設備按10a計),維修費136元/d(按5萬元/a計算),電費410元,總計1125元。
從作業人數,作業成本考慮,門式自動堆垛機具有很大的優勢。
4應用前景
本研究提出的門式自動堆垛機,解決了糧食堆垛過程中需要現場操作人員多、生產效率低、人工勞動強度大等問題,極大地降低了堆垛作業的作業成本。特別是提出的堆碼機頭設計思路,較好地解決了目前堆垛機應用中存在的袋包堆放順序不可控、袋包下放堆碼不連續等問題,具有技術含量高,適用性強的特點,為大規模自動堆碼機應用推廣打下了良好的基礎,具有廣闊的應用前景。
 

作者：陳方，張飛飛

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