伸缩式链条输送机设计及应用

刘友朋 孙树峰 吴宇东 赵志理

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 概述

近年来由于科学技术的发展和市场的需求，物流仓储行业进入了快速发展时期。自动化立体仓库是现代物流技术的重要发明，也是物流仓储领域最主要的技术之一。自动化立体仓库系统主要由货架、堆垛机系统、输送机系统、托盘、叉车（或AGV）以及计算机系控制、监控和管理系统组成。2015 年1 月1 日GB50016—2014《建筑设计防火规范》开始实施，对自动化立体仓库的建筑消防安全做出了强制性规定。以丙二类仓库为例，当耐火等级为一、二级别时，防火分区最大1 500 m2，超过此防火分区必须设置消防门。考虑到消防安全要求，需要在自动化立体仓库内设置防火卷帘门，常用的防火卷帘门厚度一般大于等于400 mm。由于自动化立体仓库建筑面积较大，链条输送机要完成外围输送作业往往要穿过防火卷帘门。在防火卷帘门的下方，若采用普通的链条输送机，当发生火灾时，由于链条输送机不能移动，防火卷帘门只能落在链条输送机上，无法做到完全封闭，影响自动化立体仓库的安全，不能满足建筑消防安全要求。普通链条输送机需要加上侧移、翻转、伸缩等机构，才能实现防火卷帘门落，达到完全封闭状态，满足消防要求。

目前国内穿过防火卷帘门区域的链条输送机有侧移式链条输送机和翻转式链条输送机2 种类型。2 类输送机一定程度上能够满足防火卷帘门的通过要求，但在高效率要求或较宽防火卷帘门项目中，2 类输送机各自的局限性制约了输送系统的正常运行。

侧移式链条输送机是在链条输送机的基础上增加1套驱动装置、轨道和限位机构，轨道安装时避开防火卷帘门，通过驱动装置可以在导轨上左右移动，与左右2 侧链条输送机对接。当防火卷帘门需要关闭时，侧移式链条输送机移出防火卷帘门下方，防火卷帘门能正常关闭。

侧移式链条输送机亦存在不足之处：1）每次托盘从链条输送机上通过时，设备至少需要进行一次对接，降低了输送效率，对于出入库效率高的自动化立体仓库，此类设备不适用；2）考虑到链条输送机整体结构的稳定性，最大侧移距离受输送托盘货物质量的限制，例如国内常用规格托盘1 200 mm×1 000 mm，货物质量1 000 kg，为保证托盘物料安全要求侧移的距离小于300 mm，对于较宽的消防门无法满足要求。

翻转式链条输送机是在链条输送机的基础上增加一套驱动装置、翻转机构和到位检测装置。翻转式链条输送机位于防火卷帘门的正下方，设置2 套支腿，布置在防火卷帘门的两侧，1 套支腿用于翻转时的主支承，另外1 套用于翻转落下后共同支承。当防火卷帘门需要关闭时，驱动装置通过链条带动翻转轴转动，整个链条输送机绕翻转轴翻起，避开防火卷帘门区域，防火卷帘门快速落下。

翻转式链条输送机亦存在不足之处：1）翻转时链条输送机要根据防火卷帘门高度设计，翻转时不能与之干涉，致使此类设备不适用较低的防火卷帘门门洞；2）翻转时整个链条输送机质量都由翻转轴承载，由此产生的弯曲力矩容易造成翻转轴弹性变形、链条松弛引发跳齿，进而影响翻转效率。

1 设备组成及工作原理

根据消防要求并结合防火卷帘门的特点，提出1 种伸缩式链条输送机设计。即在链条输送机的基础上增加1 套伸缩机构，与前后两侧链条输送机配合。防火卷帘门开启时，伸缩机构处于伸出状态，托盘货物能正常通过，实现自动化立体仓库的输送功能；防火卷帘门需要关闭时，伸缩机构缩回，运行过程稳定可靠，满足消防要求。

1.1 组成

伸缩式链条输送机主要由3 段分别独立的链条输送机以及1 套伸缩机构组成。3 段独立的链条输送机包括固定段链条输送机（以下简称固定段）、伸缩段链条输送机（以下简称伸缩段）、配合段链条输送机（以下简简称配合段）。伸缩机构位于固定段和伸缩段之间，通过伸缩机构驱动，伸缩段能在固定段上灵活伸出或缩回。固定段和配合段分别位于消防门的两侧，防火卷帘门中间设置伸缩段。固定段的链条间距较大，伸缩段的链条在其内侧，安装在固定段机架上方。防火卷帘门开启时，伸缩段通过导向槽搭接在配合段链条机（见图1a）；消防门关闭时，伸缩段处于固定段的内侧（见图1b）。

图1 防火卷帘门

伸缩段的链条处于固定段内侧，缩回状态时，链条不互相干涉、伸缩自如。3 段链条输送机配置独立的驱动装置、张紧系统等，可分别进行托盘输送。伸缩机构由减速电动机、导轨滑块、齿轮齿条组成，齿轮安装在减速电动机驱动轴上，减速电动机设置在固定段机架底部，齿条安装在伸缩段底部，齿轮与齿条啮合，通过减速电动机转动来驱动伸缩段进行直线运动。为了减小摩擦阻力、保证伸缩运动的直线度，伸缩段的底部安装2条导轨，固定段的机架上安装4 个滑块，导轨滑块之间滚动摩擦，较小的摩擦系数可以选配低功率电动机，以降低设备制造成本。

1.2 工作原理

伸缩段是伸缩式链条输送机的核心，其结构设计是否合理是整机完成输送目标的关键。基于伸缩段工作原理进行结构设计，合理布置各部件配合关系，如图2所示。

防火卷帘门开启时，伸缩段穿过消防门，3 段链条输送机连为1 个整体，输送托盘穿过防火卷帘门下方；防火卷帘门关闭时，伸缩段缩回，防火卷帘门落到地面上，防火分区完全隔离，符合消防要求。

当防火卷帘门需要关闭时，消防系统给PLC 发出关闭信号，PLC 要求固定段、伸缩段、配合段上的位置检测光电传感器检测其上方是否有托盘，如果存在托盘，托盘快速通过防火卷帘门区域。PLC 驱动伸缩减速电动机转动，电动机输出轴带动齿轮转动，齿轮与齿条啮合，电动机转动转换成直线运动，伸缩段沿齿条方向上运动，伸缩段与导轨滑块连接，保证其运动的直线度，避免伸缩过程中发生偏移。当伸缩段脱离防火卷帘门区域到达限制位置时，伸缩段上的检测片触发固定段上的接近开关，伸缩减速电动机停止，伸缩动作完成，PLC 给消防系统发送信号，驱动消防电动机，防火卷帘门落到地面上，防火区域完全隔离。

当防火卷帘门开启后，消防系统发出信号给PLC，PLC 驱动伸缩减速电动机转动，驱动伸缩段外伸运动。伸缩段的导向槽到达固定段的导向板位置，伸缩段与配合段连接完好，检测片触发接近开关，伸缩减速电动机停止运动，伸出动作完成，托盘能正常输送。

2 伸缩式链条输送机结构设计

2.1 链条输送机设计

在自动化立体仓库中，链条输送机的主要作用是将托盘货物从初始位置输送到指定位置，提高物流运输效率。链条输送机一般由驱动装置、张紧装置、机架、链条、链轮等组成。输送原理为电动机驱动链轮带动链条运动，通过托盘与链条之间的摩擦力，带动托盘沿链条运动方向进行位移。

物流行业输送托盘用的链条输送机速度不高，但传动扭矩和功率较大，驱动装置采用减速电动机，通过减速电动机驱动链轮旋转从而带动驱动轴转动，实现输送链条的运行和托盘货物的输送。在使用的过程中由于链条节距受磨损逐渐伸长，影响到链条输送机的正常工作，因此要设计链条张紧装置。张紧装置的设计原则是允许链条伸长2 节链条长度，以保证链条磨损伸长后拆除2节链条，链条输送机仍旧能正常工作，提高链条的使用寿命。

机架通常由型材焊接而成，型材采用矩形钢管，矩形钢管上方焊接轨道槽，轨道槽里铺耐磨材料尼龙板，输送托盘时滚子链条与尼龙板顶部为滚动摩擦，可以减少链条磨损，降低能量损耗，提高链条使用寿命。链条的规格尺寸根据运行速度和链条承载进行选取，以链条输送机为例，托盘货物质量1 000 kg，运行速度0.25 m/s，为了更为紧凑的布置和增加托盘摩擦力，采用双排链条10B-2。

2.2 伸缩机构设计

伸缩机构主要由减速电动机、齿轮齿条、导轨滑块、限位装置组成，各结构配合关系如图3 所示。减速电动机安装在电动机支架上，电动机支架安装在固定段上，齿轮与减速电动机输出轴配合安装。齿条固定在伸缩段底部，通过齿轮驱动齿条运动以实现伸缩段动作。伸缩段的纵梁正下方安装导轨，4 个滑块安装在固定段的机架上与导轨配合。导轨滑块的安装精度具有较高要求，其安装板的表面应加工平整，安装滑块的孔设计为长圆孔，可在垂直于导轨运行方向上适当调整，抵消加工制造引起的误差。

伸缩段链条底部的纵梁与上横梁连接，形成框架结构。导轨安装在纵梁的正下方，且运动方向与纵梁方向一致，由于滑块的安装尺寸较大，故安装在固定段的机架上。伸出状态时，固定段和伸缩段的链条存在部分重合，为实现托盘平稳输送，4 排链条需要布置在同一水平面内。为弥补结构加工误差，滑块底部的横梁端面连接板设计有长圆孔，装配时首先将伸缩段调节至设计高度并固定，横梁底部有细牙螺栓，可以顶住横梁并用螺母锁紧防止横梁下沉。

由于自动化立体仓库输送设备高度要求的限制，伸缩减速电动机采用斜齿轮-伞齿轮减速电动机进行驱动，电动机固定在电动机支撑板上，电动机支架与固定段的横梁用U 形螺栓连接，电动机支架每端安装2 个U 形螺栓，可以沿横梁左右滑动，调整齿轮齿条处于最佳啮合位置，拧紧U 形螺栓以固定。采用U 形螺栓固定电动机支架，可以避免齿轮齿条安装中间隙过大或过小等问题，保证齿轮齿条传动系统安全可靠运行。

当伸缩机构处于伸出状态时，伸缩段依靠4 个滑块支承且处于悬臂状态，故在配合段设置支承结构用于承载伸缩段的悬臂端。在伸缩段的悬臂端设计4 个导向槽，配合段首端设计2 个导向板，导向槽和导向板的外段都加工倒角，便于二者连接配合。伸缩机构伸出到达极限位置时，导向板插入导向槽，伸缩减速电动机停止运行并打开抱闸，伸缩机构沿链条运行方向固定，导向槽和导向板固定另外2 个方位自由度。伸缩段的悬臂端连接于配合段，3 段链条机固定为1 个整体，使得托盘物料顺利通过防火卷帘门。

2.3 伸缩式链条输送机运行特征

防火卷帘门下的链条输送机采用伸缩机构，除满足消防门通过性要求外，伸缩式链条输送机还具有以下特点：

1）设备运行平稳、可靠性高。伸缩段采用齿轮齿条传动，导轨滑块导向，伸缩动作时摩擦力小，驱动功率显著降低；摩擦阻力小，从而实现运行平稳、减小了运行中的冲击和振动，安全可靠。

2）防火卷帘门宽度小于650 mm 时，设备可以适用于不同宽度的防火卷帘门，伸缩段长度标准化设计。在自动化立体仓库中，伸缩式链条输送机可以应用于不同宽度的防火卷帘门，无需更改设备尺寸，仅修改接近开关的位置即可，设备可以实现标准化设计。

3）可以跨越较大宽度的防火卷帘门。伸缩式链条输送机具备大跨度伸缩能力，可以满足特殊项目的伸缩要求，如某项目实施过程中要求伸缩距离为900 mm，仅伸缩式链条输送机可以适用实施要求，侧移设备、翻转设备均难以实现此距离。

3 伸缩机构关键参数分析计算

导轨滑块和伸缩减速电动机是伸缩段的重要部件，准确选型是制约伸缩式链条机稳定运行的关键因素。基于理论力学分析模型，结合经验公式及设计规范进行导轨滑块和减速电动机的参数计算，得到规格选型最优解。首先计算导轨滑块承受的最大压力，选型导轨滑块，并进行校核计算；根据伸出或缩回状态，分析齿轮承受的最大切向力，计算得到减速电动机最大扭矩，结合伸缩速度求得电动机功率，参照减速电动机规格表进行合理选型。

3.1 伸缩机构导轨滑块选型计算

简化导轨滑块受力模型如图4 所示，计算滑块受到的最大压力。导轨滑块处于伸出状态时，与配合段搭接之前，导轨悬臂处于最大位置时，滑块受到的压力最大，建立三维模型并求出导轨上伸缩段的重力和位置，由于加速度数值很小，惯性力对计算导轨滑块受到的压力影响不大，为了方便计算忽略惯性力。

图4 导轨滑块悬臂受力示意图

式中：F为伸缩段所有部件的重力和，Pmax=P1最大。

考虑负载、安装等原因，选型MSA30 导轨。当直线导轨使用在慢速运动的情况下，需要考虑安全系数。

式中：C0为基本额定静载荷，Pmax为滚子功能部件在垂直于运功方向所受最大静载荷.

经式（1）、式（5）计算，并查询《机械设计手册第二卷》直线导轨静态安全系数表，所选导轨的静态安全系数结果满足要求。

3.2 伸缩机构齿轮齿条功率扭矩计算

伸缩机构上安装2 条导轨，每条导轨配置2 个滑块。滑块导轨进行伸出或缩回动作时，历经匀加速、匀速、匀减速3 个阶段。其中

式中：t1为匀加速或匀减速时间，t2为匀速时间，t为运行总时间，S为伸出或缩回时运行距离。

在匀加速时，齿轮受到的切向力最大，为伸缩段在导轨上的摩擦力和惯性力之和。

式中：μ为导轨滑块的摩擦系数，f为伸缩段在导轨上的摩擦力，F1为齿轮受到的切向力，mg为伸缩段质量。

根据F1的计算结果选取齿轮模数。伸缩机构采用的开式齿轮齿条传动，轮齿主要为磨损失效，模数不宜选的太小。电动机需要输出的扭矩为

式中：T为电动机输出的扭矩，K为安全系数，R为齿轮分度圆半径。

电动机的最大输出功率为

根据齿轮所需功率扭矩的结果进行减速电动机的选型。选用标准托盘尺寸及常用载重进行计算，得到伸缩扭矩为19 N·m，选用斜齿轮-伞齿轮系列减速电动机进行驱动，对照电动机规格表确定电动机功率为0.18 kW。减速电动机要带抱闸功能，当伸缩段伸出状态到位停止时，抱闸打开，此时伸缩段处于锁紧状态。

4 总结

1）根据消防要求并结合防火卷帘门的特点，提出一种伸缩式链条输送机设计。设计采用齿轮齿条驱动完成伸缩动作，导轨滑块进行导向，可实现大跨度伸缩要求，具有运行稳定可靠、标准化设计等特点，显著提高防火卷帘门区域托盘物料输送效率。

2）针对伸缩式链条输送机关键部件进行分析，结合经验公式及设计规范进行导轨滑块和减速电动机的参数计算，得到规格选型最优解，校验选型部件安全系数，验证设计方案可行性。