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摘要：堆垛机是自动化立体仓库的核心物流设备，其可靠性直接影响立体仓库的工作效率。因此，分析影响可靠性的原因，进行优化改进，提高堆垛机可靠性就显得非常重要。首先，以双立柱堆垛机为例，简单地介绍了堆垛机的基本组成、各部件的功能和工作原理；然后，从车轮、轴承和驱动轴３个方面阐述了堆垛机行走机构的常见机械故障，并针对行走机构机械故障产生的原因进行了详细地分析，认为行走机构机械故障产生的原因包括设计、工艺、制造和装配４个方面；最后，针对行走机构各故障，提出了优化改进措施，可以有效降低堆垛机故障率，提高堆垛机的可靠性。特别是对行走机构结构的优化，能有效地缩短行走机构的维修时间，解决行走机构拆装困难的问题，降低经济损失。
关键词：堆垛机；行走机构；失效分析；优化
ＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｒａｖｅｌＭｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒＳｔｏｒａｇｅ／ＲｅｔｒｉｅｖａｌＭａｃｈｉｎｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳＲＭ（Ｓｔｏｒａｇｅ／ＲｅｔｒｉｅｖａｌＭａｃｈｉｎｅ）ｉｓｔｈｅｃｏｒｅｌｏｇｉｓｔｉｃｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｗａｒｅｈｏｕｓｅ．ＴｈｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗａｒｅｈｏｕｓｅｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＳＲＭ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｌｏｗｅｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔａｋｅｄｏｕｂｌｅｍａｓｔＳ／Ｒｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＳＲＭａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｏｍｅｃｏｍｍｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｉｌｕｒｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｒｅｓｔａｔｅｄｆｒｏｍｗｈｅｅｌ，ｂｅａｒｉｎｇａｎｄｄｒｉｖｅｓｈａｆｔ．Ａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅｓｏｆｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅｓｏｆｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｃｌｕｄｅｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｏｃｅｓｓ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｉｌｕｒｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｔｉｍｅｏｆｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｓｈｏｒｔｅｎｅｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｓｓｏｌｖｅｄａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓｅｓａｒｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｒａｇｅ／ｒｅｔｒｉｅｖａｌｍａｃｈｉｎｅ；ｔｒａｖｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
０引言
自动化立体仓库已广泛应用于食品、烟草、医药、化工、电子、汽车、印刷、家具、新能源等领域，并已在航空航天，金融和军事领域得到了新的发展［１］。自动化立体仓库用到的物流设备很多，其中堆垛机是最重要的搬运和存取设备，起着关键作用，是核心装备［２－３］。堆垛机具有节省仓储空间、自动化的物品分类、智能化的数据处理和管理、实时库存信息查询等优点，可以大大提高物流效率，减少资源浪费，降低生产管理成本［４－５］。堆垛机一旦出故障，对出入库影响非常大，带来一系列连锁反应，甚至产生较大的经济和信誉损失。所以对堆垛机的故障进行深入研究就尤为重要。
很多学者针对堆垛机行走机构进行了研究。文献［６－７］针对水平运行中梯形曲线与Ｓ形曲线速度控制方法存在的缺点，提出两种更优的高次函数速度控制三角函数速度控制方法，能有效地减小堆垛机在行走机构加减速运行过程中的有害振动，抑制立柱的变形和摆动。文献［８］开发了一种“侧轮同步式”堆垛机运行机构，有效地提高了堆垛机的运行效率，以满足市场对堆垛机效率越来越高的要求。文献［９］开发了一种重型堆垛机，行走机构采用了装配式轮箱结构，安装和拆卸方便，能有效缩短行走机构处故障时维修时间。文献［１０］分析了堆垛机行走轮剥落的原因，在行走轮设计时，不仅要满足强度要求，也要控制行走轮表面硬度，使之与地轨表面硬度相匹配，才能减少行走轮或轨道的磨损。这些学者们针对堆垛机行走机构进行了一些研究，但大多停留在行走机构的性能上，针对堆垛机故障的研究较少，特别是行走机构的故障。本文专门针对堆垛机行走机构的故障进行系统地分析与研究，提出设计优化的措施，提高堆垛机可靠性，以解决行走机构故障多维修时间长的问题。
１堆垛机简介
１．１堆垛机结构
堆垛机种类较多，根据立柱形式，分为单立柱堆垛机和双立柱堆垛机；根据地轨形式，分为直行堆垛机和转弯堆垛机；根据货位要求，分为单深位堆垛机和双深位堆垛机［１１］。本文主要研究双立柱堆垛机，双立柱堆垛机的特点是由下横梁、两根立柱和上横梁组成龙门架。其结构组成如图１所示，由下横梁、立柱、上横梁、载货台、行走机构、提升机构、货叉、安全防护组件、电气组件等组成。下横梁、立柱和上横梁是主结构，起支撑和承载作用。载货台是货物在堆垛机上的载体。行走机构由减速电机、驱动轴和车轮组等组成，作用是使堆垛机水平行走。提升机构由减速电机、卷筒和钢丝绳等组成，能驱动载货台做升降运动。货叉由上叉、中叉、底叉、传动机构和减速电机等组成，装在载货台上，能载着货物左右伸缩，实现取货和放货的功能。安全防护组件由爬梯平台、断绳防坠机构、防倾覆组件、防撞缓冲等组成，为堆垛机自动运行提供安全保障。电气组件由各种电气元件组成，具有通讯、控制、检测、定位和供电等作用。
１．２堆垛机工作原理
堆垛机有ＸＹＺ三个方向的运动，通过三个方向的复合运动，堆垛机能将货物从输送机交接台存入货架中任意货位，也能将货物从任意货位取出，放在交接台上。Ｘ方向指堆垛机的行走方向，通过行走机构实现；Ｙ方向指载货台升降方向，通过提升机构实现；Ｚ方向指与巷道平面垂直的方向，通过货叉实现。存货流程：堆垛机运行到交接台位置，定位准确后，货叉伸入托盘底部，提升机构做微上升运动，提起货物，然后，货叉收缩，将货物从交接台取到载货台上，接着，行走机构和提升机构同时工作，将货物运送到指定货位，定位准确后，货叉带着货物伸入货位内，提升机构做微下降运动，将货物存入货位，最后货叉收缩复位。取货流程与存货流程恰好相反。
２堆垛机行走机构失效分析
２．１堆垛机行走机构故障分类
堆垛机是结构比较复杂的自动化设备，涉及机械、电气、控制、ＩＴ等各个领域，需要每天２４小时不间断工作，工作强度大，所以工作中难免会出现各种故障而不得不停机。堆垛机各个部分均可能出现故障，文献［１２－１４］介绍了堆垛机常见的机械和电控故障，提出了日常维保要求与方法和一些改善措施。但都很少针对行走机构的故障做系统地分析与研究。行走机构是故障率较高的部件，值得做进一步研究。根据专业不同，行走机构故障可以分为机械故障、电控故障和ＩＴ故障。电控故障和ＩＴ故障通常可以通过远程解决，且调试时间不长，而机械故障经常需要较长的维护时间，响应慢。行走机构常见故障有车轮踏面损伤、轴承损坏和驱动轴表面磨损。车轮踏面损伤有多种不同的形式，如图２所示，有剥落、椭圆形滑痕、凹坑和细长横向滑痕等。行走轴承损坏一般是保持架断裂、滚子磨损、外圈开裂，如图３所示。行走驱动轴表面磨损发生在轴跟车轮孔接触面或轴跟减速机孔的接触面，光滑的轴表面变得粗糙，轴径变小，如图４所示。这些故障是堆垛机行走机构失效的根源，需针对这些故障进行分析与改进。
２．２堆垛机车轮失效分析
２．２．１轮压计算
堆垛机静止时，简化受力分析如图５所示，一些重量较轻的小件忽略不计。点Ａ和点Ｂ分别是前后车轮中心，以点Ａ为支点，根据力矩平衡有：
式中：Ｇ１为左立柱的重量；Ｇ２为下横梁的重量；Ｇ３为右立柱的重量；Ｇ４为提升总重量，包括载货台、货叉和货物的重量；Ｇ５为电控柜及平台的重量；Ｇ６为提升机构的重量；Ｇ７为上横梁的重量；Ｌ０为前后轮距；Ｌ１为左立柱重心到点Ａ的水平距离；Ｌ２为下横梁重心到点Ａ的水平距离；Ｌ３为右立柱重心到点Ａ的水平距离；Ｌ４为载货台、货叉和货物等效重心到点Ａ的水平距离，Ｌ４＝Ｌ２；Ｌ５为电控柜和平台等效重心到点Ａ的水平距离；Ｌ６为提升机构重心到点Ａ的水平距离；Ｌ７为上横梁重心到点Ａ的水平距离，Ｌ７＝Ｌ２。
根据式（１）可以推导出堆垛机静止时Ｂ点的轮压：
根据受力平衡可知堆垛机静止时点Ａ的轮压：
式中：Ｐ１为点Ａ轮压；Ｐ２为点Ｂ轮压。
堆垛机加减速时，由于惯性作用，堆垛机轮压会发生变化。由于电柜侧部件多轮压大，这里以堆垛机向电柜侧减速停车为例进行轮压分析，根据力矩平衡：
式中：ａ为行走加速度；Ｈ１为左立柱重心到ＡＢ的高度；Ｈ２为下横梁重心到ＡＢ的高度，Ｈ２近似取０；Ｈ３为右立柱重心到ＡＢ的高度；Ｈ４为载货台、货叉和货物等效重心到ＡＢ的高度；Ｈ５为电控柜和平台等效重心到ＡＢ的高度；Ｈ６为提升机构重心到ＡＢ的高度；Ｈ７为上横梁重心到ＡＢ的高度。
根据式（４）可以推导出堆垛机加减速时Ｂ点最大轮压：
根据受力平衡可知堆垛机加减速时点Ａ最小轮压：
同理，可知堆垛机加减速时点Ａ最大轮压和点Ｂ最小轮压：
２．２．２车轮强度校核
（１）疲劳强度校核
根据ＧＢ／Ｔ３８１１－２００８，车轮疲劳强度需满足下式要求：
式中：Ｐｍｅａｎ为等效工作轮压；ｋ为车轮许用比压；Ｄ为车轮踏面直径；ｌ为车轮与轨道承压面有效接触宽度；Ｃ１为转速系数；Ｃ２为车轮所在机构工作级别系数。
由式（５）～（８）和式（１０）可以整理出点Ａ和点Ｂ的等效工作轮压：
（２）静强度校核
根据ＧＢ／Ｔ３８１１－２００８，车轮静强度需满足下式要求：
式中：Ｐｍａｘ为最大轮压。
２．２．３车轮踏面剥落分析
剥落是指车轮踏面局部材料掉落，形成粗糙不平的凹坑，造成堆垛机运行时振动与异响。剥落可能原因有以下几点。
（１）强度不够。车轮需要按式（１１）～（１３）进行疲劳强度和静强度校核。在计算时，往往都根据理论数据进行计算和校核，没考虑到某些实际情况。堆垛机地轨轨顶一般都是弧形的，地轨铺设完后，为使地轨精度满足要求，一般会进行磨轨处理，轨顶会被打磨平，轨顶实际磨平宽度会比轨道理论宽度小很多，使得车轮与地轨实际有效接触宽度变小。这样车轮实际许用轮压会比理论计算许用轮压小。还有一种情况是地轨没有做磨轨处理或者磨轨时还是把轨顶磨成弧形，这样车轮和地轨是点接触，刚开始按点接触进行强度计算是满足要求的，但使用一段时间后，地轨会被慢慢的磨平，车轮和地轨变成了线接触，这时车轮与地轨实际有效接触宽度比理论宽度小很多，从而车轮实际许用轮压比理论计算许用轮压小。这些都会造成车轮使用寿命降低。
（２）车轮硬度与地轨硬度不匹配。车轮和地轨硬度是轮轨系统磨损的主要因素之一，车轮和地轨硬度合理匹配，能有效减小轮轨系统磨损，提高使用寿命。对于轨道与车轮硬度的比值（ＨＲ／ＨＷ），暂时还没有合理的规定和统一的标准。国内外许多学者针对轨道与车轮硬度匹配问题进行了大量研究，大家给出的比值范围不一，但都基本都在０．７～１．６的范围内。胡月［１５］在前人基础上进行了进一步研究，试验前ＨＲ／ＨＷ在０．７～１．６范围时，轮轨系统磨损随比值增加而增加，试验后ＨＲ／ＨＷ会发生变化，集中在０．８～１．２，试验后ＨＲ／ＨＷ对磨损无显著影响。故设计时，应尽量使ＨＲ／ＨＷ略小于１为宜，但不小于０．７。
（３）车轮淬火微裂纹。车轮踏面一般都会进行淬火处理，淬火时很可能产生微裂纹，而很多厂家，在这方面都没进行质检，就直接使用。车轮运行一段时间后，微裂纹会慢慢的扩散，最终踏面会小块地剥落。
２．２．４车轮踏面椭圆形滑痕分析
车轮踏面椭圆形滑痕是一种局部磨损，导致滑痕处曲率半径跟其他位置相差较大，使得堆垛机运行时，产生周期性的振动和异响。产生椭圆形滑痕主要有两大原因。
（１）地轨接头精度超标。地轨接头错位、直线度等超标，车轮从接头经过时，接头会给车轮造成较大的冲击，使踏面碰伤，随着车轮不断运行，碰伤处面积不断增加。
（２）急刹车时，制动器抱死，驱动轮跟地轨产生滑动摩擦，造成车轮踏面磨损。这是由于制动力矩过大，才使驱动轮产生了滑动摩擦。故制动力矩选择不能过大，在满足制动要求的前提下，还要满足以下要求:
式中：φ为黏着系数；Ｋ为黏着安全系数；μ为轴承摩擦因数；ｄ为车轮轴轴径；Ｄ为车轮直径；Ｒｍｉｎ为驱动轮最小轮压；ｉ为传动比；η为效率；Ｔｚ为制动力矩；κ为影响系数；Ｊ１为电机转子转动惯量；Ｊ２为电机轴上制动轮转动惯量；ａ１为制动平均加速度。
２．２．５车轮踏面凹坑分析
凹坑是指车轮踏面上的小坑，且凹坑表面比较光滑。凹坑的形成是由于地轨表面有硬质杂质，车轮碾压杂质时，使踏面损伤。凹坑会增大堆垛机运行时的振动与噪声。杂质来源主要有两方面：立柱中钢砂掉落到地轨表面；地轨表面焊渣未清理干净。立柱钢砂是厂内喷砂时残留的，堆垛机运行时，钢砂从立柱和下横梁的孔中掉落下来。
２．２．６车轮踏面细长横向滑痕分析
车轮踏面细长横向滑痕有个特点：沿踏面圆周方向，断续分布，发生在驱动轮上。发生该故障后，堆垛机的振动和异响是连续的。细长横向滑痕是由于堆垛机启动时，有时加速度过大，造成驱动轮在某瞬间打滑而形成。当堆垛机采用Ｓ曲线控制时，加速度是变化的，即电机启动转矩是变化的，当控制不合适，最大启动转矩超过堆垛机打滑转矩时，就会出现驱动轮打滑现象。要保证驱动轮不打滑，应满足以下条件：
式中：Ｔｍｑ为电机启动转矩；ａ２为启动平均加速度。
２．３堆垛机行走轴承失效分析
堆垛机行走轴承一般采用调心滚子轴承。堆垛机行走轴承失效形式一般是保持架开裂、滚子磨损、外圈开裂。轴承失效后往往造成行走机构异响或者卡死。堆垛机行走轴承失效主要有两方面原因：设计问题和装配问题。
只有选型足够，才能保证轴承达到预期寿命要求。根据行业经验，行走轴承的设计寿命应该在２００００ｈ以上才合适。堆垛机行走轴承转速较高，按《机械设计手册》中基本额定动载荷的公式进行轴承的选型计算即可。需要指出的是，在理论计算基础上，最好将轴承型号放大一档使用。因为轴承的安装通常达不到理论要求，使轴承实际使用寿命降低。另外，设计合适的安装游隙也很重要，过大或过小的游隙都会降低轴承使用寿命。
轴承对装配的要求较高，装配得好与坏，轴承的寿命会相差数倍。轴承需要专用的工具进行安装才能到达要求。现场维保一般不具备好的安装条件，只能靠人工用铜棒敲击，安装轴承。这样，装配时极易损伤轴承或者将轴承装斜，产生卡阻，运行一段时间后，一般先损坏保持架和滚子，进而造成外圈开裂。
２．４堆垛机行走驱动轴失效分析
行走驱动轴失效一般表现在驱动轴表面磨损，使得堆垛机行走过程中发出异响。从许多堆垛机使用情况发现，驱动轴表面磨损的原因是轴和孔配合过松，堆垛机行走换向时，轴和孔会产生相对滑动，造成磨损，当磨损达到一定程度，且堆垛机运行时，轴和孔便会发出异响。配合过松一般是加工没有达到设计精度要求造成的。驱动轴是通过一个普通平键传递扭矩的，一般采用过渡配合，就可以满足使用要求，不发生滑动。
３堆垛机行走机构优化
当行走机构出现上述故障时，通常需要对行走机构进行维修更换，而现场更换行走机构相关零部件是非常困难的。为提高行走机构可靠性和维修便利性，针对上述故障点，提出了表１所示的优化措施。表中前６类措施可以提高行走机构可靠性，降低故障率，最后一类从维修角度出发，改进设计，保证行走轮系现场拆装方便，可整体更换行走轮系，缩短现场维修时间，复杂的拆装工序可转到厂内进行。
４结束语
堆垛机常见故障种类较多，本文重点介绍了堆垛机行走机构的常见机械故障，针对各故障产生的原因从计、工艺、制造和装配的角度进行了详细分析，并逐一提出了优化改进措施。分析发现，行走机构产生故障的原因除设计不合理外，主要是制造和装配精度不达标造成的。故除了设计优化之外，重点要提高制造和装配要求，加强质检，保证各零部件加工精度满足设计要求。胀紧套连接、花键连接和轴承座孔开放式设计，这三种优化设计能有效地缩短行走机构的维修时间，解决了以往拆装困难的痛点，降低了经济损失。
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