在粮食存储过程中,为了节约储运空间,提高车厢、仓库、露天堆场利用率,粮食通常采用袋装、堆垛方式放置。技术先进的自动堆垛机在我国已经有了部分应用,但多为国外引进技术。目前,国内无论是引进,还是自主研发生产的堆垛机堆码袋垛,规模普遍偏小,多限于室内应用。随着我国粮食产量的逐年上升,粮食存储问题得到了越来越多的重视,因此,开发一种适合室外大规模堆垛、自动化程度高、堆垛效率高的专用堆垛机是非常必要的。
1袋装粮食堆码存储需求及门式自动堆码机研制
本研究依托项目为交通运输部水运科学研究院前瞻性项目《堆场专用大型包装物自动堆码装置关键技术研究》,项目目标是根据粮食袋包堆存特点,开发出适合粮袋成区域、成规模堆垛的自动堆垛机械。
港口堆场作为粮食货物重要存储场所之一,其粮食袋包堆存方法具有很大的代表性。JT/T706—2007《港口货物堆垛要求》规定,对于单袋质量50kg以上,大垛堆存的粮食或饲料,堆垛型式为按照垛位使用面积,垛头顺摆1袋横摆2袋(或顺摆2袋横摆3袋),第2层横摆2袋顺摆1袋(或横摆3袋顺摆2袋),依次变层压缝摆放,顶部收缩起脊。该种袋垛摆放垛型如图1所示。

根据上述堆垛要求,项目研发了门式自动堆垛机如图2所示。其工作流程为:后方供料系统(皮带机)将袋包放置在链式提升机取包平台上,链式提升机自动运行,经过取包平台时抓取袋包并垂直提升到适合高度,给纵向皮带机喂包,袋包沿着纵向皮带机被输送到指定位置,卸包给横向皮带机,然后袋包再沿着横向皮带机被输运到指定位置,卸包给堆码机头,最后由堆码机头控制袋包下放,并完成袋包堆垛。
在工作流程中,门式自动堆垛机通过横向支撑架悬挂在升降架上,并能够沿着升降架纵向移动,堆码机头悬挂在横向支撑架上,并能够沿着横向支撑架横向移动;升降架能够沿着门式支承结构上下移动。通过3个方向移动运行,实现堆垛范围在3个方向延伸,从而完成1个袋垛堆码,并通过行走机构,实现多个袋垛堆码。
堆垛机工作过程可以分为送包和堆码袋包2个过程,其中,送包过程是为堆码袋包服务的,堆码袋包为核心工作过程。

2堆码机头设计
2.1堆码机头工作原理及流程
堆码机头作为堆垛机堆垛的执行机构,是堆垛机工作的核心部件,其设计应保证袋包按照指定顺序、方向堆码,且堆垛工作连续。堆码机头结构如图3所示,其设计工作流程如下:

袋包从横向皮带机卸下后,通过过渡滑道装置送入堆码机头的接包厢,堆码机头根据堆垛的工艺要求,进行就地开启卸包或整体回转90°后开启卸包。接包厢共4个,通过支撑结构连接在一起,间隔角为90°。当一个接包厢沿一个方向旋转90°后,下一个接包厢同时旋转,对正横向皮带机滑道装置,从而实现卸包过程的周期性循环。
2.2堆码机头设计参数
堆码机头生产效率:1200包/h,单包质量:50kg;堆垛机头回转时间:3s。
2.3旋转机构
旋转机构由电机驱动,驱动系统由电机、减速机及相关传动件组成,电机功率为0.75kW。
2.4接包厢
接包厢是整个堆码机头的核心,其设计应当满足如下要求:
(1)接包。接到来自横向皮带机袋包后,在收到袋包下放指令前,应当能够承受住袋包质量。
(2)放包。在接受袋包下放指令后,将袋包按指定方向下放。
(3)回位。袋包下放后,接包厢应能够回位,并准备接受新袋包开启下一工作循环。
为了实现上述功能,接包厢设计成闸门开闭式。接包厢工作原理图如图4所示。

卸包时,电磁铁断电,磁力消失,启闭门在袋包自重作用下开启,袋包下放。袋包卸下后,启闭门在铁质配重的作用下自动恢复到关闭状态,同时电磁铁通电,将铁质配重吸附在电磁铁底座上。启闭门开闭通过齿轮齿条传动形式实现,配重与齿条焊接连接,齿条可沿着轨道垂向运行,启闭门与半齿轮焊接连接,能够绕着中心旋转。通过配重(连同齿条)上下移动,带动齿轮并最终带动启闭门旋转,实现启闭门开闭。
为了防止袋包在接包厢上方脱落,在启闭门两侧设置挡板装置。
接包厢设计参数如下:
(1)齿轮及齿条模数:5,压力角20°。(2)齿轮分度圆直径:70mm。
(3)半齿轮及齿条齿数:5。
(4)齿条向上运动距离:62mm。
2.5堆码机头技术特点及先进性
堆垛机采用四厢旋转闸门式堆码机头,闸门由料包自重开启,由配重配合磁力锁关闭。关闭闸门的磁力锁装置采用电磁控制,易于实现自动化控制,从而实现整个堆码过程的自动化、智能化。
根据堆垛的工艺要求,四厢旋转闸门可就地开闸卸包或回转90度开闸卸包。采用四厢旋转闸门可以消除空厢回位环节,从而缩减循环时间,提高整机的生产效率。闸门式卸包装置实现了定点、定方向的规则码包,码包精度高。采用磁力锁、半齿轮齿条启闭闸门,结构简单,启闭效果好。
3门式自动堆垛机经济性分析
3.1门式自动堆垛机与传统堆垛设备经济性比较
传统堆垛工艺设备:目前,粮食袋包常用的运输、堆存方式为将袋包安装用户要求的工作方式（如每层8袋,每垛5层）自动堆叠成垛,再由人工借助叉车等辅助设备将袋包进行堆垛[1]。考虑堆垛所需工具,以2台叉车(1台TCM的5t叉车价格大概在39万左右)同时堆垛考虑,一个大型袋垛堆码设备投入约80万元左右。
门式自动码垛机:新型门式自动堆垛机,设备一次投入成本大概80万左右,单从设备投入成本上考虑,门式自动堆垛机经济性不高于传统生产工艺设备投入。
3.2作业成本比较
传统堆垛工艺作业成本[2]:传统堆垛流程卸5车皮货物,并运到库内码垛需要10名工人,2名司机。人工装卸费344元/车皮,下站运输包干105元/车皮,车辆折旧费27.5元/(台·d),共55元;车辆维修费9元/车皮(每辆车每年按8000元计算),总计2345元。
门式自动码垛机作业:新型门式自动堆垛机需要操作人员1名,司机1名。人工成本360元/d,折旧费219元/d(设备按10a计),维修费136元/d(按5万元/a计算),电费410元,总计1125元。
从作业人数,作业成本考虑,门式自动堆垛机具有很大的优势。
4应用前景
本研究提出的门式自动堆垛机,解决了粮食堆垛过程中需要现场操作人员多、生产效率低、人工劳动强度大等问题,极大地降低了堆垛作业的作业成本。特别是提出的堆码机头设计思路,较好地解决了目前堆垛机应用中存在的袋包堆放顺序不可控、袋包下放堆码不连续等问题,具有技术含量高,适用性强的特点,为大规模自动堆码机应用推广打下了良好的基础,具有广阔的应用前景。
 

作者：陈方，张飞飞

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