2024上海物流展|第24届亚洲国际物流技术与运输系统展览会(cemat asia)

时间：2024年11月5日－11月8日 地点：上海新国际博览中心

中国物流与采购联合会、中国机械工程学会、德国汉诺威展览公司、汉诺威米兰展览（上海）有限公司

展会介绍

亚洲物料搬运和物流技术行业 具 规 模 的国际 展 会 之一，亚洲国际物流技术与运输系统展览会（简称亚洲物流展）自2000年以来已成功举办了23届，作为德国汉诺威全球工业系列展的一员，cematasia始终秉承德国汉诺威展会科技、创新及服务的先进理念，立足中国市场，为各展商提供高端展示平台。

多穿系统设计及结构可靠性分析研究

摘要：随着设备零部件物资的日益增多，对于设备零部件物资的存储和转运需求也逐渐增加，而设备零部件由于自身特点，在其存储和转运过程中对作业设备的要求也越来越高。由于是在原有仓库进行技改，导致仓库存储空间不足。多穿系统作为一种高效、密集式智能仓储系统，越来越受到行业青睐。本文以g仓库为例，在传统的物流系统规划方案的基础上，结合有限元分析技术对g仓库建立物流系统规划方案，并通过建立多穿系统货架有限元分析模型，考虑不同工况和荷载条件，对系统的受力和变形情况进行了模拟计算，验证了多穿货架的稳定性。结果表明，和原三层货架相比，多穿系统能够提高仓储空间利用率33%，通过有限元分析技术保障了系统抗风险能力，避免一定的安全隐患。

关键词：多穿系统、有限元分析、可靠性分析

作者：余化龙1 王延伟2 赵建泉2

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一引言

随着全球物流行业的不断发展和客户需求的不断提升，物流储存和搬运效率成为了当今物流行业的关键挑战。在现代物流中，多穿系统作为一种高效、智能化的物流解决方案，吸引了越来越多的关注。多穿系统通过巧妙的设计和智能化控制，能够实现高密度的货物存储、快速搬运和高效的仓储管理，从而为物流企业提供了全新的储存和搬运方案。

二问题描述

首先，随着设备零部件物资的日益增多，对于物资的存储和转运需求也逐渐增加，所以对于高密度、自动化存储方案的需求变得日益迫切。因为不同类型和品牌的小型货物周转箱的尺寸可能存在差异，这导致货物在储存过程中难以有效地堆叠和排列，这使得仓储容量不能被充分利用[1]。因此如何科学规划高密度货架系统、满足小型货物的存储需求，并且提供新型的解决方案是本文需要解决的问题。

其次，如何对多穿系统结构的强度、稳定性和可靠性进行科学合理的验证[2]，从而满足不同用户的需求，是本文需要解决的第二个问题。

三问题解决思路

1.改进式物流系统规划步骤

首先，对规划的物流系统进行调研，收集与物流系统相关的资料。包括客户的货物种类、规格，以及仓库的平面图、立体图、结构参数和地面承重能力等数据。然后根据客户需求初步确定物流系统的总体规划，确定仓库的建设规模。

其次，设计合理的仓库布局，划分各功能区的位置。并确定多层货架的高度和位置，然后根据货物种类和存储频率，正确划分货物存储区域，提高货物存取效率。

然后，选择适合的高速穿梭车，考虑其载重能力、运行速度等因素，以满足高密度的货物存储需求。

后，使用有限元分析技术对多穿货架的结构进行模拟和分析，验证货架结构的稳定性、安全性，保证物流系统规划方案满足用户的需求。

2.多穿系统的核心设备

多穿系统是一种新型的仓储模式，用于存取50kg以下的周转箱或纸箱，其作业效率比传统的箱式堆垛机立体库提高数倍[3]。如图1所示，该系统由硬件设备系统和管理软件系统两部分组成，其中硬件设备系统包括高层立库货架、高速穿梭车、高速提升机、库端站台和外设输送系统[4]。为了实现高速存取货物的目的，系统每层配置一台或多层共用一台高速穿梭车，通过穿梭车向每层相接的库端站台取放货物，再由高速提升机与库端输送站台对接进行货物周转运输，以此完成周转箱或纸箱的快速存取作业。

图1 多穿系统结构图

(1)高速穿梭车

高速穿梭车是多穿系统的核心设备之一，用于在货架间高速完成货物的存取和搬运作业，如图2所示。因为高速穿梭车具备水平运行和货叉伸缩的动作，所以通过在货架间的轨道上往复运行，穿梭车能够快速存取货位上的货物，实现出库、入库和搬运任务。而且高速穿梭车在系统内的运行状态和任务进度可以通过监控系统进行实时监控和管理。因此，高速穿梭车在多穿系统中发挥着重要的作用，通过其快速且准确的运动和操作，实现了货物高效的存取和搬运，提升了整个系统的作业效率和效益。

图 2 高速穿梭车

(2)高速提升机

高速提升机是多穿系统中的关键设备之一，用于完成立体库货架的端部与各货架层的库端站台相接的任务，以此实现货物的快速出库和入库作业，如图3所示。高速提升机主要作用是实现货物在货架层间的往复运输，完成周转箱或纸箱的快速转运。高速提升机与库端站台相连，通过载货台上的辊道、皮带或货叉将货物接送到库端站台，并在各设备层间往复运行。高速提升机的运行速度决定了整个多穿系统的作业效率，其响应速度的快慢、定位是否精准是系统性能高低的重要体现。

图 3 高速提升机

(3)库端输送站台及周边输送机

库端输送站台是多穿系统中连接高速提升机与周边输送机的纽带，用于货物的出入库输送和缓存。库端输送站台通常采用辊道机或皮带机等多种输送形式，可以根据系统的需求和作业节拍进行调整。它与高速提升机进行对接，完成货物的接送和转运任务。周边输送机是指与高速提升机相连，执行配送、分拣等输送流程，实现系统的入库、出库和”货到人”拣选等功能的机器设备。库端输送站台和周边输送机通过与多穿系统的其他设备相连接，共同协作完成货物的运输、分拣和存储等工作。因此，库端输送站台和周边输送机是多穿系统中不可或缺的组成部分，为仓储系统提供了高效的货物输送和处理能力。

3.有限元分析技术

有限元计算方法是结构评估的有力工具，基于有限元技术的结构强度分析、可靠性分析、动力学分析等已经成为工程应用领域的关键环节，尤其是在大型、复杂结构件的优化问题方面，有限元分析已经成为必不可少的步骤。本文采用有限元分析技术验证多穿系统结构的稳定性、安全性。

四实证研究

1.需求分析

以g仓库为例，进行多穿系统规划方案研究。g仓库属砖混建筑，建设时间为2009年，总建筑面积1980m2，仓库区域长90m，宽22m，高8.5m，西侧有两扇卷闸门，尺寸为高3.9m，宽4.1m。存储物资有多种小型器材。物资品种数约为5000个，高出库品种为每天300个。为了满足g仓库的存储需求，因此本文采用改进式的物流系统规划方案设计合理的仓储方案满足g仓库的作业需求。

2.功能区划分 

根据g库房作业流程和应用需求，设置入出库作业区，库前输送区、周转箱储存区、应急作业区、应急通道、辅助用房等功能区域。

（1）库前作业区

库前作业区是库房对外交接的主要区域，用于实现物资的出入库作业、空箱存储、盘点等。库前作业区的功能主要为入库和出库。

（2）库前输送区

采用自动输送系统对入、出库的周转箱进行自动输送，主要由相关输送设备等组成。

（3）周转箱存储区

周转箱自动存储区用于周转箱物资的快速入库存储以及快速出库。该区域主要由周转箱货架、检修通道、维修平台、安全防护栏等组成。采用600mm×400mm×280mm的周转箱为存储基本单元，货架为双深位货架，储量11520个（其中中件货位3840个）。

（4）应急作业区

应急作业区用于应急拣选出库作业和设备维修作业。

（5）应急作业通道

应急作业通道连接库前作业区和库后作业区，在应急人工拣选时，利用搬运设备可以将物资快速搬运到站台发货。

（6）辅助用房

辅助用房主要用于出、入库作业单据交接、电脑办公、系统监控等。

3.g仓库多穿系统规划方案

g仓库多穿系统规划方案占地长55m、宽18m，占地面积约990m2。多穿系统提供高速穿梭车、货架，并且同时提供相关成套设备及软件控制系统。

本方案设计4个巷道穿梭车立体库，总货位数为11520个，中件货位3840个，同时提供11620个周转箱。4个巷道共计配置4台换层提升机、8台周转箱提升机。8台周转箱提升机包括4台周转箱入库提升机、4台周转箱出库提升机、8台穿梭车。货架前端设置1套周转箱输送系统，包含订单箱拣选输送线，出入库输送线。库前作业区配置1套入库站台、4套拣选操作台、1套复核包装台、1套自动称重及限高检测系统，与此同时配置相应的控制系统、辅助作业平台等，如图4所示。

图 4 方案布局图

本方案设计2层输送线，上层为待拣的周转箱线，下层为拣选完成的周转箱线，待拣的周转箱与拣选完成的周转箱互不干涉，已完成拣选的周转箱可及时返库。上层为出入库输送线，输送面高度为1050mm，主要输送库内周转箱至拣选台、入库周转箱至库内，也可将库内存储的空箱输送至拣选台及空箱集中出库口。下层为订单箱输送线，输送面高度350mm，主要输送空订单箱，将空订单箱补给至各个拣选站台，同时也可将拣选后的订单箱集中输送至集货站台。

（1）订单柔性拣选设计，可实现多样化订单拣选

单订单集中拣选模式：适用于单个订单量较大的模式。当单订单拣选量较大时，系统支持4个操作台可同时拣选一个订单，按照不同物资种类和数量均衡分到不同的拣选台同时拣选。

多订单同时拣选模式：适用于单个订单量较小的模式。当单订单拣选量较小时，系统支持4个操作台分别拣选4个不同的订单。

（2）模组化设计，每个模组可独立运行

在本方案中设计了4个巷道，每个巷道均为一个模组（图5所示），在整个存储策略中，相同设备零部件物资尽可能存放在不同的巷道、不同的层，当任务并发时，可从多处直接入库或出库（如图6所示），使系统设备的能力大化。

图 5 模组化设计图

图 6 单模组独立运行示意图

（3）输送大循环设计

4个巷道库前区输送线通过“大环线”互相连通，4个巷道与4个拣选台之间的互联互通，真正实现原箱的连续循环拣选（如图7所示），即一个拣选台拣选完成的库存箱可输送至其余拣选台进行拣选作业。可避免多重需求的库存周转箱回库后再被送至指定拣选台，可有效提高系统能力，提高系统整体出入库及拣选效率。

图 7 输送循环设计图

4.系统动线分析

如图8所示，g仓库的入库、出库动线形式为分流式，应急作业动线形式为直线型，保障了作业安全。

图 8 物流动线图

5.系统存储密度分析

本方案和改造前隔板货架进行对比分析，货架允许高度为3.1m，改造前采用高位叉车进行存取作业。货架改造前后，单个货位尺寸保持不变，即货位长度、宽度和高度都保持不变，因此可忽略货架层数和货架列数对存储密度的影响，只需要考虑巷道宽度变化对货架排数和存储密度带来的影响。存储区有效宽度为15m，改造前可布局3个巷道6排货架，改造后可布局4个巷道8排货架，总宽度为14.8m（详见表1），小于原有存储区宽度，因此和改造前相比存储密度提高33%以上。

表 1 改造前后存储区货架排列分析

6.基于有限元分析的系统可靠性验证

为了确保多穿系统货架结构的强度、以及货架的稳定性、安全性的问题，因此建立如图9所示的有限元分析模型。通过分析计算货架的立柱平行巷道方向的侧向偏转（如图10）、垂直巷道方向的侧向偏转（如图11）、平行巷道水平载荷以及垂直巷道水平载荷整体等效应力（如图12、图13），对多穿货架系统进行可靠性验证。经过有限元分析结果（详见表2），得出此方案立柱在平行巷道方向的侧向偏转、垂直巷道方向的侧向偏转以及平行和巷道水平载荷整体等效应力数据，均低于《钢货架结构设计规范cece23:90》中所要求的货架偏转大值，满足设计要求。因此该方案规划设计的多穿系统的货架结构稳定性、安全性以及可靠性均满足多穿系统运行的要求，规划方案的可靠性得以满足。

表 2 静力分析表

图 9 有限元分析模型

图 10 立柱平行巷道水平载荷时货架侧向偏转

图 11 立柱垂直巷道水平载荷时货架侧向偏转

图 12 平行巷道水平载荷时货架等效应力

图 13 垂直巷道水平载荷时货架等效应力

五结论与建议

本文通过合理的多穿系统规划方案，将不同尺寸的货物存放在合适的位置，大程度地提高g仓库的存储密度。应用多穿系统后g仓库的存储密度提高33%，同时通过有限元分析技术对多穿货架的结构进行强度、稳定性等方面的验证和优化，确保货架在承载重量的情况下保持稳定，避免一定的安全隐患。本文理论结合实际，提高了多穿系统规划方案的合理性和科学性，为其他的仓储物流系统规划提供一定的参考方向。