自动化立体仓库用堆垛机的几种换轨方式及应用案例

饶金海，洪 腾，李 森，方庆贵，武名虎

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

随着土地和人力成本的提高，自动化立体仓库日益广泛地应用于食品、医药、机械、石油、化工和航空航天等行业。堆垛机具有自动化程度高，可靠性高等优势，是自动化立体仓库的核心设备，其性能的优劣直接关系到整座自动化立体仓库的处理能力。

一般来说，在自动化立体仓库中是每一个巷道配置一台堆垛机。但是在一些对效率要求不高的场合，如油田岩心岩屑库等，可以通过堆垛机换轨的方式，应用少量堆垛机完成多个巷道的入出库作业，减少堆垛机数量，从而降低投资成本。

堆垛机换轨的过程是根据设备调度系统的指令，通过换轨的装置或者设施，实现堆垛机在不同巷道之间的自动切换的过程。根据换轨的形式和方法不同，目前主流的几种堆垛机换轨方式包括：转轨车式换轨，道岔式换轨，U型/蛇形换轨。

1 转轨车式换轨

转轨车式换轨是指堆垛机通过转轨车实现换轨的方式。这种方式下，在N个巷道中配置M台堆垛机（N大于M）和1台转轨车，具体布局形式如图1所示。

图1 转轨车式换轨方案图

堆垛机需要转轨时，在设备调度系统的调配下，转轨车配合堆垛机，实现堆垛机在不同巷道之间的切换作业。这个过程中，转轨车把堆垛机视为货物来搬运。具体流程如表1所示。

相比常规堆垛机，转轨车式的换轨在方案设计和实施过程中需要考虑的注意事项比较多：

1）堆垛机在换轨过程中要通过机械结构保证堆垛机能够顺利从巷道内移动到转轨车上，也能够从转轨车移动到巷道内，保证设备的安全；

表1 转轨车式换轨的主要阶段

2）堆垛机在转轨车上的支撑方式特殊设计。常规堆垛机是靠上下水平导轮和天地轨作用保持堆垛机处于竖直状态，转轨车上没有天轨，需要做一套支撑装置替代上水平导轮来维持堆垛机的竖直状态；

3）在换轨过程，要有一套机构来固定转轨车，避免堆垛机的移动使转轨车出线偏移，造成不安全因素；

4）换轨过程中，电气控制方面采取相应的措施来保证堆垛机和转轨车的相互校验和对接；

5）每台堆垛机都能够在任意巷道内正常工作，完成出入库作业。

总而言之，转轨车式换轨的形式，需要通过机械和电气的方式同时保证堆垛机在换轨的过程中保持稳定可控的状态，以实现换轨的顺利和可控。同时，由于每台堆垛机都有可能在任意巷道内作业，要求堆垛机之间的互换性高，一致性好。

2 道岔式换轨

道岔式换轨是指堆垛机通过道岔机构实现换轨，这种方式类似于火车换轨。这种方式下，在N个巷道中配置N-2个道岔装置和M台堆垛机（N大于M），如图2所示。

图2 道岔式换轨方案图

堆垛机切换巷道时，需要配合道岔机构配合实现换轨。如图3所示，道岔机构由直段轨道、弯段轨道和一套切换装置构成。堆垛机需要实现转弯功能时，道岔机构弯段轨道与对应主轨道对接；堆垛机需要直行通过时，道岔机构直段轨道与对应主轨道对接。

图3 道岔机构

以图2所示方案为例，当堆垛机需要从2巷道转到4巷道时，需要配合道岔机构配合实现换轨。具体流程如表2所示。

堆垛机在其他巷道之间的切换与之类似。涉及到1巷道和6巷道的换轨过程会相对简单。

相比常规堆垛机，岔道式换轨的方式在方案设计和实施过程中需要注意：

1）换轨处的天轨没有货架支撑，需要单独设计支撑结构；

2）换轨处天地轨的弯道部分做处理，要保证天地轨在弯道部分的平行度；

3）换轨处天轨和地轨道岔机构的同步性，确保换轨过程的安全可控；

4）堆垛机的上下水平导向轮要做成可以转弯的机构，保证堆垛机能顺利通过弯道。

5）堆垛机在换轨处取电的问题。传统的堆垛机是在每个巷道配置一个独立的滑导线供电，而岔道式换轨需要在换轨的直线段（垂直于巷道方向）增加一根滑触线供电，堆垛机上的取电装置设置成2个，保证在换轨过程堆垛机不断电。

表2 道岔式换轨的主要阶段

3 U型/蛇形换轨

U型换轨是指相邻两个巷道端部连接，1台堆垛机可以在两个巷道中自由运行，通过U型弯道实现巷道的切换。1台堆垛机负责2个巷道的存取货作业任务。

图4 U型换轨方案图

这种方式不需要配置特殊的换轨装置，需要对天地轨的弯道部分做处理，特别注意要保证天地轨在弯道部分的平行度。另外堆垛机的上下水平导向轮要做成可以转弯的机构，保证堆垛机顺利通过弯道。

蛇形换轨是U型换轨的一种延伸，把堆垛机运行轨道布置成蛇形，这样1台堆垛机就可以负责多个相邻巷道内的出入库作业。

图5 蛇形换轨方案图

4 各种方式的优缺点比较

对几种换轨方式做比较，主要的优缺点和注意事项如表3所示。

表3 各种换轨方式的优缺点比较

5 应用案例

塔里木某油田公司2013年新建的岩心库就是一个典型的应用堆垛机换轨方案降低投资成本的案例。

该岩心库采用的是组合横梁式货架，配置6个巷道，约8000个货位，要存储近20万米的岩心。由于该岩心库主要用于给地质相关的科研人员观察岩心使用，对出入库效率要求不高，每天8小时300个托盘的出入库作业量就能够满足使用要求。

一般来说托盘堆垛机的作业效率大于40托盘/小时。每台堆垛机一天的作业量约为40托盘/小时×8小时=320托盘＞300托盘。单台堆垛机能够满足立体库的出入库作业要求。

如果按照常规布局，每个巷道配置一台堆垛机，则需要配置6台堆垛机。

如果选择换轨方案，可以用1台堆垛机实现6个巷道内的作业任务。

1）转轨车式换轨

转轨车式换轨方案，需要配置1台转轨车，考虑到堆垛机在换轨过程中耗时较长，大概5分钟的换轨作业时间，需要增加1台堆垛机，以保证满足出入库要求。同时，能搞保证其中一台堆垛机出现故障时不影响系统的整体运行。

需要配置：2台堆垛机和1台转轨车。

2）道岔式换轨

道岔式换轨方案，需要配置1台堆垛机，考虑到系统可靠性，再增加1台堆垛机作为备用堆垛机。

需要配置：2台堆垛机和4套道岔机构。

3）U型/蛇形换轨

U型布置，需要配置3台堆垛机。

蛇形布置，需要配置1～2台堆垛机。

综上，采用换轨方式，在该岩心库中可以配置1～3堆垛机，或者2台堆垛机配合1台转轨车，就可以满足出入库任务。后期如果效率需求增加的需求，可以根据实际情况再增加堆垛机数量。相比传统的每个巷道一台堆垛机的方案，至少节省3台堆垛机的购置成本。

在该岩心库自动化立体仓库实际建设中，选用了转轨车式换轨的方案。布置了6个巷道12排43列16层，共计8256个货位，配置了2台堆垛机和1台转轨车。目前该岩心库已经投入使用，满足设计要求，使用效果良好。

6 结束语

堆垛机的换轨是堆垛机的一种灵活应用，在发挥自动化立体仓库自动化程度高，空间利用率高，管理精确，人力成本低等优势的基础上，通过采用堆垛机换轨，在满足自身使用需求的前提下降低了建设成本，实现了与用户实际需要的紧密结合。