重型驶入式仓储货架现状分析

20世纪90年代货架行业开始快速发展,政府的支持和市场的快速扩张及廉价的劳动力使得大量外商来国内投资建厂,尤其是欧美等企业带来了众多国外生产制造的货架,货架的成批量使用以及大范围的工业生产制造的序幕由此拉开[1]。历经30年的快速变革发展,货架种类已由最初的品种单一逐步发展成为基于不同物料尺寸、重量乃至存取方式而区分的多种类型货架;货架行业也由单纯的钢铁加工转变成集力学仿真计算、仓储自动化运行技术及仓储管理信息化于一身的多学科多专业的应用领域[2]。本文对我国货架业的发展过程进行阐述。

在世界范围内,货架广泛应用于制造业、批发和零售等行业,用于储存货物[3],是供产业保管物资所用的保管用具的总称,由立柱与搁板或横梁等构成[4]。 从1990年起国内开始逐步出现货架企业,迄今为止已形成规模化生产。据统计,2010—2012年之间,仓储设备的市场增幅在28%以上,行业的产值约为20亿元人民币。2012年行业发展迅猛,产值为28亿~30亿元人民币。2013年,受经济增长及投资增加的影响,货架需求进一步增长[5]。伴随不断扩大的企业规模和物流量的增加,货架已逐步走进人们的生活。

由于土地资源稀缺和仓库租金不断上涨,对仓库功能改善、仓库空间利用率提高等提出更高的要求,因而货架的使用量大幅增加。根据其密集情况,将货架分为2大类:低密度货架,优点是产品的可达性更高[6]; 高密度货架,优点是仓储的空间利用率更好[7]。

(1)选取式货架,又名重型货架。这类货架又分为横梁式货架、重型托盘式货架、窄巷式托盘货架、重型仓储物流货架、移动重型货架、抽出式货架等。货架排与排之间存在巷道,可对多种托盘货物进行直接作业,该系统存储密度最低。

(2)双深度货架作为选取式货架的变形版,每排均增加一个货位。采取后进先出的策略,可选用双深度货架,同时配置纵深式叉车作业。

(1)驶入式货架[8]。此类货架具有4个以上的存货货位,仓储系统密度较高。货位之间取消横梁,方便叉车驶入作业。叉车须从货架前方进出,所以使用先进后出策略,对于存储量大、品种简单的货物可使用本系统进行存储。

(2)贯通式货架。这种货架可以保证叉车驶入进行双向作业,能够实现货物先进先出。

(3)重力式货架[9]。此类货架是一种结合了滚筒式轨道(或滑轮)和静态货架的动态存储,相对灵活。

(4)后推式货架。后推式货架连接了倾斜轨道与嵌入式托盘小车,采用这种货架进行货物存储时,将货物置于托盘上由外侧放入,后置货物将前置货物自动向内侧推进。

驶入式货架,又名贯通式货架。作为现代广泛应用的一种高密度货架形式,在物品种类单一或仓库空间有限且土地昂贵的情况下,驶入式货架被优先考虑[10]。

根据行业规定,重型货架是指每层载货层的额定载重量超过500 kg的货架[4]。

重型驶入式货架是二战后在生产和技术进步的基础上发展起来的。在仓库业务中,美国于1963年首次采用由电脑进行控制的高架仓库;1970年我国开始对高架仓库进行研究并于1980年投产。重型驶入式货架以及高架仓库已被广泛应用在机器、轻工和化工、物流、商储等行业中。世界范围内,超过1/2的货架企业在欧洲,而最精湛的制造工艺也在欧洲及美国等国家。相比而言,我国在货架发展方面起步晚、起点低,多数技术和生产设备源于国外,设计方法也主要参考国外经验,发展滞后。

重型驶入式货架结构由立柱体、龙门梁、交叉拉杆、牛腿、货架安全装置及托盘等组成[11],如图1所示。托盘承载物体;牛腿梁将承载托盘单元货品重量的前后牛腿相连;立柱体的立柱部分与牛腿梁相连,通过底座将力传递到地面;龙门梁安装于立柱体顶部用于保证每个立柱体之间的距离;交叉拉杆和货架安全装置保证结构的可靠性、稳定性及安全性。

重型驶入式货架的设计步骤为:对托盘货品进行标准化处理[12,13,14,15],确定标准处理后的规格、载重及高度;对货架整体结构进行设计规划,包括间距、深度、 跨度、安装尺寸、空间等;对货架进行整体设计及审核,审核包括整体稳定性分析、强度校核、零部件可靠性分析及安装尺寸配合。

叉车存取方向托盘的尺寸是影响货架尺寸及叉车操作空间的参数之一,可设为W[16]。Gilbert和Rasmussen[17]的实验测试表明:放置在相邻立柱上的托盘对驶入式货架有显著影响。可设:W1为叉车的有效通行距离,所选取叉车车身的宽度决定于此;W2为相邻2通道间柱片之间的距离;W3为有效悬臂长度,W3与立柱体上承载的弯扭矩呈正比;W4为托盘在悬臂梁上的搭载尺寸,托盘在存取过程中的安全性与W4相关;W5为货物与立柱体之间的间隙,立柱片的安全性及叉车的摇摆度受W5影响。

货架荷载模型分为恒荷载、货架活荷载、竖向冲击荷载、水平荷载以及地震荷载[18]。1恒荷载:指货架结构的自重。2货架活荷载:指货架上放置的货物或托盘的重量。3竖向冲击荷载:指在存放货物时储运机械对横梁产生的冲击力。4水平荷载:指由货架结构构件的初弯曲、安装偏差、荷载偏心以及储运机械的轻度碰撞等因素所引起的水平力。5地震荷载:指由地运动引起的结构动态作用,分水平和竖向荷载。 对货架进行荷载分析及验算时仅需考虑地震的水平荷载[19]。

驶入式货架的荷载工况分为正常工况和地震工况,每种工况对应不同的荷载组合。1正常工况:货架正常承载状态应考虑恒荷载、货架活荷载、竖向冲击荷载以及水平荷载的影响。2地震工况:货架地震时的承载状态应考虑恒荷载、货架活荷载、冲击(竖向) 荷载以及地震(水平)荷载的影响[20,21]。

货架的安全性、稳定性及耐久性十分重要。根据驶入式货架的特点及其结构特性,确定计算模型,运用分析软件对货架进行建模分析,为货架的实体结构设计提供依据[22]。

利用三维建模软件,根据上文设计所设定的参数创建模型,并导入Ansys中对货架横梁上的载荷进行分析[23]。因为要分析货架结构的强度及其刚度,所以应采取上述荷载的最不利组合情况进行分析[24]。如果在最不利的情况下,分析的所得结果可以满足所需要求,那么在其他情况下也可以满足要求。

定义有限元模型的单元类型。定义包括:材料类型、截面参数、实时常数等。然后设定单元类型、自定义截面参数、实时常数、钢材类型等,进行网格的划分、施加荷载和约束。

通过对货架进行静态和动态的分析,可以判断满足现有空间和产品的存储要求[25]。根据其应力结果、整体变形以及在最不利荷载组合下的应力值及位移值, 确定其单元节点上的最大压应力和最大拉应力,以及局部最大应力和最小应力[26,27],得出是否满足强度和刚度要求。

通过有限元软件的分析处理后,可得知货架的结构是否满足刚度和强度的要求,但为了更好地保证其稳定性及安全性,须选取部分构件进行实验验证。

(1)用网线将测试仪与电脑相连接,并将测试仪与传感器连接。选择合理的位置将被测试件悬挂放置,绳索的固有频率要低于所测构件频率的10倍,防止对所测结果带来影响。

(2)根据构件的长度、大小及形状,确定测试位置和所需测试点的数目,查阅相关手册进行参数设定。

(3)用锤子击打相应测试点,将采集系统的输入信号转化为输出信号,得到模态参数和最终的频域图;对其进行频率及振型分析,从而进一步确定货架的结构是否满足刚度与强度的要求。

早期,我国多数货架的结构均源于国外货架的结构。制造设备与设计工艺技术的欠缺,使得货架结构单一;同时由于无法对结构进行精确的力学计算,不能对货架的强度及可靠性进行分析校核,因而得不出合理的架构参数。由于上述原因,为保险起见,我国的货架在选材用料方面普遍选用较粗大笨重的材料。

中国经济的快速发展,正向刺激了货架的刚性需求[28],同时要求货架生产制造企业进行产业升级。但并不是所有的企业对经济发展与市场需求都有透彻的认知;相反有些企业缺乏对转型升级的紧迫性,且技术更新的速度过慢,对物流的效率及成本的降低带来了制约。不完善的仓储业法律法规对行业的管理水平带来了影响,相关政策和市场秩序都需进一步提高和规范。

国际上货架的设计规范主要有货架制造协会标准(RMI)[29]、澳大利亚标准AS 4084[30]和欧洲标准EN 15512[31]。在国内,货架品种单一,缺乏行业规范,全国范围内的货架产品截然不同,倘若需求单位要选择不同的货架就只能选择不同的货架供应商。同时因为缺少相应的行业标准,行业门槛低,生产企业大量出现, 在货架行业中日趋白热化的竞争已成为有目共睹的事实[32]。究其原因,一是企业的发展方向不明确,二是企业对自己的能力认识不够透彻。针对目前国内货架企业发展中存在的问题,提出如下建议:

(1)加大对货架基础技术的研究投入。货架制作材料主要是冷弯薄壁型钢型材,尽可能轻是一个竞争优势[33];而钢结构与冷弯薄壁型钢的技术标准可以作为力学设计方面的主要参考[34]。由于国内货架的构件截面迥然有别,因而大量的实验研究是必不可少的, 这样才能充分保证货架的安全使用。

(2)产能增加,人工费上涨,导致货架企业的生存压力加大。针对这些问题,货架企业首先要增强企业管理,增加企业实力;同时改进制造工艺,研发新的货架形式及材料,从而提高产品质量,降低成本。

(3)货架行业产品标准的缺乏,已是行业中不争的事实,积极参与标准的制定和完善工作,尤其是制定和完善使用规范,包括使用年限、占用比例等,对行业的发展具有深远的意义[35]。

本文综述了货架行业的现状,归纳总结了货架行业的发展趋势,并对我国货架企业的未来发展提出了对策建议,旨在使货架企业健康快速发展,从而在市场中立于不败之地。