【伍强课堂:自动化立体库的设计问题】

作者:尹军琪 时间:2022/10/10 来源:伍强智能科技


01 自动化立体库的种类

       自动化立体库(AS/RS)在经历了几十年的发展后,型式和技术都发生了巨大变化。如在存取设备方面,除了传统的堆垛机外,还有各种型式的存取技术,典型的如子母车、四向穿梭车等。自动化立体库主要有以下几个大类:

       托盘式AS/RS系统:从堆垛机的载货台型式看,有单工位和多工位,有单深度和双深度等多种型式。此外,从轨道型式看,除直线型轨道外,还有转轨型、弯道型、道岔型等多种形式。货叉型式也有很多种变换。

       托盘式子母车系统:这一系统主要应用于高密度存取场合。所谓子母车包括子车和母车,母车负责将子车及货物从一个巷道移到另一巷道,子车负责将托盘送到货位储存。托盘的提升采用提升机完成。子母车系统是一种较高密度的储存系统,比普通的单深度AS/RS,其空间利用率会提升15~20%左右,理论上最大会提升30%左右。

       托盘式四向车系统:四向车与子母车的差异主要在于,穿梭小车可以完成巷道内存取,也可以自动变换巷道。既可以应用于密集存储系统,也可以更加灵活变化。四向穿梭车系统的最大优势并不在于高密度的存储,而是对环境的适应性,不同高度,不同形状的空间均可以采用四向穿梭车,这是其他技术所无法比拟的。

       Miniload系统:载荷单位一般为箱子。miniload的载货台也分为多种形式,如单工位和多工位,单深度和多深度等。相比托盘式AS/RS系统,miniload型式更加灵活多变,如货叉的型式就有货叉式、夹包式、皮带式等多种形式,此外,除固定式货叉外,还有可变宽度货叉等。

       箱式穿梭车系统:载荷单位一般为箱子。采用双向穿梭车或四向穿梭车进行货物的存取作业。与miniload一样,其货叉型式也变化多样。多用于货到人自动拣选系统。

       自动叉车立体库系统:采用自动叉车进行作业的立体库系统。原则上也可以作为自动化立体库的一个类别。由于叉车的种类不同,可以再细分为多个子类。

       KIVA系统:载荷单元为箱子。有两种主要类型:移动货架型和固定货架型。这是近年比较火热的立体库型式。

       除此之外,还有一些其他型式的立体库系统,如采用桥式或门式起重机作为存取机构的立体库,可移动式货架立体库,重力式货架立体库等,不一而足,限于篇幅,本文不再展开。

02 消防规范的理解与应用

       消防规范是影响自动化立体库设计的非常关键的因素之一。新版消防规范对此有明确的规定。目前最权威的规范主要有3个:

       建筑设计防火规范,GB50016-2014

       物流建筑设计规范,GB51157-2016

       冷库设计规范,GB50072-2010

       简单来说,对自动化立体库的面积和防火分区(丙2类,有自动喷淋),有如下规定:

       通常情况下,这是库房部分的要求,但没有规定拣选区域的要求。因此,总面积可以在此基础上再增加一部分作业区(分拣区),但也有不能通过消防审查的案例。需要注意的是,常温库的规定也适合于冷库,只是在没有自动喷淋设施情况下,采用常温规范GB50017-2014,会导致分区更小,设计限制更多罢了。

       除此之外,建筑防火规范还规定自动喷淋的间距,即3m一层的消防喷淋装置,这个对设计是有一定难度的。尤其对于一些特殊型式的立体库,存在很大的困难,如四向穿梭车立体库。在设计中要特别注意。

       在实际情况中,立体库的消防分区宽度设计要符合巷道倍数的模数关系,这是很多设计者开始不明白的地方。比如对于1200*1000的标准托盘而言,如果设计4个巷道单深度立体库,一般建筑的宽度约为20m,此时,立体库的长度最大为3000/20=150m,这就是为什么设计中巷道不能特别长的原因之一。

03 月台及停车广场设计

       立体库的月台和库前广场设计特别重要,却常常被忽视。已有文章[1]专门讨论这一问题,这里在做简要论述。

       月台有内置和外置两种主要型式,高度一般为1200mm,这是为了满足40英尺箱式货车而设计的。实际设计中,要考虑车的型式。有些市内发货月台需要停放的车都是20英尺以内的车,就没有必要设计1200mm高,而是设计为900mm更合适。而对三方物流而言,1200mm的高度更能适应多变的情况。

       对内置月台而言,门封是必要的。因此,仓库门的宽度就不宜太大和太高,一般是2400*3000mm比较合适,太大了,车尾就不能全部被挡住,从而发生冷气泄露。

       月台上的雨棚设计也很有讲究,宽度一般要超出月台边缘约4~5m比较合适,高度一般距地面5500mm比较合适,太高或太低都是不好的。

       停车位的需求对月台设计来说是非常重要的,除了尽可能多的设计停车位外,还应通过改变装卸货方式来适应业务的需求,如采用伸缩皮带机,或自动装卸货技术来提升效率,进而减少对月台数量的需求。

       广场设计也要考虑车辆的情况。对于40英尺以上的货车来说,加上车头大概达到16m米以上,这时,理论上停车场宽度要达到35以上才合格,即两倍车长再加3米的距离。而对于仅停放20英尺货车的月台,21m宽度已经是一个可用的宽度了。

       对设计者来说,了解这些数据要求是重要的,有的仓库留得少了,在使用时非常困难。有的留得太多,又造成土地的浪费。

       越是大型的立体库,停车广场越要设计合理充分,但即使对于小型立体库,也要了解其使用情况,切忌不管不顾,胡乱设计,则会非常被动。

04 库前区设计

       关于自动化立体库库前区的设计问题,包括几个方面,如输送系统、分拣区、收货区、发货区等,对于库前输送机系统已有专门文献[2]论述,这里仅择其要点进行分析。

       库前输送系统的设计,无论采用什么型式和技术,其要点是要满足货物的入库和出库流量要求。一般来说,输送系统的理论能力,要求比实际能力大15%~25%为宜,很多设计过于紧凑,其实对实际作业是不利的。

       分拣区:这是一个比较广泛的概念。既包括末端分拣,也包括拆托盘和拆箱拣选,尤其是后者,其需求随着业务的不同,差异甚大。就末端分拣而言,有各种形式的分拣技术可以使用,如交叉带分拣机、滑块式分拣机、跃起轮分拣机、矩阵式分拣机等最为常见。分拣机的设计主要要根据产品的型式和流量来进行选择,价格差异很大。分拣能力一般从几千拣到几万件不等,这对于设计者有一定的挑战。很多初始设计者不能充分了解分拣机的原理,从而做出错误的选择,这种情况也是常见的。

       收货区:收货区的大小,不仅与业务量有关,而且与业务流程有关。比如是否可以直接入库?有的业务要求到货货物要进行QC,有的要更换托盘重新码垛,有的还要做一些别的处理等,这样,收货区的大小将受到很大影响。对QC来说,有的很简单,只需要对外观进行检查,有的只要进行抽查,有的可能需要注意检查,有的还有时间存放要求等,差异很大,这在设计中是要引起注意的。

       发货区:发货区设计在很多场合并未引起注意和重视,从而导致很多问题发生。其实,发货区在整个立体库设计中占据非常重要的位置。发货区的大小固然与物流量密切相关,还与波次设计有很大关系,近年来,立体化和自动化的集货与发货,越来越受到重视,发货区的设计进入到一个新的阶段。

05 其他细节问题

1)消防喷淋

       消防喷淋在立体库设计中经常是一个令人头疼的问题。有些立体库根本无法解决这一问题。如四向穿梭车库。这不仅限制了设计的选择空间,而且也会导致很大的空间浪费。而从另一个角度看,我国现行的消防规范,或许到了需要认真关注自动化立体库需求的时候了。如何做到既合理科学,又安全有效,是我们制定消防规范时应考虑的一个关键问题。

       顺便提一下我国关于物流尤其是立体库的消防规范,由于缺乏科学依据,所有的条文基本上还是凭借一些老的经验,基于传统仓库的概念而制定的。与立体库本身的需求差距甚远。如何科学制定规范,是摆在我们面前的一个艰巨的任务,可谓任重而道远。

2)货架、货叉与托盘

       有一些细节的问题将影响总体设计。

       首先看托盘设计。托盘是立体库设计最基础的条件或最基础的工作。尽管标准托盘(即1000X1200规格的托盘)是优先考虑的选项,但对于实际使用而言,非标的情况也是非常多的,特别是制造业物流。货物单元(即托盘+单元货物)尺寸的设计要特别重视,通常情况下,立体库并不要包含所有物料,只要符合大多数货物储存即可。对堆垛机而言,托盘的设计还包括一些细节需求,如托盘型式,承载能力,叉孔高度等。以川字底托盘为例,叉孔高度往往不是由托盘载重决定的,而是由货叉高度和挠度决定的。

       再看货叉设计和选择。目前货叉的设计基本上只是一项选型的工作。采用像米亚斯、长臂猿等专业公司的货叉是一种经济而稳妥的做法。这些企业的产品手册会提供实际使用中多种规格型号的各种参数,包括伸叉长度,载荷,以及满载下的挠度等。即使这样,货叉的选择仍然是一项比较专业的工作,对工期和成本的影响还是不小的。值得注意的是,货叉的选择会影响托盘的设计,因此,只有选择好了货叉,托盘才能确定。


图1 双伸货叉示意图(来源于米亚斯)

       最后看看货架的设计,以最简单的AS/RS为例,首先,对一些非标的重型货架的设计,进行有限元分析是非常必要的,这是很多货架厂并不具备的能力。其次,货架的设计与单元货物有直接关系。一般情况下,载货单元(托盘+货物)的尺寸(长宽高)决定了货架的尺寸。需要注意的是,在确定层高(底层高度,中间层层高,顶层高度)的时候,各种尺寸设计要符合设计规范的规定。此外,由于采用组合式货架,层高一般要按照75或100的倍数设计,当然,如果货架采用定制孔的话,就没有这个限制,但这种情况很少,目前只有少数几个货架厂才能提供这种定制货架。

3)基础荷载

       立体库的基础荷载计算是一个专门的话题,也是困扰大家的一个问题。有两个参数:其一是集中荷载,其二是平均荷载。

       集中荷载一般是指一个柱脚或一个特殊的点(如提升机基座)所承受的最大荷载。这一荷载直接影响建筑物梁的设计。一般情形下,计算集中荷载时,要计算一个区域内受载荷最大的点或几个点(柱脚)。在所有货位均取最大值的工况下,计算集中荷载。当然,一般还要有一个安全系数作为保障。安全系数的选择要根据实际工况和重要程度进行选择,取值在1.2~1.4之间为宜。


       平均荷载计算公式是整个立体库区域(有的理解为货架区域)的总荷载除以其面积。总荷载包括货物及设备(货架、堆垛机、输送机等)的荷载。然而,在实际设计中,单纯的说平均荷载是容易出问题的。因为计算公式中两个参数需要明确定义。所以,在提出平均载荷的同时,还要提出计算区域的总荷载,以便建筑设计考虑。对建筑设计而言,平均荷载主要关乎桩基的设计,桩基需要承受的总荷载才是计算的所关注的。需要指出的是,由于立体库不可能做到满载(每个货位放满货物,且达到设计载荷),因此,在计算平均荷载时,安全系数应该是一个小于1的系数。具体取值在0.7~0.9之间,要根据实际情况予以确定。关于这一点,目前还存在不同的认知。

4)其它

       立体库设计需要注意的细节事项还有很多,如巷道宽度的设计,安全距离问题(多种情形下),有关托盘、输送机、载货台、货架之间的尺寸链问题,基础设计问题等,限于篇幅,本文不再一一例举,读者在设计中需要自己去体会。

参考文献:

[1] 尹军琪,仓库月台规划设计要点分析[J],物流技术与应用,2020.8(91-94)

[2] 尹军琪,自动化立体库库前输送系统的设计问题[J],伍强科微信公众号,2022.5.22

Baidu
sogou