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伍强精品课堂:物流系统设计中的安全系数问题

作者:尹军琪 时间:2022/02/11 来源:伍强智能科技

        在物流系统设计中,安全系数的设定是一个经常困扰大家的问题,不仅对于新的设计人员,也有很多老的工程师为此感到困惑。今天就几个常见的安全系数问题,谈谈我的认知,并与大家一起探讨。对与不对,还得读者自己去揣摩体会。

        1 用电负荷问题

        用电负荷是自动化物流系统经常遇到的问题,也是一个比较难的问题,一般来说,总用电负荷是将全部设备负荷累计后,乘以一个“同时系数”。所谓“同时系数”,就是设备可能同时启动的概率,这一系数要小于等于1,但到底取值多少,非常复杂,尤其在比较复杂的系统中,更是难以准确计算。以下就几个典型工况进行分析。

        立体库堆垛机系统:堆垛机的电机一般由起升、运行、货叉几部分组成,起升与运行一般会同时启动,但货叉不会,所以,计算堆垛机的用电负荷时,只要计算起升+运行电机的负荷即可。如果一个系统有多台堆垛机,存在同时工作的概率是很高的(分区工作的情形有例外),因此,一般情况下,堆垛机的用电负荷是每台堆垛机的起升+运行电机,乘以台数。

        托盘输送机系统:托盘输送机是自动化立体库不可缺少的外围设备。要计算托盘输送机系统的“同时系数”就比较困难。一般来说,输送机由于控制的方式不同,同时系数的取值也不同。绝大部分的系统,同时系数都会小于0.5,有些流量不高的系统,同时系数更低。

        箱式输送机系统:与托盘输送机不同,箱式输送机的同时系数会高一些,特别是箱式输送机由于分段问题、控制问题等千差万别,往往会对“同时系数”产生较大影响。一般情况下,箱式输送机的“同时系数”不会大于0.7。

        要注意的是,物流系统中的一些单机设备。如提升机、电梯、分拣机等,以及AGV、叉车的充电桩,往往功率比较大。需要单独计算,其同时系数往往取值要高一些,一般为了简化,取值为1是比较常见的。

        2 基础承载问题

        基础承载也是一个常见问题。人们对于物流系统的基础承载往往存在一些不正确的认识,往往是对实际的工况不了解或对载荷的性质不清楚所导致的。

        平均荷载:所谓平均荷载,即一个区域内的所有载荷除以区域面积所得的值。平均荷载包括最大可能的货物重量,结构自重,以及随机的移动载荷等,其实要精确计算也是比较困难的。很多时候,我们会取一个上限作为设计依据。平均荷载作为建筑物基础,对梁、柱,尤其是桩基的设计非常重要,是关键指标之一?;跷镒苤亓科涫凳且桓霰淞?,无论是平库还是立体库,我们在绝大多数情况下几乎不可能填满整个空间。一方面是货物堆放的可能性,另一方面则是货物本身重量的差异性。因此,在计算平均荷载时,其安全系数可以根据产品的情况取值范围约为0.5~1.0,大可不必大于1,除非有特别的情形发生。如立体库的基础平均荷载,就是货架区域内所有货位放满货物后,加上货架本身自重,以及设备自重等,除以面积得来。其安全系数取值一般会低于1。如存放比较单一的标准产品,如酒水、牛奶、纸一类的产品,系数会高一些。如果存放综合类产品,如日用品、药品之类,则系数可以低一些。对于平库也是如此。但平库是人工操作,往往会存在违规操作问题,还是要慎重考虑的。

        集中荷载:所谓集中荷载,是指局部的荷载。比如一个托盘、一辆叉车、一个柱脚的集中荷载等,或者是一个区域中某个小区域的荷载,如一座办公楼中的机房,保险柜室。一般情形下,集中荷载是对于平均荷载而言的。集中荷载往往会远远的大于平均荷载。比如平面仓库中行驶的叉车形成的局部集中荷载,立体库货架柱脚的荷载,提升机的柱脚荷载等,往往是平均荷载的几倍。局部荷载主要影响建筑楼板的设计,有些设计,只要将局部荷载可能出现的区域进行加强,以降低建筑的成本。局部荷载的安全系数要计算清楚,一般情况下,对于不清楚的可能工况,要取一个大于1的安全系数,这是非常必要的。

        3 抗震等级问题

        我国的物流建筑设计,对抗震要求有严格的规定??拐鸬燃都扔胧欠裎挥诘卣鸫吹厍泄?,也与建筑物的重要性和所在城市的重要性有关。如北京,建筑的设防等级是8级,这是一个比较高的等级了。

        对物流系统而言,分为物流建筑和物流设备。物流建筑应严格按照建筑设计规范进行,但物流设备的设计,却没有硬性的规定。如按照建筑物的设计等级来设计,则可能存在很大的困难。如对立体库货架来说,按照8级烈度设防,由于货架结构的限制,几乎就无法达到,或代价是7级烈度的几倍。对于这一情况,我个人的意见还是要看实际情况。一般用途的自动化立体库,托盘是存放在横梁上的,并没有特殊的固定装置,一旦发生地震,货架发生晃动,托盘就会跌落,这时往往不是货架在地震力下发生垮塌,而是托盘跌落造成货架损坏,进而发生垮塌。因此,如果不能限制托盘的移动的话,货架强度即使按照8级烈度设防,也会发生货物跌落,货架垮塌的事故。也就是说,在这种情况下是没有必要按照8级设防的。但特殊的情形下,如重要的军事物资仓库,可能还需要采取特殊的防护措施,如增加防止托盘货物跌落的安全装置等,才能起到应有的作用。另一方面,从地震设防的原则分析,主要是防止建筑的整体垮塌,造成重大人员伤亡,或对逃生造成重大影响。好在立体库一般是全自动无人操作的,不会造成重大人员伤亡,因此,采用7级烈度设防是可以接受的。

        分析垮塌的立体库事故,一个共同的特点是货架的垂直拉杆设计缺陷或并不符合要求。因此,对于处于地震带和重要城市的立体库设计,加强垂直斜拉杆的设计,如增加拉杆的强度,或增加拉杆的组数,都会有很好的效果。有些普通高层货架,也应该增加斜拉杆,以避免局部失稳后发生整体垮塌。当然,进行详细的力学分析是必不可少的。

        另一方面,无论从成本还是安全性考虑,对于需要8级烈度设防的立体库而言,降低高度是必要的。例如,货架高度降低到10米以下,其抗震性能就会好很多,而且出现垮塌的风险也会小很多。

        4 货架承载问题

        货架承载问题也是一个容易被忽视的问题。我国发生过多次货架垮塌事故,有些是操作问题,有些则是设计问题。很多货架设计单位事实上是没有力学分析能力的,他们凭借的是所谓的经验,以及无知无畏,直到造成无可挽回的损失才后悔莫及。

        货架结构简单,但计算并不简单。其中既有结构简化问题,也有载荷简化问题,要完成货架的力学分析,需要具备完备的力学知识。有时,有针对的力学试验对于确定计算模型和修正分析结果是必要的。值得一提的是,力学是一门非常复杂的学科,并非通过几周的突击学习就可以掌握。因此,货架的设计单位或生产单位,应重视力学分析的重要性,并为此花费必要的成本。

        货架设计的关键不只是立柱断面的型式,整个结构型式也非常重要。此外,同样重要的还有横梁、拉杆的设计,地面的连接方式,以及横梁的挂孔形状等。横梁的挂孔形状,直接影响横梁和立柱的连接强度,影响立柱强度,很多企业仅仅是为了区分货架是自己产的,而随意改变挂孔形状,其实是非常危险的。

        由于货物摆放的随意性,所以货架的设计是按照最不利情况考虑的,并考虑一定的安全系数。横梁应按照最大荷载考虑,立柱也是。有的货架很高,可以采用变截面以节省材料,这是比较常见的策略。

        影响货架安全系数的,还有应用的场合,如比较均衡的重载场合,安全系数应高一些,反之,则可以取低一些。但不管怎样,安全系数度不应低于1.2~1.4,这是考虑了材料及加工缺陷以及防范意外荷载所必须的。

        5 库存货位问题

        很多仓库设计完成后,在上线运行时往往出现货位数不够用的问题。这是没有充分考虑库存货位安全性引起的。

        设计中库存货位的安全系数,是指库存货位与库存量的一个换算关系。一般来说,货位的理想储存能力与实际储存能力之间是有较大差异的。主要有两个方面的因素:

        一是托盘的平均装载率问题。我们知道,托盘装载率与货物的包装尺寸有关,也与零头的数量有关。一个标准托盘,当面对不同的货物时,其装载率是不同的,其差异会在0.5~0.9之间,即最不利情况可能只有50%的装载率,最大的可能则能达到90%左右。一般情况是:货物包装尺寸越小,装载率会越高,但也有例外,即货物包装尺寸与托盘尺寸正好形成倍数关系,这时的装载率达到最高。因此,在计算装载率时,应根据具体情况确定合适的平均装载率,才能使设计满足实际的要求。

        二是零头托盘,零头托盘即每次收货后的不满托盘,也会影响整体装载率??獯鍿KU越多,批次越多,零头托盘就会越多,这是可以想象得到的。理论上讲,如果批次达到10000个,零头托盘差不多就会有10000个,这对库存的影响是不容忽视的。

        综合以上,货位数的设计应该是理论库存除以平均装载率。此外,还应考虑一定的冗余数,已备不时之需。

        以上主要讲了托盘货位数,其它形式的货位数,如箱货位也是如此。这里不再赘述。

        6 设备能力问题

        人们经常感到困惑的问题是,系统设计能力与实际运行能力差异甚大。如立体库的出入库能力,分拣机的分拣能力,穿梭车、AGV的作业能力,提升机的作业能力等等。究其原因,也是对设备能力的分析不足所导致的。

        设备能力的安全系数,即理论值与实际值的比值。从根本上讲,这不应被视为一种安全系数,因为理论值与实际值之间本身就存在差异。

        以自动化立体库为例,通过理论计算,我们可以获知堆垛机的作业能力和输送机的作业能力,从而确定立体库的综合作业能力N,但这只是理论值。实际作业中,由于作业几乎不能达到满负荷状态,如输送机并不能达到一个托盘连接一个托盘的作业量,堆垛机并不能一次作业连接另一次作业,或完全执行复合作业。因此,实际测试所能达到的能力比理论值会有一个差异,有时这个差异还会比较大。此外,再加上调度问题,设备及软件故障问题,系统工作能力还会打折扣,所以,立体库系统最终的实际能力可能只有理论值的80%左右。

        在系统能力设计方面,有一个现象是物流系统中容易被忽视的,就是作业的不均衡性。作业不均衡是客观存在的,一天之中,往往只有少数时间系统达到饱和作业状态,大部分时间都处于作业不饱和状态。特别是一个波次的结束或一天作业的结束阶段,系统任务会因为在各环节之间的不均衡,而使得实际作业时间比预期的要长很多。比如立体库作业,如果一个波次中某一个巷道的任务特别的多,那么整个波次完成时间会因为这个巷道的作业时间而延长。这在设计中是要特别注意规避的。

        除了以上列出的6个方面的问题外,在实际设计中,还有很多类似问题,如疲劳问题、可靠性问题、设备工况问题、材料选型问题、工作时间问题等,都涉及到安全系数方面的问题,本文限于篇幅不一一例举。总之,设计中的安全系数选择是一个关键问题,也是一个常见的复杂问题,甚至关系到设计的成败,所以每一个设计人员应花大力气予以重视,做到灵活运用。

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