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      2. 伍強精品課堂:物流系統設計中的安全系數問題

        作者:尹軍琪 時間:2022/02/11 來源:伍強智能科技

                在物流系統設計中,安全系數的設定是一個經常困擾大家的問題,不僅對于新的設計人員,也有很多老的工程師為此感到困惑。今天就幾個常見的安全系數問題,談談我的認知,并與大家一起探討。對與不對,還得讀者自己去揣摩體會。

                1 用電負荷問題

                用電負荷是自動化物流系統經常遇到的問題,也是一個比較難的問題,一般來說,總用電負荷是將全部設備負荷累計后,乘以一個“同時系數”。所謂“同時系數”,就是設備可能同時啟動的概率,這一系數要小于等于1,但到底取值多少,非常復雜,尤其在比較復雜的系統中,更是難以準確計算。以下就幾個典型工況進行分析。

                立體庫堆垛機系統:堆垛機的電機一般由起升、運行、貨叉幾部分組成,起升與運行一般會同時啟動,但貨叉不會,所以,計算堆垛機的用電負荷時,只要計算起升+運行電機的負荷即可。如果一個系統有多臺堆垛機,存在同時工作的概率是很高的(分區工作的情形有例外),因此,一般情況下,堆垛機的用電負荷是每臺堆垛機的起升+運行電機,乘以臺數。

                托盤輸送機系統:托盤輸送機是自動化立體庫不可缺少的外圍設備。要計算托盤輸送機系統的“同時系數”就比較困難。一般來說,輸送機由于控制的方式不同,同時系數的取值也不同。絕大部分的系統,同時系數都會小于0.5,有些流量不高的系統,同時系數更低。

                箱式輸送機系統:與托盤輸送機不同,箱式輸送機的同時系數會高一些,特別是箱式輸送機由于分段問題、控制問題等千差萬別,往往會對“同時系數”產生較大影響。一般情況下,箱式輸送機的“同時系數”不會大于0.7。

                要注意的是,物流系統中的一些單機設備。如提升機、電梯、分揀機等,以及AGV、叉車的充電樁,往往功率比較大。需要單獨計算,其同時系數往往取值要高一些,一般為了簡化,取值為1是比較常見的。

                2 基礎承載問題

                基礎承載也是一個常見問題。人們對于物流系統的基礎承載往往存在一些不正確的認識,往往是對實際的工況不了解或對載荷的性質不清楚所導致的。

                平均荷載:所謂平均荷載,即一個區域內的所有載荷除以區域面積所得的值。平均荷載包括最大可能的貨物重量,結構自重,以及隨機的移動載荷等,其實要精確計算也是比較困難的。很多時候,我們會取一個上限作為設計依據。平均荷載作為建筑物基礎,對梁、柱,尤其是樁基的設計非常重要,是關鍵指標之一。貨物總重量其實是一個變量,無論是平庫還是立體庫,我們在絕大多數情況下幾乎不可能填滿整個空間。一方面是貨物堆放的可能性,另一方面則是貨物本身重量的差異性。因此,在計算平均荷載時,其安全系數可以根據產品的情況取值范圍約為0.5~1.0,大可不必大于1,除非有特別的情形發生。如立體庫的基礎平均荷載,就是貨架區域內所有貨位放滿貨物后,加上貨架本身自重,以及設備自重等,除以面積得來。其安全系數取值一般會低于1。如存放比較單一的標準產品,如酒水、牛奶、紙一類的產品,系數會高一些。如果存放綜合類產品,如日用品、藥品之類,則系數可以低一些。對于平庫也是如此。但平庫是人工操作,往往會存在違規操作問題,還是要慎重考慮的。

                集中荷載:所謂集中荷載,是指局部的荷載。比如一個托盤、一輛叉車、一個柱腳的集中荷載等,或者是一個區域中某個小區域的荷載,如一座辦公樓中的機房,保險柜室。一般情形下,集中荷載是對于平均荷載而言的。集中荷載往往會遠遠的大于平均荷載。比如平面倉庫中行駛的叉車形成的局部集中荷載,立體庫貨架柱腳的荷載,提升機的柱腳荷載等,往往是平均荷載的幾倍。局部荷載主要影響建筑樓板的設計,有些設計,只要將局部荷載可能出現的區域進行加強,以降低建筑的成本。局部荷載的安全系數要計算清楚,一般情況下,對于不清楚的可能工況,要取一個大于1的安全系數,這是非常必要的。

                3 抗震等級問題

                我國的物流建筑設計,對抗震要求有嚴格的規定。抗震等級既與是否位于地震帶即地區有關,也與建筑物的重要性和所在城市的重要性有關。如北京,建筑的設防等級是8級,這是一個比較高的等級了。

                對物流系統而言,分為物流建筑和物流設備。物流建筑應嚴格按照建筑設計規范進行,但物流設備的設計,卻沒有硬性的規定。如按照建筑物的設計等級來設計,則可能存在很大的困難。如對立體庫貨架來說,按照8級烈度設防,由于貨架結構的限制,幾乎就無法達到,或代價是7級烈度的幾倍。對于這一情況,我個人的意見還是要看實際情況。一般用途的自動化立體庫,托盤是存放在橫梁上的,并沒有特殊的固定裝置,一旦發生地震,貨架發生晃動,托盤就會跌落,這時往往不是貨架在地震力下發生垮塌,而是托盤跌落造成貨架損壞,進而發生垮塌。因此,如果不能限制托盤的移動的話,貨架強度即使按照8級烈度設防,也會發生貨物跌落,貨架垮塌的事故。也就是說,在這種情況下是沒有必要按照8級設防的。但特殊的情形下,如重要的軍事物資倉庫,可能還需要采取特殊的防護措施,如增加防止托盤貨物跌落的安全裝置等,才能起到應有的作用。另一方面,從地震設防的原則分析,主要是防止建筑的整體垮塌,造成重大人員傷亡,或對逃生造成重大影響。好在立體庫一般是全自動無人操作的,不會造成重大人員傷亡,因此,采用7級烈度設防是可以接受的。

                分析垮塌的立體庫事故,一個共同的特點是貨架的垂直拉桿設計缺陷或并不符合要求。因此,對于處于地震帶和重要城市的立體庫設計,加強垂直斜拉桿的設計,如增加拉桿的強度,或增加拉桿的組數,都會有很好的效果。有些普通高層貨架,也應該增加斜拉桿,以避免局部失穩后發生整體垮塌。當然,進行詳細的力學分析是必不可少的。

                另一方面,無論從成本還是安全性考慮,對于需要8級烈度設防的立體庫而言,降低高度是必要的。例如,貨架高度降低到10米以下,其抗震性能就會好很多,而且出現垮塌的風險也會小很多。

                4 貨架承載問題

                貨架承載問題也是一個容易被忽視的問題。我國發生過多次貨架垮塌事故,有些是操作問題,有些則是設計問題。很多貨架設計單位事實上是沒有力學分析能力的,他們憑借的是所謂的經驗,以及無知無畏,直到造成無可挽回的損失才后悔莫及。

                貨架結構簡單,但計算并不簡單。其中既有結構簡化問題,也有載荷簡化問題,要完成貨架的力學分析,需要具備完備的力學知識。有時,有針對的力學試驗對于確定計算模型和修正分析結果是必要的。值得一提的是,力學是一門非常復雜的學科,并非通過幾周的突擊學習就可以掌握。因此,貨架的設計單位或生產單位,應重視力學分析的重要性,并為此花費必要的成本。

                貨架設計的關鍵不只是立柱斷面的型式,整個結構型式也非常重要。此外,同樣重要的還有橫梁、拉桿的設計,地面的連接方式,以及橫梁的掛孔形狀等。橫梁的掛孔形狀,直接影響橫梁和立柱的連接強度,影響立柱強度,很多企業僅僅是為了區分貨架是自己產的,而隨意改變掛孔形狀,其實是非常危險的。

                由于貨物擺放的隨意性,所以貨架的設計是按照最不利情況考慮的,并考慮一定的安全系數。橫梁應按照最大荷載考慮,立柱也是。有的貨架很高,可以采用變截面以節省材料,這是比較常見的策略。

                影響貨架安全系數的,還有應用的場合,如比較均衡的重載場合,安全系數應高一些,反之,則可以取低一些。但不管怎樣,安全系數度不應低于1.2~1.4,這是考慮了材料及加工缺陷以及防范意外荷載所必須的。

                5 庫存貨位問題

                很多倉庫設計完成后,在上線運行時往往出現貨位數不夠用的問題。這是沒有充分考慮庫存貨位安全性引起的。

                設計中庫存貨位的安全系數,是指庫存貨位與庫存量的一個換算關系。一般來說,貨位的理想儲存能力與實際儲存能力之間是有較大差異的。主要有兩個方面的因素:

                一是托盤的平均裝載率問題。我們知道,托盤裝載率與貨物的包裝尺寸有關,也與零頭的數量有關。一個標準托盤,當面對不同的貨物時,其裝載率是不同的,其差異會在0.5~0.9之間,即最不利情況可能只有50%的裝載率,最大的可能則能達到90%左右。一般情況是:貨物包裝尺寸越小,裝載率會越高,但也有例外,即貨物包裝尺寸與托盤尺寸正好形成倍數關系,這時的裝載率達到最高。因此,在計算裝載率時,應根據具體情況確定合適的平均裝載率,才能使設計滿足實際的要求。

                二是零頭托盤,零頭托盤即每次收貨后的不滿托盤,也會影響整體裝載率。庫存SKU越多,批次越多,零頭托盤就會越多,這是可以想象得到的。理論上講,如果批次達到10000個,零頭托盤差不多就會有10000個,這對庫存的影響是不容忽視的。

                綜合以上,貨位數的設計應該是理論庫存除以平均裝載率。此外,還應考慮一定的冗余數,已備不時之需。

                以上主要講了托盤貨位數,其它形式的貨位數,如箱貨位也是如此。這里不再贅述。

                6 設備能力問題

                人們經常感到困惑的問題是,系統設計能力與實際運行能力差異甚大。如立體庫的出入庫能力,分揀機的分揀能力,穿梭車、AGV的作業能力,提升機的作業能力等等。究其原因,也是對設備能力的分析不足所導致的。

                設備能力的安全系數,即理論值與實際值的比值。從根本上講,這不應被視為一種安全系數,因為理論值與實際值之間本身就存在差異。

                以自動化立體庫為例,通過理論計算,我們可以獲知堆垛機的作業能力和輸送機的作業能力,從而確定立體庫的綜合作業能力N,但這只是理論值。實際作業中,由于作業幾乎不能達到滿負荷狀態,如輸送機并不能達到一個托盤連接一個托盤的作業量,堆垛機并不能一次作業連接另一次作業,或完全執行復合作業。因此,實際測試所能達到的能力比理論值會有一個差異,有時這個差異還會比較大。此外,再加上調度問題,設備及軟件故障問題,系統工作能力還會打折扣,所以,立體庫系統最終的實際能力可能只有理論值的80%左右。

                在系統能力設計方面,有一個現象是物流系統中容易被忽視的,就是作業的不均衡性。作業不均衡是客觀存在的,一天之中,往往只有少數時間系統達到飽和作業狀態,大部分時間都處于作業不飽和狀態。特別是一個波次的結束或一天作業的結束階段,系統任務會因為在各環節之間的不均衡,而使得實際作業時間比預期的要長很多。比如立體庫作業,如果一個波次中某一個巷道的任務特別的多,那么整個波次完成時間會因為這個巷道的作業時間而延長。這在設計中是要特別注意規避的。

                除了以上列出的6個方面的問題外,在實際設計中,還有很多類似問題,如疲勞問題、可靠性問題、設備工況問題、材料選型問題、工作時間問題等,都涉及到安全系數方面的問題,本文限于篇幅不一一例舉。總之,設計中的安全系數選擇是一個關鍵問題,也是一個常見的復雜問題,甚至關系到設計的成敗,所以每一個設計人員應花大力氣予以重視,做到靈活運用。

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