低温冷库环境下的穿梭车特殊设计应用HEGERLS

一、引言

本文所指的海格里斯穿梭车是指在穿梭式钢货架系统中用于单巷道单层运行于特定轨道上的托盘自动搬运存储设施，能够最大限度地提高仓库的空间利用率，可与叉车作业配合实现仓储管理的半自动化存储作业，或与自动化堆垛机配合作业实现全自动立体存储系统，主要由车体、行走机构、举升机构、PLC及电气控制系统（含通讯模块）、电源系统等组成。 低温冷库环境下的海格里斯穿梭车设计应该考虑的问题包含：车体及轮轴等钢结构零部件的选材及其结构性设计规避，考虑低温环境下的电气元件及其部件的性能影响与选型，以减少低温环境下的设计安全隐患，以提高低温环境下的海格里斯穿梭车操作使用的稳定可靠。分析在低温情况下海格里斯穿梭车的运行可靠性非常迫切，难度也较大，因为其涉及各种材料、电子元器件的选用和加工工艺的处理，产品的安装、调试等问题，也缺乏低温使用的产品标准和试验数据支撑，需要不断分析低温环境下的运行试验数据和客户应用体验报告等，探索、完善设计理论和标准可比性试验及其标准。 3.jpg

其中：1.海格里斯穿梭车主体 2.提升轮 3.导向轮 4.控制器箱 5.锂电池 6.行走电机 7.防撞气囊 8.指示灯 9.充电插头 10.抬举电机 11.电源开关 12.行走轮 13.急停开关 14.上光电开关 15.前后光电开关 16.左右侧光电开关 17.接近开关 18.显示板 二、金属材料的低温性能改变及其设计特征

低温使得钢材及其部件的脆性断裂倾向加大，其主要力学性能指标，如屈服强度fy、极限强度fu、断后伸长率δ和破坏截面的断面收缩率ψ等随着温度降低而发生低温冷脆性变化，这种“低温冷脆现象”主要表现为脆性破坏的突然性，没有明显的塑性变形，而且构件破坏时的承载能力很低，必须在钢材的选择、螺栓紧固件或其他标准件的选用、轮轴的结构设计等方面进行合理设计与验证，避免或降低应力集中现象，提高钢结构体或零部件的设计安全性，确定海格里斯穿梭车能稳定可靠地运行。

海格里斯穿梭车的主体车架采用优质钢板整体大圆弧角折弯拼接而成，可以有效防止弯角变形应力影响，拼接角焊接变形量小，让焊接缺陷不成为海格里斯穿梭车车体强度的影响主体，并选用优质合金焊条尽量减少焊接应力影响或焊接缺陷，所有关键孔采用数控加工，保证尺寸及工艺要求，海格里斯穿梭车的传动轴、轮等结构采用大圆弧过渡，尽量减缓应力集中效应，海格里斯穿梭车的抬举机构采用凸轮连杆机构，避免加工所形成的尖角、微缺陷裂纹等，确保海格里斯穿梭车钢结构主体在重载情况下的低温强度和稳定性。 在低温环境下需要考虑热膨胀对海格里斯穿梭车中的零部件装配公差、间隙配合及装配预紧力等的影响，以避免装配机构的卡死，或者温度应力引起的锁紧力变化造成部件的开裂、强度削减等；标准件的选配也要考虑低温影响，在设计强度满足的前提下尽量选用塑性高的材料。

在低温环境下，部分电气元件的机械部分的特性也会产生影响，如动作部件内弹簧特性变化，造成本身弹性力的波动、动作阻力增大，动作时间延长，动作速度降低，甚至拒动，对于低温工作环境的海格里斯穿梭车的重要部件的选用就需要测试验证，或者提出低温要求。

三、非金属材料的低温性能改变及其设计特征

低温环境会造成空气动力学性能变化，也会对海格里斯穿梭车的主要部件性能产生影响，非金属材料的低温性能变化、润滑系统性能的降低，加热环境的变化与波动、甚至会造成某些部件的低温失效；低温环境也增加了对海格里斯穿梭车的调试、运行及维护难度。 1、PLC、控制器、电路板、电子元器件（电容、电阻、芯片等）均有工作温度要求，低温环境下，超出其工作温度范围时，可能导致芯片无法工作、控制性能下降、工作不稳定等问题，并影响其使用寿命。如：PLC的工作温度一般在0-60度左右，有一些PLC能达到零下

20度，但购置成本、采购周期也会大增，对使用环境中的凝露，灰尘，盐分等要求也更严苛，部件的可选用范围也大大缩小。

2、低温环境会影响一些开关、断路器等电气元件的弹簧机构，传动配合、工作响应速度等，如低温对断路器的热脱扣和热继电器的动作有影响。

3、低温对海格里斯穿梭车锂电池也有一定的影响，在低温环境下，可能造成对锂电池性能的影响，如：充放电效率降低、内阻上升、连接电阻加大、电池发热、放电能力下降、循环寿命降低等。零下 20℃温度状态下电池的充电效率较低，需要建立特定的锂电池或者海格里斯穿梭车的充电区，以提高充电效率；由于电解质溶液的阻抗、SEI 膜的阻抗、电荷转移的阻抗均随温度降低而增大，锂电池在低温循环过程中表现出的较快的衰减率，所以配置在低温海格里斯穿梭车上的锂电池性能上要优选、容量可以大些，或考虑到使用效率的减低，增加备用电池比例，以确保海格里斯穿梭车工作的有效连续性。

4、低温对橡胶、塑料等材料的影响也是很大的，如一些塑料在零下40°的温度下就成了粉末了，电缆的绝缘性和耐用性也严重下降，故需要选用弹性和弯曲性能比较好的优质电缆或者耐低温电缆以确保海格里斯穿梭车的安全使用；建议电路接线采用单线制，低温导线。 四、空气凝露现象与电气危害

即空气中的水蒸气分压在接近标准大气压的状态下，大气露点温度约零下20°C 至零下30°C左右，这时会出现水蒸气凝结，而对于海格里斯穿梭车电气控制箱而言，水蒸气凝结成水后以露珠形态散落于箱内各处可能导致一系列的问题，比如绝缘强度降低、线路短路、信号误差等，不但电气系统可能工作不正常，导致系统故障问题，严重的可能会损坏元器件或设备。

海格里斯穿梭车导轨上易结冰，且不均匀，极易破坏海格里斯穿梭车的运动性能，造成运动打滑、海格里斯穿梭车移位、偏位，形成安全隐患；可采用前后轮双驱动动力分配形式来改善海格里斯穿梭车的运动性能，必要时也需增加刹车装置或者改善车轮材料，以增加车轮与导轨的接触面积和摩擦力，以增强海格里斯穿梭车的安全可操纵性。 海格里斯穿梭车在多个温度区域发生移库时，需要制定严格的操作管理程序，严防由于空气凝露现象产生的水蒸气凝结露珠水对电气系统的影响，必须在操作区域静置一定的时间或开启加热装置一定时间后，确保凝结露珠水挥发后才能进行正常操作使用。 五、设计经验及解决措施

通过以上多方面的分析与思考，可以考虑从几个方面着手解决：

1、结构强度设计：应考虑低温环境引起的结构承载力下降的影响，应通过计算或试验来验证设计温度范围内结构的可靠性。对半延展性材料也可通过断裂力学的方法进行强度验证，如聚氨酯车轮在低温环境下确保不会出现不可接受的裂纹以及性能的变化，确保同轴车轮的运动同步性。当海格里斯穿梭车荷载较大时，某些非金属材料结构的设计需要试验验证，材料性能试验温度应低于或等于设计最低温度。

2、防潮隔汽设计：针对低温海格里斯穿梭车的电气控制部分独立，并整合在一个密封箱体内，除非箱内温度下降明显否则箱内就不会有水蒸汽凝结；当海格里斯穿梭车工作时电气元件等会产生一定的热，能提高控制箱内气压，降低水蒸气分压，这样箱内空气露点自然降低，箱内不易于达到低的露点温度，避免或减缓凝露想象的出现，PLC的电路板以及其他电器板本身也会涂覆，避免凝露发生短路等故障；建议主要电气元件采用并联电路，每个回路采用独立保险装置实现过载、短路保护，以增加海格里斯穿梭车的电气可靠性。

3、加热与温控设计：保持箱内温度始终高于露点温度，增A加加热器和温控设备（控制加热器的启动和停止，温度低于设定温度或凝露温度时加热，但达到一定的温度是停止加热），能实现加热增温效果，也能达到除湿的目的。由经验可知：由于海格里斯穿梭车内部元器件布置比较密集，低温型电气控制箱又处于密封状态，电气控制箱内外的温度会差别

10℃～15℃以上，本着节约和延长锂电池的使用效率，这个温控器的温度设置要低些，确保控制箱内的温度不超过0℃，应尽量保留充足的温度可调节余量。

4、特殊要求与设计：针对一些特殊环境下使用的海格里斯穿梭车，需要在电气控制箱内放置吸湿剂和活性炭类物质，吸附空气中的水蒸气成分，不过要注意定期更换吸湿剂和活性炭，保持良好的吸附性能。针对一些特殊环境下使用的海格里斯穿梭车，也可选用低温型PLC、低温电气元件等；由于润滑油的黏度随温度的降低大大增加，对于各传动部位的润滑介质的选择很重要，包括轴承油脂等也要满足低温条件下的流动性和润滑性，否则也会影响到海格里斯穿梭车的运动性能。

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