牛栏山酒厂堆垛机可靠性因素研究

韩春宇，王成林，魏金旺，刘 斌

（1.北京物资学院，北京 101149；2.北京顺鑫农业股份有限公司牛栏山酒厂，北京 100000）

0 引言

堆垛机是自动化立体仓库的核心设备，负责整个自动化立体仓库货物的入库与出库。牛栏山酒厂自应用堆垛机技术后，仓储作业人员由最初的106人减少至49人，库房租金由最初的596.5万减少至65.6万，明显提高了仓储作业效率，并基于此建立了先进的生产链，企业效益显著提高，但随着堆垛机投入使用时间的加长，堆垛机运行越发不稳定，造成出入库作业的停滞，造成企业损失，为了更好的发挥堆垛机高效率作业的优势，堆垛机的可靠性因素研究尤为重要。

1 牛栏山酒厂堆垛机突出问题

1.1 牛栏山酒厂堆垛机功能实现过程

堆垛机是自动化立体仓库的核心设备，具有自动存取货物的功能，实现自动存取货物的功能需要多种技术作为支撑，所以堆垛机是一种涵盖了电气控制技术、机械技术、计算机控制技术、网络通讯技术的高集成复杂设备，功能具体实现过程如下描述。

以入库功能为例，控制系统模块下的计算机系统下达指令，网络通讯模块的信号发射器发送至堆垛机主体移动接收器，电控模块激光测距仪定位巷道方向位置，载货台激光条码装置控制载货台在竖直方向上的定位，并且通过控制系统模块的行走变频器和提升变频器，控制驱动电机转速，堆垛机到达巷道口，由电控系统模块的载货台探测装置探测位置确定有货后，货叉伸缩，由电控系统模块的行程开关和装块确定伸叉、缩叉位移，货物放置载货台，并由电控系统模块的货形检测装置进行货形检查，合格后，电控模块激光测距仪定位巷道方向位置，载货台激光条码装置控制载货台在竖直方向上的定位，并且通过控制系统模块的行走变频器和提升变频器，控制驱动电机转速，堆垛机到达巷货位，由电控系统模块的载货台探测装置探测该货位确定无货后，由电控系统模块的行程开关和装块确定伸叉、缩叉位移，将货物放入指定货位，具体如图1所示。

图1 堆垛机系统出入库功能实现过程图

1.2 牛栏山酒厂堆垛机可靠性问题

牛栏山酒厂自动化立体仓库共设有20个巷道，配备20台堆垛机，每台堆垛机高18米，负责整个酒厂的白酒货品出入库，随着堆垛机投入使用时间的加长，堆垛机的可靠性显著降低，严重影响了牛栏山酒厂白酒货品的销售与生产，给企业带来了一定的损失，并造成了重大的安全隐患。根据图1对堆垛机功能模块的划分，分别总结如下问题。

1.3 机械模块可靠性问题

1）牛栏山酒厂堆垛机在运行过程中振动较大。堆垛机振动加大，不仅损害堆垛机主体结构，还会影响电控系统模块、控制系统模块以及网络通讯模块中的电子元器件的可靠性，造成电子元器件之间接触不良，甚至可能损坏电子元器件。

2）牛栏山酒厂地轨、行走轮与导向轮磨损严重。磨损增加导致振动增加，导致运行不稳定，从而导致其他机械零部件的损伤，影响驱动机构的电流变化，导致行走变频器报警，造成堆垛机的急停。

3）堆垛机系统货叉伸缩出现故障。堆垛机货叉伸缩过程中有卡死现象，内部有零件损坏，外部有一定程度的形变，导致货叉的伸缩动作不流畅，驱动电机电流增大，货叉伸缩变频器报警，造成堆垛机的急停。

4）堆垛机系统提升机构发生故障。载货台位置有改变，导致提升链条方向不竖直，提升阻力变大，从而驱动电机电流变大，提升变频器报警，造成堆垛机急停，另外有链轮发生损坏，导致提升动作无法完成。

2 控制系统模块可靠性问题

1）牛栏山酒厂堆垛机系统变频器时常出现报警现象，导致出入库作业的中断。

2）牛栏山酒厂堆垛机系统对于货位的分配采用随机分配模式，对货物的规划入库出库规划控制不足，导致某条巷道堆垛机发生故障后，其他巷道没有足够相应的货物作为补充。

2.1 电控系统模块可靠性问题

牛栏山酒厂堆垛机系统块经常有报警错误的情况，尤其是货形检测，经常出现报警错误的现象，导致出入库作业时有中断。

2.2 网络通讯系统可靠性问题

牛栏山酒厂堆垛机系统时常出现失联现象，导致任务指令无法被及时完成。只能通过维修或者网络恢复才能进行工作，造成了出入库的停滞。

3 牛栏山酒厂堆垛机可靠性因素分析

3.1 堆垛机可靠性因素概述

堆垛机系统是个集成度很高的复杂系统，其本身的可靠性由各个子系统模块的可靠性所决定，所以堆垛机系统可靠性是所有子系统模块可靠性的综合体现。并通过以上的论述，可以得到堆垛机系统可靠性概念组成和影响的主要因素，如图2所示。

图2 堆垛机系统可靠性概念图

3.2 基于FMECA与FTA堆垛机可靠性分析

通过在牛栏山酒厂进行实地考察，并对现场20台堆垛机的故障记录进行了整理，从2017年5月到2018年4月共统计348条故障记录，并记录了每种故障的检测方式与平均修复时间，并根据FMECA计算出每种故障的危害度Cr[1]，具体如表1所示。

其中各个故障危害度Cr计算公式为：

其中，Ki为该种故障的严酷度，即该种故障对产品完成任务的影响程度[2]，基于堆垛机工作特点，用该种故障的维修时间ti与堆垛机单位工作时间T的比值来表示；Fi为该种故障出现的频率，用该种故障出现的频次ni与总的故障数N的比值来表示。

如表1所示，其中故障F01～F08属于电气系统故障，故障F09～F12属于机械故障，故障F13为网络通讯故障，F14为控制系统故障，可知牛栏山酒厂堆垛机系统故障问题已经遍布整个堆垛机系统，堆垛机可靠性显著降低。根据表1统计的个种类故障的危害度，进行了对比分析，如图3的危害度柱状图所示。

图3 危害度柱状图

表1 牛栏山酒厂故障统计及危害度表

如图3所示，14种故障危害度可分为4种程度，即轻度故障，包括F03、F07、F08、F09、F11；正常故障，包括F02、F05、F06、F12、F14；应注意故障，包括F01、F10；高危故障，包括F04、F13。

将应注意故障和高危故障，即F01、F10、F04、F13进行可靠性因素分析。应用故障树分析技术[3]，对危险度较高的4类故障进行定性分析，最终得到重要的可靠性因素。4类故障的故障树模型由图4所示，表2为故障树故障代码表。

图4 F01、F04、F10、F14故障树模型

根据故障树，可以得到F01故障的最小割集分别为{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}；F04故障的最小割集分别为{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}；F10故障的最小割集分别为{X18}、{X19}、{X20}；F14故障的最小割集分别为{X21}、{X23}、{X24}、{X25}。最小割集是引发故障的最基本事件的集合[4]，从最小割集角度进行分析，可以找到影响堆垛机可靠性的重要因素。

首先在以上最小割集中，{X6}、{X13}、{X21}、{X23}、{X25}为电子元器件的正常损耗和正常故障类型，不是造成现阶段牛栏山酒厂可靠性低的原因，而在其他最小割集中，属于机械磨耗造成的有{X3}、{X4}、{X5}、{X16}、{X18}、{X19}、{X20}；属于振动剧烈造成的有{X7}、{X12}、{X14}、{X15}；属于管理疏忽造成的有{X11}；属于不完善控制造成有{X24}，这些可以通过控制来减少故障的发生率，提高堆垛机的可靠性。

通过总结分别把故障影响因素与可控可靠性因素进行了总结，如表3所示。

通过分析，可以得出牛栏山堆垛机的可靠性因素包括润滑、运行里程、左右伸叉比、运载重量、货形检查与货形加固、路由器工作时间，可以通过控制以上可靠性因素，提高堆垛机的可靠性。

表2 F01、F04、F10、F14故障代码表

表3 堆垛机故障影响因素与堆垛机可靠性因素对照表

3.3 堆垛机行走轮磨损影响分析

堆垛机的故障因素主要是机械磨损与振动，而堆垛机的磨损和振动主要是来自于堆垛机行走轮的磨损，为了有效控制行走轮磨损给堆垛机带来的影响，需要分析磨损行走轮磨损后的几何变化，确定行走轮更换的几何阈值，减少堆垛机行走轮磨损给堆垛机带来的不利影响，图5为使用后行走轮踏面图。

利用三坐标测量技术对更换下的的行走轮进行测量，测试结果如表4所示。

测试数据表明，行走轮使用后，圆柱度、直线度都发生了很大的改变，其中：

图5 使用后行走轮踏面图

圆柱度的改变在3～5倍，这使得行走轮与铁轨的冲击加重，增加径向磨损和径向振动；直线度的改变在磨损区域并不明显，说明堆垛机行走轮磨损区域的轮轨轴向接触比较均匀；过渡区域的直线度改变显著，说明堆垛机行走轮与铁轨边缘的接触作用最为不稳定，也说明轮轨配合出现了比较严重的问题，会引起行走轮轴向振动加剧；另外行走轮踏面上出现特殊扁平磨痕，存在较大的扁疤，使得行走轮与导轨发生更大的冲击，造成堆垛机的运行不稳定。

表4 行走轮三坐标测试结果

因此，建立堆垛机行走轮更换档案，记录行走轮圆柱度、直线度的变化和扁疤数量，并记录行走轮更换周期，规范行走轮更换周期。

4 堆垛机可靠性管理体系的提出

通过前述的分析，确定了牛栏山酒厂堆垛机可靠性主要影响因素，基于此提出了堆垛机全寿命周期可靠性管理体系，下面分别从五个方面进行阐述。

1）堆垛机运行环境控制。堆垛机是高集成的机电设备，对运行环境有一定的要求，并且基于储存白酒货品的要求，保证环境温度在0℃～30℃区间，湿度控制在70%以下，库管人员做好日常记录，仓库定期清理，保持激光测距仪、反光板的清洁。

2）建立堆垛机重要运行参数监测系统。通过分析，变频器的电流、电压、温度是堆垛机运行的主要参数，变频器报警故障影响堆垛机的运行，而这些参数的变化主要由机械的受力引起，而机械受力最好的数据体现便是振动，所以建立堆垛机变频器电流、电压、温度监测体系，建立堆垛机运行的振动监测标准，根据电流、电压、温度、振动数据的变化判断堆垛机的健康程度做到提前维修，防止故障扩大化。

3）规范堆垛机日常维护工作。定期检查堆垛机的润滑效果，调节提升链条的松紧度，确保货叉的伸缩效果，确保紧固件的稳固性。

4）加强仓库管理标准化。在货品入库前检查货品堆垛效果，保证货形规范，在库中做好仓库环境检查，保证堆垛机巷道的整洁性、畅通性，做好仓库货架货品检查工作，确保货品的稳固与安全。

5）优化堆垛机控制策略。寻求堆垛机控制的最优策略，均衡20台堆垛机作业量，达到运行里程、左右伸叉比、运载重量的相对平衡，确保机械磨损程度的统一，保证载货台受力的均衡；优化堆垛机网络控制方式，引入路由器预备机制，保证路由器工作的稳定性。

5 结束语

本文通过现场收集的故障数据，运用FMECA与FTA技术，确定了牛栏山酒厂堆垛机可靠性的影响因素，并基于此提出了堆垛机全寿命周期可靠性管理体系，目前对于堆垛机可靠性控制方式的研究尚少，多处于事后维修阶段，不能很好的保障堆垛机工作的高效性，本文提出的堆垛机全寿命周期可靠性管理体系，为企业提供了一种切实有效的方案，解决了企业的相关问题，也为堆垛机可靠性的研究提供了一定的理论价值。