打造重载自动化立体库赋能风电齿轮箱备件管理
为实现降本增效，确保物资高效流通，某高端风电齿轮箱研发制造及维修专业企业引入重载自动化立体库，从而有效解决了风电齿轮箱维修中的场地与效率问题；同时，通过搭配数字孪生系统，实现精准管理，使空间利用率和运维效率得到大幅度的提高。该项目的成功实施，为风电新能源行业的技术创新与产业升级树立标杆。
在风电新能源产业中，齿轮箱是风力发电机组的核心机械组件，主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速，其维护与管理的重要性不言而喻。然而，风电齿轮箱的维修成本高和所需场地占用大等问题，目前已成为制约风电行业逐步发展的瓶颈。因此，对风电齿轮箱的存储与维修流程来优化，显得很迫切。
面对传统平面存储模式所存在的空间占用大、维修效率低等瓶颈问题，常州某高端风电齿轮箱研发制造及维修专业企业（以下简称“该公司”）以其前瞻性的战略眼光，通过建设自动化立体库，成功打造了一个集存储、运输、管理等于一体的智能化仓储体系，不仅实现自身的降本增效，也为风电齿轮箱的维修与再制造乃至风电新能源领域带来全新变革。
该公司是国内从事高端齿轮箱及传动系统设计研发制造及齿轮箱绿色再制造的专业企业，目前已经在风电、水泥、冶金等多个行业成功维修近2000台齿轮箱，累计节约社会资源价值超过10亿元。为满足市场对高端齿轮箱及传动系统维修再制造的需求，该公司通过资源整合与协同发展，不断推动技术创新与产业升级。
在风电齿轮箱的维修流程中，不仅常常要较大空间来存放备用部件和做维修操作，而且由于风电齿轮箱体积非常庞大，且需要特定的维修设备和专业方面技术人员，对场地条件的要求也相对更高。此外，风电齿轮箱相比来说较高的故障率和随之而来的高昂维修成本，进一步凸显了合理、高效利用场地资源的重要性。
此前，该公司的备用部件和维修作业均在租赁的工厂内进行。增速齿轮箱拆解后的部件，如齿轮、零件等，均平铺堆放车间地面上以便做复核；新购置的工件，如齿轮、齿轮轴等，也是采用相同的地堆方式存放在厂房内。这种传统的平面存储方式（如图1），不仅会占用大量宝贵的地面空间，也对厂房内的物流效率和作业安全构成一定影响。
面对风电齿轮箱维修对场地的高要求，该公司通过深入的市场调查与研究与需求分析，最终考虑通过引入重载自动化立体库，以显著提升空间利用率。
与传统平面存储模式相比，自动化立体库能够高效利用垂直空间，结合自动化的存储系统和仓库管理系统，可大幅度减少对大面积场地的依赖。此外，借助自动化立体库不仅能存储大量的齿轮箱部件，还可减少人工操作，提高作业效率和安全性。
2023年4月，经过与北自所（北京）科技发展股份有限公司（简称“北自科技603082）”）深入研讨，该公司进一步明确了重载自动化立体库的实施要点：
1.最大化垂直空间利用。采用高层货架，以最大化垂直空间的利用，在不增加地面面积的情况下，可成倍提升存储容量。
2.实时追踪与管理。部署先进的仓库管理系统，并搭配数字孪生系统，实现对齿轮箱部件的精准追踪和实时管理；以此来确保对齿轮箱部件的存储位置、数量和状态等信息随时可查，为快速响应维修需求提供有力支持。
3.采用模块化仓库设计。对仓库采用模块化设计思路，使存储空间可以依据实际的需求进行灵活扩展或缩减。这种设计不仅可提高仓库的适应性，还能确保在长期运营中持续优化存储效率。
4.先进且高效的物流系统。通过引入高效的重载堆垛机、重载台车输送系统等先进物流设备与系统，大幅度缩短部件在仓库内的搬运输送时间和成本。各物流设备将协同作业，确保部件能快速、准确地到达指定位置，来提升整体运维的流畅性和效率。
整体来说，该公司要通过精心设计和实施重载自动化立体库项目，有效解决风电齿轮箱维修中的场地占用问题，同时显著提高运维效率和成本效益，为风电新能源业务板块的持续发展和优化提供重要支持。
针对该公司所面临的问题，北自科技通过前期充分的调研，并反复与其沟通，确定了重载自动化立体库解决方案。
风电齿轮箱是一个高度复杂的机械系统，主要包含齿轮组、轴轮、箱体、行星架、轴类部件、润滑系统以及其他零部件等部分。
齿轮组分为一级行星齿轮和二级行星齿轮，一级行星齿轮包括定轴齿轮、太阳轮、行星架。其中，定轴齿轮为一个，太阳轮由三个齿轮组成二级行星齿轮（两套行星）：由两组齿轮组成，共四个齿轮组成；箱体通常包括前箱体、中箱体、后箱体等部分；行星架是支撑行星轮的重要部件，其内部包含行星轮、太阳轮等关键传动部件；轴类部件包括输入轴、输出轴等；润滑系统包括油箱、油泵、油管和过滤系统等。除此之外，还包含如轴承、油封、螺栓等其他零部件。
风电齿轮箱拆卸后的零部件种类繁多，并且很多部件都相对较重，例如单一内齿圈的重量就达到2吨左右。因此，需要根据风电齿轮箱零部件的具体特征，规划设计重载型自动化立体库。
该项目位于江苏南部，占地约24000m2。建设一栋主办公楼和2个生产车间。重载自动化立体库位于该公司的1#车间南跨东侧，此立库地基只能在车间宽度居中22.6m范围之内，长度为东侧四个立柱间距34m，车间顶梁两侧最低高17m，中间最高18m。
该重载自动化立体库项目所采用的设备与系统，包含2套载重为3400kg的单伸位巷道堆垛机系统，1套载重为3700kg的双伸位巷道堆垛机系统，以及出入库重型台车6台，配套智能仓储管理系统WMS、智能监控调度系统WCS以及数字孪生系统。
结合场地条件等综合因素，确定2种托盘货物单元尺寸。其中，1600mm（长）×1600mm（宽）×1700mm（高）的单个托盘货物重量最大为3700kg（含托盘）；2100mm（长）×2100mm（宽）×900mm（高）的单个托盘货物重量最大为3400kg（含托盘）。具体托盘尺寸，如图2所示。
该项目于2023年10月开始货架进场安装，吊装堆垛机，安装重载台车，并完成电气部分单机调试和系统联调。2024年春节前完成试运行，2月验收完成，随后正式投入运行（如图3）。
待维修的齿轮箱经过拆解后，其零部件会由专业工人进行分类，符合重载自动化立体库存储条件（即不超托盘尺寸、不超设计重量）的零部件，会被选出并等待入库。
当仓库管理系统WMS发出入库指令后，堆垛机会响应这一指令，从货架上精准取出空货笼，并将其搬运至库前的重载台车上。随后，通过轨道输送系统，这些装有空货笼的重载台车会被高效运送至零部件入库口。
工作人员利用重载行车将齿轮箱零部件安全放入货笼中。为确保货物不超重，每台重载台车上均配置称重系统（如图4），以供操作人员复核。
装载完成后，工作人员会通过手持终端，将齿轮箱零部件信息与货笼信息进行绑定，确保数据的准确性。
最后，再由堆垛机将装有货物的货笼自动搬运至系统下发的指定存储货位，完成入库作业。
WMS系统接收到来自ERP/MES的生产任务信息后，将相关指令通过WCS系统下发至堆垛机。
人工将所需的齿轮产品从货笼中取出，剩下的空货笼，在出库任务结束后自动回库。
该重载自动化立体库不仅用于存放拆解下来的旧齿轮箱部件，同时也适用于储存新采购的维修替换齿轮箱部件。这样的设计使仓库管理更为高效，无论是旧部件的回收利用，还是新部件的存储备用，都能在同一个系统中得到有序管理。
该公司重载自动化立体库项目的难点之一，在于前期规划时并未考虑引入自动化立体库，因此在项目后期建设时需要进行针对性改善与调整优化。
例如，重载自动化立体库对地面载荷要求高，但立体库下方并没有打桩，为此业主和设计院根据北自科技提供的地面载荷要求进行核算，将地基钢筋混凝土层做得十分厚重。而在做基础时，设计院要求立体库下面的钢筋混凝土板不能与建筑承台干涉，所以立体库宽度尺寸只能收缩。按原计划方案，本来规划的是2个2121货笼巷道和2个1616货笼巷道，在总货位数没有减少的情况下，只能将2个1616的货笼巷道变更为1个双深位巷道。
针对以上难点问题，北自科技研发部门经过反复模拟测算，结合具体业务场景，开发出该行业内第一个大尺寸最重的双伸位堆垛机巷道的智能立体库实施案例。
此外，因2121货笼尺寸较大，在与货架厂反复沟通确认后，最终采用3立柱作为支撑，从而提高了该尺寸货架选型的经济性，并降低整体的投入成本。
值得一提的是，该项目还将数字孪生技术应用到智能仓储系统的管理中（如图5），利用数字孪生的高级算法预测和优化库存管理、货物出入库调度，提高吞吐量，减少等待时间，确保重载风电部件等高价值物资的安全与高效流通。同时通过数据分析，识别并消除瓶颈，优化资源分配，如平衡设备负载，提升整体资源利用率。另外，数字孪生系统能够实时监控仓库内所有设备的运行状态，包括重型堆垛机、重载台车系统等，及时有效地发现并预警潜在故障，减少停机时间。
该传动系统企业自引入重载自动化立体库以来，不仅极大提高了空间利用率和运维效率，降低了维修成本，还通过优化库存管理和货物出入库调度，实现齿轮箱部件的高效流通与安全存储。同时，数字孪生技术的应用，也让该公司在智能化、自动化方面走在行业前列，为风电齿轮箱维修再制造领域的发展树立新标杆。总的来看，该项目不仅明显提升了企业的经济效益，还带来深远的社会效益。
在经济效益方面，通过引入自动化系统，使企业成功降低对人工的依赖，从而显著减少人力成本。在原来管理模式下，由于车间所有零件是平铺在地面，占地面积大。为提高管理效率，需要设置多个仓管人员，每月要进行盘库，即使这样账物不符的情况时有发生。此外，由于自动化立体库能够更有效利用存储空间，使企业减少了仓储空间的需求，进而节省了租金和土地投资。
更重要的是，自动化系统加快了物料搬运速度，缩短了维修周期，由此减少风电设备的停机时间。此外，通过精确的库存管理，使企业减少了库存积压和闲置，提高了率。同时，通过预防性维护计划，企业降低了突发事故的风险，使维修成本得到进一步控制。
在社会效益方面，自动化立体库能更好地控制存储环境，有助于保护精密设备，延长常规使用的寿命，由此减少资源浪费。借助自动化系统还能显著减轻工人劳动强度，减少因重体力劳动导致的职业伤害，提升工作场所的安全性。
作为风电新能源行业内的技术革新案例，该项目成功展示了智能化、自动化技术在传统产业中的应用潜力，并为类似项目提供了一系列宝贵经验，包括：1.通过细致的市场调查与研究和需求分析，确保自动化解决方案与企业真实的情况相匹配，从而避免盲目投资，为项目成功打下根基；2.在项目实施过程中注重自动化系统的兼容性和扩展性，可确保新系统与现有ERP、MES等信息系统无缝对接，实现数据的高效流通和利用；3.项目实施后，需持续收集数据，评估运营效率，评估运营效率，并根据真实的情况及时作出调整策略，并利用技术迭代一直在优化系统性能；4.与设备供应商、技术服务商等建立稳定的合作伙伴关系，共享资源，共同应对技术挑战，提升整个供应链的协同效应。
总之，该传动系统企业的重载自动化立体库项目不仅为公司能够带来显著的经济效益，也产生积极的社会影响，其成功经验值得业内借鉴和推广。未来，该传动系统企业将继续秉承绿色再制造的理念，持续推动技术创新与产业升级，致力于成为高端齿轮箱和绿色智能再制造的标杆示范企业，为风电行业的持续发展与绿色转型贡献更大力量。
北自所（北京）科技发展股份有限公司（简称“北自科技”，股票代码：603082）主要是做智能物流系统的研发、设计、制造与集成业务，基于自主开发的物流装备、控制和软件系统，为客户提供从规划设计、装备定制、控制和软件系统开发、安装调试、系统集成到客户培训的“交钥匙”一站式服务，是一家智能物流系统解决方案供应商。
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