毕业设计（论文）有轨式巷道堆垛机机械结构设计

编号编号 本科生毕业设计本科生毕业设计有轨式巷道堆垛机机械结构设计The Design of the Overall structure and walking mechanism of a stacker crane 学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院 20112011 年年 0606 月月I摘摘 要要 自动化立体仓库是物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。 近年来，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业的发展非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格；或者相反取出货格内的货物运送到巷道口。本文详细论述了在现代大多数企业中普遍使用的双立柱堆垛机的设计方案，文章的重点放在其三个部件：升降机构、行走机构、货叉伸缩机构的设计上。首先，提出各个机构的总体设计方案；其次，对各个机构的受力情况进行了分析并计算，然后估算初取值，再进行校核，最后确定各个实际值。关键词关键词 自动化立体仓库自动化立体仓库 堆垛机堆垛机 IIAbstract Automation three-dimensional storehouse is that thing flows important composition part, it is to stock and take out voluntarily under not directly carrying out the condition of artificial intervention the system that thing flows out . it is the high-tech outcome of modern industrial social development, for raise productivity and reduction cost have important meaning. In recent years, along with the unceasing raising of enterprise production and management, more and more enterprises know that thing flows out reasonability and the improvement of system, is very important for the development of enterprise . Stacker cranes is automation three-dimensional storehouse in most important take heavy crane pile up equipment, it can in the tunnel of automation cube in the shuttle operation of round trip, will locate in tunnel the goods of mouth stock goods shelf; or opposite take out the goods transit in goods shelf go to tunnel mouth. This paper has discussed the focal point of design scheme and article of the two pillar stacker crane of universal use in modern most enterprises in detail put , in thirdly parts: elevator Gou , walk organization and fork telescoping mechanism design , design a kind of tape the cranes safe organization of flexible installation design scheme. first, put forward the overall design scheme of every organization; secondly, for every organization analyse by force condition calculate , then estimation beginning take value, check nuclear, final definite every reality again worth.Keyword automation three-dimensional storehouse ;stacker cranesI目录目录摘 要.IABSTRACT .II第 1 章 绪论.11.1 研究的背景与内容 .11.1.1 概述.11.1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点.11.1.3 有轨巷道堆垛机的类型.21.1.4 巷道堆垛机的特点.51.2 设计的目的和意义 .51.3 设计的内容及要求 .51.4 设计参数 .6第 2 章 总体设计方案的确定.72.1 堆垛机三维运动速度的确定 .72.2 堆垛机各个部分的方案选择.82.2.1 堆垛机起升机构传动方式的选择.82.2.2 堆垛机行走机构传动方式的选择.92.2.3 堆垛机机架的设计.92.2.4 堆垛机货叉的设计.92.2.5 堆垛机安全方案的确定.102.2.6 堆垛机电控部分的设计.112.3 堆垛机的技术参数 .112.4 堆垛机的技术要求 .12第 3 章 堆垛机起升机构的设计.163.1 起升机构的总体选型 .163.2 卷筒的设计 .193.2.1 卷筒部件计算.193.2.2 齿轮连接盘的计算.233.3 堆垛机行走机构的选型设计 .253.4 堆垛机机架的选型设计 .273.5 货叉传动装置的总体选型 .273.6 货叉传动齿轮、齿条的计算 .283.7 货叉传动链轮、链条的设计计算 .31第 4 章 堆垛机安全装置.344.1 防撞保护装置 .34II4.2 钢丝绳断绳保护装置 .35致 谢.1参考文献.1附录一.21第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 研究的背景与内容研究的背景与内容1.1.11.1.1 概述概述随着生产力的发展, 生产规模的扩大和产品结构的调整, 客观上要求作为工业企业物资供应基地的物资仓库进行改建或扩建。但由于现有工业企业的用地受到限制,物资仓库用地难以扩展,所以只能充分挖掘潜力,有效利用现有库区面积,并向空间发展,向空间要货位。其主要途径是变单层库房为多层库或立体库。我国自 70 年代以来多层库有了较快的发展，立体库也有一定的发展。根据我国的实际情况,从今后的发展趋势看,多层库和立体库都会继续得到发展。并且，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率，降低成本非常重要。自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用率高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。而堆垛机对立体仓库的出人库效率有重要影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备之一。有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，是在高层货架的窄巷道内作业的起重机，通常简称为堆垛机。堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，可大大提高仓库的面积和空间利用率，是自动化仓库的主要设备，是代表立体仓库特征的标志。堆垛机的功能是堆垛机接受计算机指令后，能在高层货架巷道中来回穿梭，把货物从巷道口出人库货台搬运到指定的货位中，或者把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出人库货台，再配以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出人库。在立体仓库中的搬运设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨巷道式单双立柱堆垛机。有轨巷道式双立柱堆垛机由于效率高，高度可达 30-40 m，便于实现无人操作，行走稳定，载货量大，噪声小，在目前的立体仓库中得到广泛应用。1.1.21.1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 随着经济全球化步伐的日益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长。目前，物流人才已经被列为我国 12 大类紧缺人才之一，有报道称“物流人才的需求已超过 600 万” 。物流实验室的建设正是要搭建一座理论与实践的桥梁，目前，我国许多高校已经建立了物流实验室，据不完全统计，已经有 160 多所高校建立了自己的物流实验室。物流实验室为学2生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生的操作能力，内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过程，研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业纷纷建立起来。山东大学现代物流控制实验中心是目前我国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视觉的综合研究和开发应用方面目前处于国内领先地位。图 1. 1 是研究中心的小型仓储系统 图 1-1 小型仓储系统1.1.31.1.3 有轨巷道堆垛机的类型有轨巷道堆垛机的类型 有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分类，一般可分为以下几种类型:(1)按结构形式，分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机：双立柱有轨巷道堆垛机 双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架，一般称为机架。立柱形式有方管和圆管两种，方管可兼作起升导轨，圆管需要附加起升导轨。这种堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中，其缺点是自重较大。其结构如图 1.2 所示。3 图 1-2 双立柱有轨巷道堆垛机 单立柱有轨巷道堆垛机单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多采用型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。整机重量较轻，消耗材料少，因此制造成本相对较低，但刚性稍差。由于载货台和货物对立柱有偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大的局限性。不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。单立柱堆垛机的起升结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。其结构如图 1.3 所示。4 图 1-3 单立柱有轨巷道堆垛机(2)按支承方式分类，有轨巷道堆垛机分为悬挂型和地面支承型。悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行，其运行机构安装在堆垛机门架的上部。在地面铺设导轨，使门架下部的导向轮以一定的间隙夹在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹。悬挂式堆垛机有如下优点:在设计门架时，可以不考虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小，稳定所需的时间短;其缺点是维修和检查不方便。地面支承型有轨巷道堆垛机堆垛机的运行轨道铺设在地面上，堆垛机用下部行走轮支承和驱动，上部导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动。和悬挂型有轨巷道堆垛机相比，这种堆垛机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度，因此，需要加大立柱在行走方向截面的惯性矩。由于驱动装置均装在下横梁上，容易保养和维修。(3)按其运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。直线运行型堆垛机直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道。只能通过其他输送设备转换巷道，直线运行型堆垛机可以实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。5曲线运行型堆垛机曲线运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其他曲线轨道上运行，不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个巷道。曲线运行型堆垛机在使用上有局限性，只适用于出入库频率较低的立体仓库。本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱，支承方式为地面支承型，并且其运行轨迹为直线型巷道堆垛机。1.1.41.1.4 巷道堆垛机的特点巷道堆垛机的特点由于使用场合的限制，巷道堆垛机在结构和性能方面有以下特点：(1) 整机结构高而窄，其宽度一般不超过储料单元的宽度，因此限制了整机布置和结构选型。(2) 金属结构件除应满足强度和刚度要求外，还要有较高的制造和安装精度。(3) 采用专门的取料装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。(4) 各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确。(5) 配备可靠的安全装置，控制系统应具有一系列连锁保护措。1.2 设计的目的和意义设计的目的和意义仓储自动化建设是一项系统工程，物资储运作业自动化是其重要的内容。实现仓库物资储运作业自动化，仓储机械设备、设施及管理、信息、人才系统配套、协调发展是重要的发展趋势。通过引入计算机、自动控制技术和人工智能等高新技术对仓储机械的技术该做，仓储机械的技术性能将较大提高。载重量大、机动性强、操作方便、可维修性好的叉车、无人叉车、牵引车、托盘运输车、堆高车、堆垛机、码垛机、管道输送机、带状输送机、自动拣选机等先进的装卸搬运机械设备将广泛应用于仓储系统。本设计通过设计用于仓储货架的堆垛机，完成堆垛机水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备的设计，能及时、准确地把物品自动送到指定位置，从而加深对堆垛机的认识与了解。1.31.3 设计的内容及要求设计的内容及要求有轨巷道堆垛机的内容包括:第一，分析、论述目前堆垛机堆垛的原理、方法，堆垛机的设计思路，探6讨各种解决途径。第二，论述本设计采用的方法、原理及可行性，进行结构设计、运动学计算和强度计算。第三，堆垛机的工作方式及货物识别控制原理。第四，绘制堆垛机总装图和主要零部件图及控制电气原理图。有轨巷道堆垛起重机的设计要求包括：1.结构简单、操作方便。2.堆垛方式准确可靠。3 结构紧凑坚固，使用维护方便，外形美观。1.4 设计参数设计参数立体仓库为 8 巷道 16 排 40 列 7 层堆垛机总高度：8m 总长度：3.1m 总宽度：1m堆垛机额定起重量 300kg行走最大速度 180m/min(3m/s)升降最大速度 45m/min(0.75m/s)货叉速度 15m/min(0.25m/s)加减速度：升降 0.6 行走 0.6 伸缩 0.22/m s2/m s2/m s货架上下 7 层，层高 1100mm货架每层 40 格，格宽 600mm货箱尺寸：长宽高600500800mm货格尺寸：长宽高9006001100mm宽度方向为货叉叉取方向7第第 2 2 章章 总体设计方案的确定总体设计方案的确定为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出人库，必须满足以下设计要求:(1)具备三维运动功能，即堆垛机沿巷道来回运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方向双向伸缩; (2)满足一定的定位精度，重复定位精度误差不能超过 10 mm; (3)具备安全保护措施;(4)在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部分的重量，以减小提升功率和行走时的摩擦阻力;(5)保护仓库环境，避免货物污染受损。图 2.1 有轨巷道式双立柱堆垛机 图 2.1 堆垛机的组成1.天轨 2.天轨导向轮 3.上横梁 4.立柱 5.链轮 6.载货台导向轮 7.载货台顶轮 8.电器柜 9.轮系 10.地轨 11.下横梁 12.电机 13.卷筒 14.减速器 15.载货台 16.货叉 17.载货台立板2.12.1 堆垛机三维运动速度的确定堆垛机三维运动速度的确定(1)行走速度的确定：40900=36000mm=36m8行走加速度为20.6/m s最优行走速度为，取为 130m/min0.5 36 0.62.324/139.43/ minm sm(2)升降速度的确定货架高度为 711007700mm=7.7m最优升降速度为，取为 30m/min,即 0.5m/s7.713929.7/ min36m(3）货叉速度的确定：货叉伸缩长度为 0.46m=460mm 伸缩加减速度为20.2/m s最优伸缩速度为，取为 9m/min0.5 0.46 0.20.15/9.1/ minm sm取微升降高度为 8mm2.2 堆垛机各个部分的方案选择堆垛机各个部分的方案选择2.2.12.2.1 堆垛机起升机构传动方式的选择堆垛机起升机构传动方式的选择巷道式堆垛起重机的起升机构是使载货台垂直运动的机构，主要由电动机、制动器、减速器、卷筒或链轮以及相应的柔性件组成。电动机通过减速器带动柔性件使载货台升降。常用的柔性件有钢丝绳和起重链两种。链条传动的缺点是自重量大，有可能突然断裂，不安全，因而本传动机构选用钢丝绳，钢丝绳的优点是质量轻，使用安全，工作噪声低，便于维护保养等等。在堆垛机特殊的工作环境下，为了使起升机构结构紧凑，本设计使用带制动器的电动机。这种电动机具有锥形转子，通电时，转子在磁拉力作用下产生一定的轴向位移，使尾部的锥形盘式制动器同时打开。断电时，磁拉力消失，制动器在弹簧作用下又重新上闸，使电动机很快地停住。起升机构的位置布置在堆垛机的下部，位于立柱外侧。联轴器选用梅花形弹性联轴器，此联轴器是由带突爪的形状相同的两个半联轴器和梅花形弹性元件组成，将梅花形弹性元件置于两个半联轴器的突爪之间以实现联结。联轴器工作时，梅花瓣受压。单向运转时只有半数花瓣参与工作，半数不承载；反向运转时，亦是如此。此联轴器具有结构简单，零件数少，径向尺寸小，不需润滑；弹性块受压，承载能力较高等特点。减速器选用 JZQ 型减速器，它是特为起重机设计制造的低硬度齿面的减速器，制造工艺较容易，有很多中小型厂均有现成产品供货。卷筒为与减速器配合的自制卷筒，通过齿轮连接盘与减速器的低速轴齿轮轴端相连。此卷筒的特点是卷筒轴不受转矩，只承受弯矩，为封闭式传动，不易受外界环境干扰。9钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端固定在机架的上横梁上，钢丝绳通过安装在立柱上的定滑轮导向，带动安装在载货台上的两个动滑轮使载货台升降。2.2.22.2.2 堆垛机行走机构传动方式的选择堆垛机行走机构传动方式的选择堆垛机的行走机构是堆垛机水平运行的驱动装置。一般由电动机、联轴器、制动器、减速箱和行走车轮组成。本设计选用三合一减速器，把突缘电动机、盘式制动器和减速器做成整体，选用标准件，提高了系统的可靠性。采用带平衡架及水平轮的车轮组，平衡架使两个车轮的轮压相等，车轮为无轮缘圆柱车轮，是为了避免车轮在运行时轮缘啃轨，同时为了防止出轨在轨道两侧加水平导向轮。本传动系统为地面支承式，三合一减速器和车轮组安装在堆垛机下横梁下方起支承和驱动作用，上部用导向轮运行在工字钢的下翼缘上来防止堆垛机倾倒或摆动。由于驱动装置装在堆垛机下下部，容易维修保养。2.2.32.2.3 堆垛机机架的设计堆垛机机架的设计上横梁是由四块钢板焊接而成的箱形结构，其与立柱间通过焊接联结在一起。立柱由角钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面，具有抗扭、抗弯刚度大，重量轻，耐磨性好等特点。下横梁也是由四块钢板焊接的箱式矩形断面，具有较大的抗扭、抗弯刚度。下横梁与立柱间通过焊接联结在一起。2.2.42.2.4 堆垛机货叉的设计堆垛机货叉的设计货叉装置是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上。本机构采用二级直线差动式伸缩货叉，由上叉、下叉及起导向作用的滚针轴承等组成，以减少巷道的宽度，且使之具有足够的伸缩行程。由于存取货物时货叉伸出的距离已经超过本身的长度，所以货叉为级伸缩装置，下叉固定在载货台本体上，起支承作用，上面的上叉叉取货物。货叉的伸缩可以采用齿轮齿条传动或者链轮链条传动，本设计采用齿轮齿条传动，齿轮齿条传动具有结构简单，传动关系清晰等优点。货叉装置采用二级直线式伸缩货叉，叉体体积小、刚性大，且具有超载保护功能。货叉主要由电动机、联轴器、减速器、链轮链条传动装置、齿轮齿条传动装置、下叉、上叉和滚针轴承等组成。10 上叉由上叉叉板、上叉支承板、上叉齿条板组成，上叉叉板直接承载货箱，为了防滑选用花纹钢板，上叉支承板则安装有支承上叉的四个滚针轴承，使上叉相对于中叉运动，上叉齿条板下方焊接有齿条，由装在中叉连接板上的双啮合齿轮传递动力。中叉由中叉活动导轨、中叉连接板、中叉齿条板组成，中叉活动导轨支承在四个滚针轴承上，四个滚针轴承分别装在下叉立板和下叉支承板上，中叉连接板则把中叉齿条板、中叉活动导轨和双啮合齿轮连接起来，中叉齿条板下方焊接有齿条，通过传动轴上的齿轮传递动力。下叉由下叉支承板、下叉立板、下叉齿条板和下叉底板组成，下叉支承板下部安装有滚针轴承，支承起传动轴，上部安装有支承中叉活动导轨的滚针轴承，下叉立板也安装有支承中叉活动导轨的滚针轴承，下叉齿条板的顶部装有齿条，提供与双啮合齿轮啮合的下齿条，下叉底板则是整个货叉的支承板，其上固定有电动机、减速器、下叉立板、下叉齿条板、下叉支承板和双向挡板。焊接在下叉底板上的双向挡板则限制货叉的极限伸缩位置。整个货叉的传动原理是，电动机通过联轴器、减速器减速把动力传递给减速器轴端的链轮，轴端链轮通过链条把动力传递给传动轴，传动轴上的链轮和减速器轴端的链轮一样大，链轮链条传动比为 1。安装在传动轴轴端的齿轮通过中叉齿条板把动力传递给中叉，使中叉以一定的速度相对于下叉运动，而安装在中叉连接板上的双啮合齿轮以中叉速度与中叉一起运动，双啮合齿轮下面与下叉齿条板上的齿条啮合，上面与上叉齿条板上的齿条啮合，下叉齿条板不动，那么上叉齿条板则以二倍于中叉的速度向前运动。当电动机反向时中叉与上叉则反方向运动，从而实现货叉的双向存取货物。焊接在下叉底板上的双向挡板与焊接在中叉连接板底部的双向挡板配合使用，当货叉运行到极限位置时上、下双向挡板相碰，从而使货叉停止运动。联轴器为限力矩联轴器，当力矩超过设定值时，联轴器内部的钢珠打滑，从而保护货叉受到破坏，提高系统的安全性。本货叉传动系统除了电动机、联轴器和减速器安装在货叉左侧以外，基本为对称布置，左半部分相当于左货叉，右半部分相当于右货叉，这样链轮链条传动布置于货叉中间，从而提高系统的平稳性。112.2.52.2.5 堆垛机安全方案的确定堆垛机安全方案的确定为了保护人身、设备和货物的安全，堆垛机必须具有完善的安全保护措施：（1）堆垛机在行走、载货台升降和货叉伸缩终端处都设有机械和电气限位装置。（2）货物检测载货台上设有货物超高、超长和超宽检测装置。在货物进入载货台时，当检测到货物超过设定高度、长度或宽度时，堆垛机便停止运行并报警。一般允许误差为 30 一 40 mm，检测元件采用对射或反射式光电传感器。（3）载货台上还设有检测货叉是否回位、货叉上有无货物和货位中有无货物的装置。如货叉没有回位，堆垛机不能水平运行;如货叉上已有货物，则不能再取货;人库时，必须检测货位中有无货物，以避免发生事故。（4）断电保护如载货台升降过程中忽然断电，则通过提升电机制动使载货台停在当前位置，不会掉落下来。（5）载货台断链保护提升链条通过压簧与载货台相连，当链条由于长时间使用或意外原因忽然断裂时，弹簧弹开链条，检测装置检测到链条时，便驱动相应装置使载货台停在当前位置，不至于掉下来，同时整个堆垛机停止运行。2.2.62.2.6 堆垛机电控部分的设计堆垛机电控部分的设计巷道式堆垛起重机电气设备主要包括电气传动和控制设备。电气传动设备采用变频调速，具有较好的调速性能。控制设备采用可编程序控制器，具有可靠性高，抗干扰能力强等特点。2.3 堆垛机的技术参数堆垛机的技术参数堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用，将直接影响到整座立体仓库的运行效率和经济效益。合理的选择各项参数，将大大提高整个系统的运行效率和经济效益。我国现阶段立体仓库中，堆垛机技术参数的选用上，和世界先进水平相比，存在着较大的差别。（1）堆垛机的速度参数。与堆垛机的速度有关的参数，主要指水平运行速度、起升速度和货叉伸缩速度。这三项参数的高低，直接关系到出入库频率的高低。（2）堆垛机的尺寸参数。堆垛机的尺寸参数较多，例如起升高度、下降深度、整机全长、最低货位极限高度等。其中最低货位极限高度，即货叉上表面从最低一层货格的低位到地轨安装水平面的垂直距离。该参数涉及合理利用有12效空间，增加库容量，亦是评价堆垛机设计水平的标准之一。目前，国内立体仓库堆垛机的最低货位极限高度普遍偏高。（3）堆垛机的货叉下挠度。货叉下挠度，是堆垛机的一项非常重要的性能参数，直接关系到堆垛机是否能正常工作。因结构型式、材料及加工热处理工艺的限制，同等状况下，目前国内立体堆垛机的货叉下挠度要比国外大 20%30%。改进货叉结构，合理选材，提高工艺手段，是减少货叉下挠度，保证堆垛机工作性能的重要措施。（4）堆垛机的噪音。堆垛机在高速运行和升降中，特别是在同时进行时，由于车轮与轨道摩擦和提升链条或钢丝绳的振动、摩擦等，将产生较大的噪音。标准中规定，堆垛机在工作时，其噪声值不高于 84 分贝。目前立体仓库实际应用表明，对于行走速度不超过 80 米/秒的，还可以保证，超过 100 米/秒以上的，一般难以保证。（5）堆垛机的驱动机构。目前，国内立体仓库堆垛机的驱动机构中，电机减速机普遍采用德国、日本、意大利的产品，也有少数采用国内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备、各项技术参数和综合性能要求都非常严格，如无故障率应大于 97%，停准精度10mm，以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。因此，现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，建议选用国外先进的产品，以保证堆垛机的整机性能。（6）堆垛机的起重量和载荷参数。包括额定起重量、总起重量、堆垛机总重量、堆垛机设计重量和轮压。额定起重量是堆垛机的主要性能参数、它是堆垛机允许起升的货物和托盘（或货箱）的质量的总和。总起重量是被起升的货物，托盘（或货箱） 、货叉、司机室、载货台、固定在载货台上的属具（包括动滑轮组，起重钢丝绳及其它零、部件）及人的质量的总和。堆垛机总重量是堆垛机各部分质量的总和（包括机上电源装置、信号传输装置、控制柜、平衡重和润滑剂在内） 。堆垛机设计重量是整机总质量中，除去润滑剂的堆垛机质量。轮压是一个车轮传递到轨道或地面上的最大垂直载荷。按工况不同，分为工作轮压和非工作轮压。2.4 堆垛机的技术要求堆垛机的技术要求堆垛机是自动化立体仓库的心脏部分。自动化立体仓库的优越性必须通过堆垛机才能充分体现出来。为此，堆垛机必须有严格的技术要求。堆垛机的正常工作条件：13（1）堆垛机正常工作的环境温度范围为-540 摄氏度，在 24 小时内平均温度不超过 35 摄氏度。在 40 摄氏度的温度条件下，相对湿度不超过 50。温度较低时相对湿度可以高一些（2）堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。（3）堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。（4）供电电网进线电源为频率是 50 赫兹，电压是 380 伏的三相交流电，电压波动的允许偏差为。10堆垛机用的金属结构件的材质：必须按国家规定的行业标准来选择钢材，如上横梁、下横梁、立柱和载货台等重要构件。对车轮、齿轮、滑轮、卷筒和货叉等重要零件的材质必须保证。堆垛机结构件的焊接：首先要求焊条、焊丝和焊剂必须与被焊接的材料相适应。焊接坡口应符合国家技术标准。焊接不得有明显缺陷，重要构件的主要受力部件的焊缝质量等级不得低于 GB/T33231987 中的级。对通用零部件的要求：（1）对链条链轮的要求堆垛机载货台频繁地上下运动主要是靠链轮和链条来完成的。为此要求采用短节距精密滚子链。要求链轮的齿形和公差应符合 GB/T12431997 的规定，特别要求链轮的轮齿和凹槽不得有损伤链条的表面缺陷。此外，必须经常润滑链条和链轮。链条强度许用安全系数不得低于 6。（2）对钢丝绳的要求钢丝绳必须采用 GB/T89181996 中规定的圆股钢丝绳。绝对不能把钢丝绳接长之后再用。钢丝绳强度许用安全系数不得小于 6。（3）为了防止堆垛机停止时产生冲击和振动，必须采用缓冲器减振缓冲器采用橡胶、工程塑料或液压方式。要求缓冲器能承受堆垛机以 70的额定载荷运行速度的撞击。（4）对螺栓和螺母的要求要求主要受力部件所用螺栓性能等级不低于 8.8 级，螺母性能等级不低于8 级。要求高强度螺栓性能等级不低于 10.9S 级，高强度螺母性能不低于 10H级。14（5）制造和组装要求要求下横要求堆垛机上横梁的水平弯曲，K 为上横梁全长。梁1/1000fK的水平弯曲，B 是主、从动轮轴距。按照机械工程实际经验，只允2/1000fB许下横梁向上拱曲，其上拱度。/1000FB在制造中必须严格要求按照标准制造堆垛机的每一个零部件。此外，对组装后的堆垛机框架必须严格检查各种尺寸。要求导轨之间平行度误差小于6mm。对角线和的误差小于 4mm，道轨内侧 C 值的误差为，两道轨同1d2d3mm一侧面的平面度公差值在 4mm 以内，对角线检测点在距立柱上、下安装面100mm 处， 和之差在 3mm 之内。1n2n（6）性能要求货叉的工作性能堆垛机工作台升降时，货叉对各货位存取位置和最高、最低工作位置应满足设计要求。货叉在承载额定载荷条件下，工作行程应满足设计要求，并且伸至最大行程时，货叉下挠度应小于 20mm。货叉伸缩的额定速度误差不大于，5%货叉伸缩和复位的停准精度小于。为了安全，要求货叉伸出过程中碰到5mm障碍物，当阻力达到一定值时，货叉离合器打滑，使货叉停止伸叉运动。堆垛机的运行性能堆垛机运行的额定速度应符合设计值，误差应小于。10mm载货台升降性能载货台的升降额定速度应符合设计要求，误差应小于，在速度换档时5%不能有强烈的振动，并有良好的制动性能，其停准精度小于。10mm动载荷试验在堆垛机调试过程中，必须进行动载荷试验，试验载荷为，时堆1.25nGnG垛机的额定起重量。在载荷条件下，进行堆垛机运行、载货台的升降和1.25nG货叉伸缩试验。要求各部分运动和功能正常。静载荷试验对堆垛机除了动载荷试验外，还要进行静载荷试验。静载试验载荷计算kP如下： （2.1）knPKG式中 K静载试验的载荷系数 （2.2）1.251/2K15式中提升载荷系数，按如下规定选取：理论加速度 ；20.6/am s1.1 0.0022nv理论加速度 ；21.3/am s1.20.0044nv理论加速度 。21.3/am s1.30.0066nv式中额定提升（下降）速度（m/min）nv静刚度试验堆垛机的静刚度试验载荷是额定起重量。在载货台升到立柱上限位置时进行测量，当提升高度不大于 10m 时，其静刚度值应小于；当提升高度/2000nH大于 10m 时，其静刚度值应小于。为堆垛机全高。/1500nHnH堆垛机的无故障率 S为了确保自动化立体仓库的正常运行，要求堆垛机的无故障率大于 97。无故障率 S 的计算公式如下： （2.3）100%ptpSSSS式中商定的试验循环作业次数；pS在试验过程中发生的故障次数tS堆垛机的噪声要求堆垛机噪声必须控制在 84dB(A)之内。为了设计和制造出性能优良的堆垛机，堆垛机的设计参考要点如下：1.起吊重力起吊重力包括吊具重力。额定载荷等于起吊重力减去吊具重力。2.水平载量为求吊具急停时的惯性力，把外框作为杭架结构来分析。为了求出决定钢结构的变形，必须计算应力和应变。3.增加系数在设计货叉时，为防止特殊载荷条件下货物倾倒，货叉尺寸应比相应原设计尺寸增加。4.使用循环次数（寿命）堆垛机工作时间按 8h/日，300 日/年，1 个工作循环为 100s，开动率为0.7，寿命按 10 年计算，则510 300 3600 8 0.7 /1006 10 循环1617第第 3 3 章章 堆垛机起升机构的设计堆垛机起升机构的设计3.1 起升机构的总体选型起升机构的总体选型起重量，起升速度 v=0.5m/s，接电持续率 JC=25%，起升高度300pCkgH=8m1.定机构的工作级别堆垛机工作级别根据堆垛机使用条件的两个重要数据载荷状态和利用等级来划分，是堆垛机设计的依据，现由设计原始数据和堆垛机实际运行情况选定三个参数如下：利用等级 T4，载荷情况 L2，工作级别 M42.计算钢丝绳最大静拉力并选择钢丝绳采用单联滑轮组，此时：m=nm滑轮组倍率n悬挂物品挠性件分支数起升机构以省力钢丝绳滑轮组作为执行构件，选取悬挂物品挠性件分支数n 为 2，滑轮组倍率 m 为 2钢丝绳最大静拉力为: max0300 9.8115022 1 0.98QSNqa Q起升载荷（N） ，gCQp2/81. 9smg 起升质量，即起重量（kg）pCqa滑轮组分支数q滑轮组倍率a滑轮组钢丝绳卷入卷筒根数机构总效率，取为 0.980本机构中 q=2,a=1依据最大静拉力选择型的钢丝绳，钢丝强度极限6 7MPai1570取选择系数 C=0.099钢丝绳直径为 max0.099 15023.84dC Smm取 mmd6=钢丝绳的最小破断拉力（纤维芯钢丝绳） ，钢丝绳的安全系数08.34FKN18为，满足要求0max10001000 8.345.554.51502FnS3.确定最小的卷绕直径取弯曲频率系数，卷筒的工作级别系数，滑轮12h161h的工作级别系数，181h卷筒最小直径， mmdhhDd96611621min 滑轮最小直径 mmdhhDc108611821min设计采用齿轮连接盘式的单层卷绕单联卷筒取以绳槽底测量的卷筒直径（即卷筒名义直径），则以钢丝绳140dDmm圈中心测量的卷筒直径为 146mm卷筒为标准槽形的卷筒，槽距 t=7mm，则总长 2 8 1000(6)(6) 72873.14 146dqHLtmmD 取 L=300mm，满足要求卷筒槽形的槽底半径 R3.3mm卷筒壁厚 0.02(6 10)0.02 140(6 10)8.8 12.8D取mm10卷筒强度计算： (3-1)cpPFAmax1/1其中，P=7mmmax1502FN75. 01Amm10材料为铸造碳钢 ZG270500，则MPascp13522702，满足要求/115020.7513.413510 7cpMPaMPa铸钢卷筒应进行退火处理，不得有裂纹，表面上不得有影响使用性能和有损外观的显著缺陷（如气孔、疏松、夹渣等） 。选择以绳槽底测量的直径为 220mm 的标准滑轮。4.选择电动机并验算制动力矩19选择的是绕线式交流感应电动机电动机的静功率为 300 9.81 0.51.7310001000 0.85 1stQvPKWmv额定起升速度（m/s）机构效率，初算时近似取85. 0m机构电动机个数选用 Y100L1-4 型电动机，功率为 2.2KW，额定力矩为 2.3Nm 同步转速为1430r/min取，对绕线电动机，H=2.1，因此3.2M，满足要求2.1300 9.81 0.51.582.210001 2.31000 0.85nMHQvKWPKWm制动安全系数取 k=1.75（重要起升机构） ，效率取，于是10，满足要求，其中0300 9.81 731.7518.052 23.34 1000bQRTkNmqi 最小制动转矩bTR卷筒半径，146732Rmm5.决定机构的传动比并选择减速器传动系统的总速比为电动机额定转速与卷筒转速之比卷筒转速根据起升速度 v 计算： 6030 1000100065.44 / min3.14 146ddvnrD传动总速比，选用 JZQ 标准减速器的第 IV 档速比143021.8565.44i i=23.34，额定功率为 3.1KW,额定转速为 1500r/min.JZQ250 型减速器，质量为 100kg6.联轴器的选择此联轴器为减速器高速轴使用的联轴器，而减速器低速轴通过卷筒上的齿轮连接盘直接与卷筒连接联轴器采用调节性能较好的梅花形弹性联轴器20选用 LM3 型梅花形弹性联轴器即可，转动惯量为，能长期传20009. 0mkg递的最大转矩为 200Nm，满足要求3.2 卷筒的设计卷筒的设计3.2.13.2.1 卷筒部件计算卷筒部件计算卷筒名义直径 D=140mm，螺旋节距 t=7mm，卷筒长度 L=200mm，壁厚，钢丝绳最大静拉力10mmmax1502SN（1）卷筒心轴计算轴的材料为 45 号钢，调质处理。通过做草图得到卷筒心轴的支点位置如下图 3.1 所示，图 3.2 为卷筒心轴的力学计算简图。图 3.1 卷筒心轴的支点位置图 3.2 卷筒心轴的计算简图.支座反力1502(31625.5) 1502 46.51602316ARN211502 (31646.5) 1502 25.51402316BRN 轴右轮毂支承处最大弯矩46.51402 46.565190BMRN mm轴左轮毂支承处最大弯矩25.51602 25.540850AMRN mm计算选用右轮毂支承处最大弯矩.疲劳计算对于疲劳计算采用等效弯矩，选等效系数，等效弯矩1.1 1.1 6519071710ddMkMN mm弯曲应力 337171024.10.10.1 31dMMPad轴的载荷变化为对称循环轴的材料为 45 号钢1600;300;0.43258bsbMPaMPaMPa许用弯曲应力 (3-2)111Kn式中 n=1.6安全系数K应力集中系数，1.4 1.151.61xmKKK与零件几何形状有关的应力集中系数1.4xK 与零件表面加工光洁度有关的应力集中系数1.15mK故125811001.61 1.6MPa，通过1.静强度计算卷筒轴属于起升机构低速轴零件，其动力系数取为21.2c max21.2 6519078230cMMN mm maxmax337823026.30.10.1 31MMPad许用应力22 300187.51.6sMPan，通过 max故卷筒轴的疲劳和静强度计算通过（2）选择轴承由于卷筒轴上的左轴承的内、外圈以同样转速转动，故无相对运动，可按照额定静载荷来选择。右轴承的外座圈固定，内座圈与轴一同旋转，应按照额定动负荷来选择.左端轴承轴承的额定静负荷 (3-3)000Cn P式中额定静负荷0C当量静负荷0P安全系数，取0n01.04n 选用调心球轴承，型号为 1205，轴承的额定静负荷，左轴承的03300CN当量静负荷 01.1 16021762dAPf RN式中动负荷系数1.1df 选取，安全0001.04 17621832n PNC.右端轴承令右端轴承也采用 1205，其额定动载荷动负荷 12000C 右轴承的径向负荷 1.1 14021542rdBFf RN轴向负荷0aF 设轴承工作时数，查得 1205 轴承的 e=0.27，令，故4000hLh0arFeFx=1，y=2.4，当量动载荷 1 15422.4 01542raPxFyFN (3-4)6310()60hCLn P式中轴承的寿命，单位为h hL23n轴承内外圈的相对转速，r/min。C轴承的额定动载荷，单位N所以 33666060 63.6 4000()2.4811010hnLCP故动负荷，安全 ()2.481 15423826CCPNCP（3）绳端固定装置计算根据钢丝绳直径为 6mm，选择压板固定装置并将压板的绳槽改用梯40形槽。双头螺柱的直径 M6已知卷筒长度计算中采用的附加圈数，绳索与卷筒绳槽间的摩擦系02Z 数。则在绳端固定处的作用力0.15f max0.15 41502633faSSNee压板螺柱所受之拉力 163318190.150.198SPNff式中压板梯形槽与钢丝绳的换算摩擦系数。当时1f40 10.150.198sincos0.6430.15 0.766fff螺柱由拉力和弯矩作用的合成应力 (3-5)23111.30.14MPddZZ式中 Z2（螺柱数）（螺纹内径）14.8dmm 633 11.57279MSlN mm331.3 18197279102.63.14 4.80.1 4.8224MPa螺柱材料为 Q235，屈服极限，则许用拉伸应力为240sMPa 22401501.6slPMPan式中取安全系数21.6n 因为 l24所以通过3.2.23.2.2 齿轮连接盘的计算齿轮连接盘的计算（1）选择齿轮连接盘材料齿轮连接盘选用45号钢，调质处理 HBS245-275HBS（2）按齿面接触疲劳强度计算 (3-6)3(0.013 0.022)/tvn P n确定齿轮连接盘内齿轮传动精度等级，第公差组7级齿轮连接盘内齿轮的分度圆直径 (3-7)32211)(1(2HdHEZZZKTd齿宽系数按齿轮相对轴承为悬臂布置取为0.14d内齿轮齿数Z40内齿轮转速与卷筒转速相同65.44 / minnr内齿轮转矩=9.55106P/n9.551062.2/65.44=3.211Nmm 1T510载荷系数 K= (3-8)AKVKKK使用系数KA=1动载荷系数KV=1.2齿向载荷分布系数=1.K齿间载荷分布系数1.1K则载荷系数k的初值k=11.21.11.11.452弹性系数=189.8EZ2/mmN节点影响系数=2.5HZ重合度系数=0.87Z许用接触应力 (3-9)HWNHHSZZlim接触疲劳极限应力limH=570N/limH2mm应力循环次数得N=60nj=6076.71（83008）8.8 hL710则接触强度得寿命系数1NZ硬化系数=1WZ25接触强度安全系数1.1HS57011/1.1=518 N/H2mm故的设计初值1td (3-10)32211)(1(2HdHEZZZKTd=79.6 232 1.452 321100 1 1 189.8 2.5 0.87()0.141518A齿轮模数m=79.6/40=1.99所以取m=21/tdZ内齿轮分度圆直径的参数圆整值为=Zm=402=801d因为齿宽系数0.14d所以齿轮齿宽10.14 8011.2dbdmm对于正常齿，1ah0.25c齿顶高1 22aahh mmm 齿根高*()(1 0.25)22.5fahhc mmm齿顶圆直径2802 276aaddhmm 齿根圆直径2802 2.585ffddhmm 选取与齿轮连接盘相配的减速器，其低速轴齿轮轴端的模数为2mm，齿数为40（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算 (3-11)112aaFSKTFY Y YFbd mA齿形系数 内齿轮=2.60aFYaFY应力修正系数 内齿轮=1.60aSYaSY重合度系数 0.250.75/0.250.75/1.720.69aY许用弯曲应力 F= (3-12)lim/NxFF Y YS弯曲疲劳极限=460 N/limF2mm弯曲寿命系数1NY 尺寸系数Yx=1安全系数=1.3FS则26 46011/1.3=353.85 N/ lim/NXFFFY YS2mm故=21.463211002.551.630.70/(601806)F =32.18 N/2mmF3.3 堆垛机行走机构的选型设计堆垛机行走机构的选型设计起重量，Q=2943N，运行速度 v=2.3m/s，JC=25%,堆垛机300pCkg自重 m=5000kg，机构工作级别为 M4，比值3000.065000pCm1.确定车轮直径根据经验，由于机构布置上的原因，堆垛机自重在四个车轮上的分布是不均匀的，假设不均匀系数为 1.2，则最大一个车轮由堆垛机自重引起的轮压为：5000 9.811.2147104tRN起升载荷在四个车轮上的分布可以认为是均匀的，于是每一只车轮由起升载荷产生的轮压为：129437364RN从而可得车轮的最小轮压（就是空载轮压）：min14710tRRN最大轮压为满载轮压，即：max115446tRRRN车轮的等效疲劳计算载荷为： maxmin22 15446 147101520033cRRRN采用带平衡架及水平轮的车轮组，为了避免车轮在运行时轮缘啃轨，车轮采用无轮缘圆柱车轮，为了防止出轨在轨道两侧加水平导向轮，车轮直径D=250mm，车轮允许轮压为 25.8KN，满足要求2.选择电动机取运行阻力系数（滚动轴承） ，于是：0095.0= 0.0095 (29435000 9.81)494fFGNG运行质量的重力（N）取机构的总效率，则运行静功率为：85.0=027 0494 2.31.3410001000 0.85ststF vPKW选用机座号为 QS08 的三合一减速器，其内含电动机是机座号为 112M 的YZR 型绕线型电动机，在 JC=25%时，额定功率为 1.831KW，同步转速为1000r/min，转动惯量20275.0=mkgJa3.电动机发热验算稳态功率 02.30.9 4941.210001000 0.85sfvPGFKWG稳态载荷平均系数对巷道堆垛机的运行机构，CZ=600，对于 YZR112 型电动机，CZ=600 时的允许功率为 1.62KW，大于稳态功率，因此发热验算通过1.2sPKW4.验算减速器车轮的转速 60100060 2.3 1000176 / min3.14 250vnrD传动机构的速比为10005.68176i 选用机座号为 QS08 的三合一减速器的 IX 档，速比 i=8.23，满足要求5.验算制动器减速度取为,则减速时间20.6/am s2.33.80.6vtsa于是制动转矩为： 5300 2.3(494) 2503.8()/(1000 2 )59.71000 2 5.68bfmvTFDiNmt 机座号为 QS08 的三合一减速器内含的盘式制动器制动力矩为 200Nm，满足要求6.主动轮打滑验算堆垛机运行机构采用单个车轮为主动轮，这样主动轮的轮压可取为总轮tN压的四分之一 ()(3005000) 9.811299844ptCm gNN取粘着系数，则粘着力为：15.0=02800.15 129981950tNN不打滑的条件为： (3-14)tatNDdtvMN00上式右端，满足要求2.30.15 70(3005000)1299826623.8250ND,d车轮及其轴径（mm）M运行的总质量(kg)v额定运行速度(m/s)起动时间（s）at7.钢轨的选择选用型号为 P15 的轻轨，头宽 42.86mm, 理论质量 15.2kg/m, 与车轮相匹配3.4 堆垛机机架的选型设计堆垛机机架的选型设计机架的立柱是由角钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面结构，此结构具有抗扭、抗弯刚度大，耐磨性好等特点。立柱分段制造，每段 3 米，安装时通过各段头部的法兰盘连接，再由高强度螺栓连接，立柱与下横梁、上横梁焊接在一起。立柱角钢选用热轧等边角钢，边宽度为 63mm，边厚度为 10mm，内圆弧半径为 7mm。立柱钢板选用公称厚度为 25mm 的热轧钢板，法兰盘钢板也选用公称厚度为 25mm 的热轧钢板，螺栓选用 M30 高强度螺栓。下横梁由四块钢板焊接而成，钢板选用公称厚度为 50mm 的热轧钢板。上横梁也由四块钢板焊接而成，钢板选用公称厚度为 20mm 的热轧钢板。载货台立板选用公称厚度为 20mm 的热轧钢板。3.5 货叉传动装置的总体选型货叉传动装置的总体选型取运行阻力系数，于是0.85 0.85 300 9.812502fFGN式中G运行质量的重力（N）取机构的总效率，则运行静功率为00.9 02502 0.150.4210001000 0.9ststF vPKW电动机选择型号为YEJ8014的电磁制动三相异步电动机，额定功率为290.55KW，转速为1390r/min，满足要求联轴器选用型号为AQ01的钢球离心式软起动安全联轴器，传递功率为0.6KW，具有过载保护功能，满足要求减速器选用减速比为29的WD系列