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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術(shù)的突飛猛進，現(xiàn)代物流作為現(xiàn)代經(jīng)濟的重要組成部分和工業(yè)化進程中最為經(jīng)濟合理的綜合服務模式，正在全球范圍內(nèi)得以迅速發(fā)展。自動化立體倉庫作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，它是在不直接進行人工干預的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)。它是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。
本文以設計了一臺能在倉庫中運輸、堆取貨物的機械設備——雙立柱式巷道堆垛起重機，并著重分析了其升降機構(gòu)、伸叉機構(gòu)、行走機構(gòu)等機構(gòu)的工作原理，并對各機構(gòu)進行分析設計、選取與尺寸計算。內(nèi)容包括：總體運動方案設計和結(jié)構(gòu)分析、起升機構(gòu)的設計、伸叉機構(gòu)設計、行走機構(gòu)設計、機體支架設計及其他裝置設計等內(nèi)容。各機構(gòu)以電機的選取入手，通過對鋼絲繩、卷筒、鏈輪鏈條、皮帶輪皮帶的工作性能的分析設計計算與選取，從而設計合適的雙立柱式巷道堆垛機起重機的機架，進而設計一臺性能完備的雙立柱式巷道堆垛起重機。
關(guān)鍵詞：雙立柱；自動化倉庫；巷道；物流；堆垛起重機；設計
ABSTRACT
Along with continuously develop of the science technology and world economy, modern logistics which are an important part in the modern economy and a most economic reasonable comprehensive service mode in the process of industrialization, develops quickly in the global scope. Automated three-dimensional storehouse as an important composition part in logistics, is one kind of multilayered depositing cargo high structure warehouse systems. It dose not directly carries on the manual intervention in the situation automatically to save and to take out the system which the thing flows. It is the high tech product out of the development of modern industry society, which have the vital significance to enhance the productivity and reduce the cost.
This paper is taking designing a machine named double pillar alley Stacking Crane of engaging in piling things or transportation in storehouse. It analyses it’s hoisting mechanism, stretch fork mechanism , walk mechanism, working principle, and it’s aimed at each mechanism to design, select , and size’s calculate of double post alley stacking crane. Overall sport scheme’s design and analyze of structure, the design of hoisting mechanism , stretch fork’s mechanism design , walk mechanism’s design, organism frame design and other installation designs. Each mechanism with generator select to start, through calculating and selecting of the character of service of wire rope, reel, sprocket chain and the ship leather belt of leather belt to analyze and design, so to design the suitable frame of double pillar alley stacking crane, and then to design a double pillar alley stacker of complete natural capacity
Keyword: Double Pillar; Automated Three-dimensional Storehouse; Alley; Logistics; Stacking Crane; Design
46
第1章 緒 論
隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術(shù)的突飛猛進以及經(jīng)濟全球化的趨勢的加強，各國面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。在這種大形勢之下，現(xiàn)代物流作為工業(yè)化進程中最為經(jīng)濟合理的綜合服務模式和管理技術(shù)已被越來越多的企業(yè)所重視。物流系統(tǒng)的改善和合理性對優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。堆垛起重機是自動化立體倉庫中最重要的起重運輸設備，是代表立體倉庫的標志。本文從堆垛機的應用特點入手，著重就堆垛機的結(jié)構(gòu)設計進行初步的研究[1]。
1.1課題背景
1.1.1巷道堆垛機發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與優(yōu)勢
隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)模的不斷擴大和競爭的日益加劇,市場對企業(yè)物流系統(tǒng)提出了新的要求，自動化立體倉庫是實現(xiàn)物流系統(tǒng)合理化的關(guān)鍵。它具有空間利用效率高、便于實現(xiàn)自動化管理、適時自動結(jié)算庫存貨物種類和數(shù)量、立體倉庫信息庫可以和中央計算機系統(tǒng)連網(wǎng)運行等許多優(yōu)點，對加快物流速度、提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本都有重要意義，因此自動化倉庫受到越來越多的關(guān)注并已開始應用于汽車、電子、醫(yī)藥、煙草、裁減、郵電等許多行業(yè)。倉庫最早是在二戰(zhàn)期間被美國用來存儲油料、槍支、器械等物品。在當時看來這種簡單的設備已經(jīng)具有占地空間小、便于我品的存放與管理等優(yōu)點。到十九世紀五六十年代我國的大部分生產(chǎn)廠家應用倉庫來存儲產(chǎn)品，到七八十年代倉庫已經(jīng)發(fā)展為自動化立體倉庫并得到廣泛應用。隨著倉庫的不斷發(fā)展，倉庫內(nèi)的搬運設施也不斷的優(yōu)化,從最初的人力搬運轉(zhuǎn)化為機械搬運。倉庫內(nèi)的搬運、取貨設備最開始是由一輛引導車牽引一節(jié)裝有起重機的車廂，由起重機來完成貨物的存取與運輸。這種方法與之前的人力相比具有了提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動成本等優(yōu)點，但行走所需空間大，這就降低了倉庫的利用率。為了彌補這種不足，人們就想到了把引導車與起重機結(jié)合到一起來完成貨物的存取與運輸功能，巷道堆垛起重機就是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機，通常簡稱堆剁機。堆剁機是立體倉庫中最重要的起重運輸、搬運、堆垛設備，是代表立體倉庫特征的標志。其主要用途是在接受計算機的指令以后，能在高層貨架巷道中來回穿梭，將貨物從巷道口出入庫貨臺搬運到指定的貨格中，或把需要的貨物從倉庫中搬運到巷道口出入庫貨臺，再配以相應的轉(zhuǎn)運、輸送設備通過計算機控制實現(xiàn)貨物的自動出入庫作業(yè)。其對立體倉庫的出入貨效率有重要影響，是立體倉庫能否達到設計要求和體現(xiàn)其優(yōu)點的關(guān)鍵內(nèi)容之一。20世紀70年代初，我國開始研究采用旱稻式堆垛機的立體倉庫，據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前已建成三百余座。而堆垛機作為立體倉庫中最重要的其中搬運設備，也得到了較快的發(fā)展。
按照現(xiàn)行繼續(xù)界行業(yè)標準，巷道堆垛起重機可以按照支撐方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運行軌跡等分類，但無論何種類型的堆垛機都主要由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、栽貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設備等基本部分組成。堆剁機的分類方式很多，主要分類形式有以下幾種：
①按照有無導軌，堆剁機可分為有軌堆垛機和無軌堆垛機。有堆垛機需沿巷道內(nèi)的軌道運行；無軌堆剁機又稱為高架叉車。在立體倉庫中運行的主要設備有軌道堆垛機、無軌道堆垛機和普通叉車。這三種設備相比較之下，有軌巷道堆垛機對巷到要求寬度小，對倉庫的利用率高切作業(yè)高度高，可以進行手動、半自動、自動和遠距離集中控制，但卻必須配備出、入庫設備。無軌巷道堆剁機由于無軌道限制可以服務于兩個以上的巷道，并可完成高架區(qū)外的做業(yè)。
②按高度不同，堆剁機可分為低層型、中層型、高層形。低層行起重機一般起升高度在5m以下，主要用于分體式高層貨架倉庫及簡易立體倉庫中，中層型堆垛機的起升高度在5-15m之間，而高層型堆垛機的起升高度在15m以上，主要用于一體式的高層貨架倉庫中。
③按照驅(qū)動方式不同，堆垛機可分為上部驅(qū)動式、下部驅(qū)動式、和上下部相結(jié)合的驅(qū)動方式。
④按照用途不同，堆垛機可分為橋式堆垛機和巷道式堆垛機。橋式堆垛機具有起重機和叉車的雙重結(jié)構(gòu)特點，像起重機一樣，具有橋架和回轉(zhuǎn)小車，同時具有固定式和可伸縮式的立柱，立柱上裝有貨叉或者其他取物裝置。橋式堆垛機的堆垛和取貨是通過取貨裝置在立柱上的運動實現(xiàn)的，但由于立柱的高度限制，橋式堆垛機主要適用于12m以下中等跨度的倉庫，且航道寬度較大，適用于笨重和長大物料的搬運和堆垛，并可服務于多條航道。
巷道堆垛機沿貨架倉庫巷道內(nèi)的軌道運行，使得作業(yè)高度提高；采用貨叉伸縮機構(gòu)，使貨叉可以伸縮，這樣就可以使巷道寬度變窄提高倉庫的利用率；巷道堆垛機適用于各種高度的高層貨架倉庫，除以上優(yōu)點之外，巷道堆垛機還要求有較高的運行速度和生產(chǎn)效率、配備出入倉庫裝置較高的制造和安裝精度、多節(jié)伸縮貨叉或貨板、較高的電氣傳動調(diào)速且制動平衡、停車準確、要有安全保護裝置等特點[2]。1.1.2雙立柱巷道堆垛機的分類
巷道堆垛機按結(jié)構(gòu)不同可分為單立柱型巷道堆垛機和雙立柱型巷道堆垛機。
單立柱型巷道堆垛機的機架結(jié)構(gòu)由一根立柱、上橫梁和下橫梁組成一個矩形框架。立柱多采用較大的H型鋼或焊接制作，立柱上附加導軌。整車質(zhì)量較輕，消耗材料少，因此制造成本相對較低，但結(jié)構(gòu)剛度比雙立柱差。由于載物臺及貨物對立柱的偏心作用，以及行走、制動時產(chǎn)生的水平慣性力的作用，使單立柱堆垛機在使用上有局限性。不適用于起重量大和水平運行速度高的堆垛機，適用于重量12t以下，起升高度在16m以下的倉庫。單立柱堆垛機的起升結(jié)構(gòu)普遍采用鋼絲繩傳動，由電機減速機驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，通過鋼絲繩牽引載物臺沿立柱或起升鋼軌作升降運動。對于鋼絲繩傳動，傳動和布置相對容易，但定位準確性稍差。
雙立柱機構(gòu)的堆垛機的機架由兩根立柱和上橫梁、下橫梁組成一個長方形框架。立柱形式有方管和圓管。方管兼作起升導軌，圓管附加起升導軌。雙立柱堆垛機的最大優(yōu)點就是強度和剛性都比較好，并且運行平穩(wěn)。一般對于起升高度較高、起重量較大和水平運行速度較高的立體倉庫堆垛機，多采用雙立柱結(jié)構(gòu)。雙立柱堆垛機的起升機構(gòu)普遍采用鏈條（鋼絲繩）傳動，由電機減速機驅(qū)動鏈輪（卷筒）轉(zhuǎn)動，通過鏈條（鋼絲繩）牽引載貨臺沿立柱或起升導軌作升降運動。由于鏈條傳動多采用封閉鏈或配重裝置，受空間尺寸限制，傳動和布置較復雜，但定位較準確[2]。
1.2設計參數(shù)
表1.1 載重量為3噸的雙立柱巷道堆垛起重機的主要性能參數(shù)
序號
技術(shù)項目
技術(shù)指標
1
主體結(jié)構(gòu)形式
雙立柱、單深位、單貨臺
2
貨叉形式
單副伸縮式存取貨叉
3
適合高度
12m以下
4
適合載荷
小于3t
3
最大走行速度,m/min
120(自動運轉(zhuǎn)時)
4
水平加速度,m/s
0.4(自動運轉(zhuǎn)時)
5
最大升降速度,m/ min
12（滿載）,20（空載）
6
升降加速度,m/s
0.5（自動運轉(zhuǎn)時）
7
最大伸叉速度
20（滿載）,30（空載）
8
伸叉加速度,m/s
0.4自動運轉(zhuǎn)
表1.1 載重量為3噸的雙立柱巷道堆垛起重機的主要性能參數(shù) 續(xù)表
9
水平走行定位精度,mm
5
10
垂直升降定位精度, mm
5
11
伸叉定位精度,mm
5
12
行走驅(qū)動
下部驅(qū)動
13
升降驅(qū)動
電機帶動，鋼絲繩牽引
14
伸叉驅(qū)動
電機帶動鏈輪和鏈條驅(qū)動
15
作業(yè)形式
單一和復合循環(huán)
16
供電方式
低部安全滑觸線
17
控制操作方式
手動/自動/在線
第2章 總體運動方案設計和結(jié)構(gòu)分析
2.1雙立柱巷道物流堆垛起重機的總體運動方案設計
因為與單立柱相比，雙立柱巷道堆垛機具有強度和剛性都比較好，運行平穩(wěn)且定位準確等優(yōu)點，被廣泛應用于自動化立體倉庫中，結(jié)合這一現(xiàn)狀，我決定對雙立柱巷道堆垛起重機進行研究和設計。
為使堆垛機能夠準確、快速、安全、自動搬運貨物出庫，必須滿足以下設計要求：
（1）具備三維運動功能，能在高窄巷道中進行高升降行程作業(yè),可以有效利用倉庫空間,能適應最高層、 最低層、其他層貨位及站臺貨位的存、取貨物。貨叉長度及伸叉行程適應托盤深度及貨架寬度方向尺寸（包括巷道寬度），使單元負載得以正確平穩(wěn)地方入貨位中。在存取貨時，堆垛機的行走及升降運動能同時動作，且行走及升降速度匹配，縮短了作業(yè)時間，即沿巷道來回運動、載貨臺垂直運動、貨叉沿貨架方向伸縮運動能同時進行；
（2）堆垛機的結(jié)構(gòu)設計成熟可靠，結(jié)構(gòu)具有足夠的強度及剛性要求，運行穩(wěn)定可靠，滿足一定的定位精度，重復定位精度不能超過10mm；
（3）具備安全保護措施；
（4）在滿足強度、剛度和可靠性的前提下，盡量減小堆垛機各部分的重量，以減小提升功率和行走時的摩擦阻力；
（5）所有零部件按標準要求采用優(yōu)質(zhì)材料制造，以提高堆垛機整機性能；堆垛機需調(diào)整的零部件以盡量減少，以簡化維護工作并延長使用壽命；
（6）堆垛機起升導軌光滑，保證堆垛機運行平穩(wěn)；
（7）保護倉庫環(huán)境，避免貨物污染受損。根據(jù)以上設計要求制定雙立柱巷道物流堆垛起重機的總體運動方案。
無軌堆垛機在使用過程中雖然因為沒有軌道而節(jié)約了倉庫的地面利用率，但卻存在在存取貨物時不便于控制的缺點，所以我決定針對有軌巷道堆垛機進行研和設計。在這個課題中由于采用上下兩條軌道作為堆垛機滑軌已經(jīng)可以保證堆垛機沿伸叉方向的平穩(wěn)性，所以上下軌道我均采用單軌道作為滑軌，這樣即可以節(jié)軌道占地空間又可以節(jié)約軌道與機器的制造成本。
堆垛機的起升機構(gòu)多數(shù)采用鏈傳動或鋼絲繩傳動，為了減小體積在這里我采用鋼絲繩—卷筒傳動；在伸叉結(jié)構(gòu)中為了保證伸平穩(wěn)性的高精度采用鏈輪—鏈條傳動；在控制行走的部分為了達到體積與平穩(wěn)性的要求采用皮帶輪傳動[3]。
堆垛機結(jié)構(gòu)如圖2.1、2.2所示
圖2.1單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)簡圖 圖2.2雙立柱堆垛機結(jié)構(gòu)簡圖
2.2主要裝置
2.2.1底架
是堆垛機整體支承座，由兩端的行走輪支架及鋼板組焊成的矩形梁構(gòu)成。堆垛機運行時產(chǎn)生的動負荷及靜負荷均由底架傳至行走輪，底架具有很好的剛性。
2.2.2立柱
矩形截面，減小行走運動時的立柱震動，維持走行運行平穩(wěn)。
在立柱上加工升降導向槽，支撐升降臺上下運動，行走時立柱上的導向輪沿著天軌做直線運動，防止立柱左右偏擺，有足夠的穩(wěn)定性。
2.2.3升降載貨臺
為U型結(jié)構(gòu)，其豎支架側(cè)面有深溝球軸承可以在立柱內(nèi)的導向槽內(nèi)沿著立柱升降，升降牽引機構(gòu)采用鋼絲繩方式。
升降載貨臺水平支架上設有貨叉，可左右滑動叉取貨架上的貨物或?qū)⒇浳锓胖玫截浖苌希洸鏋殒溳嗘湕l式驅(qū)動。
2.2.4 行走機構(gòu)
堆垛機底部裝有的四個行走輪支撐整機重量運行 ,使堆垛機沿天地軌方向運動。堆垛機的行走是由裝在后行走輪軸上的帶制動的減速電機帶動的皮帶輪所驅(qū)動的。所選用減速電機通過自身減速使行走更加平穩(wěn)可靠。
2.2.5升降機構(gòu)
以立柱內(nèi)側(cè)的導向槽為導向，升降載貨臺依靠夾在導向槽內(nèi)的深溝球軸承起導向作用以保證上下運行。由減速電機驅(qū)動的升降鋼絲繩拉動升降臺上下運動。所選用電機通過減速器實現(xiàn)速度降低，讓升降更加平穩(wěn)可靠。此電機能將載貨臺穩(wěn)定的保持在一定的高度。
升降部分包括卷筒、滑輪。
2.2.6貨叉驅(qū)動機構(gòu)
由減速電機驅(qū)動一個鏈輪鏈條機構(gòu)，使得貨叉可以伸縮取貨。電機功率很小，在接觸障礙時，電機堵轉(zhuǎn)不會影響堆垛機和叉體的安全。所選用電機通過自身減速讓升降更加平穩(wěn)可靠。
貨叉的伸叉速度可按空載的不同自動調(diào)整，且速度曲線柔順平滑，讓承載貨物保持穩(wěn)定[4]。
2.2.7堆垛機的控制裝置
自動運行的堆垛機控制系統(tǒng)必須具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、貨叉控制、安全保護功能、自我診斷故障的功能等多種控制功能。
1、位置功能
位置控制就是確定堆垛機停止在作業(yè)位置的功能。
自動化立體倉庫一般都采用高層貨架結(jié)構(gòu)，以X、Y、Z坐標表示貨架的行、列、段的方向，用三維坐標表示貨物的位置。為了自動確定位置，也就是為了在某一位置發(fā)出減速指令使堆垛機減速，在規(guī)定位置發(fā)出停機信號，就必須檢測現(xiàn)在的位置。本設計中位置的檢測可由在個坐標軸上按一定的間隔裝設的傳感器來進行檢測。
2、速度控制
速度控制包括對提高作業(yè)效率有關(guān)的高速度，防止貨物倒塌以及不至于使堆垛機發(fā)生沖擊的加速度和減速度，以及為便于高精度定位的最終穩(wěn)定微速度等的速度控制。
3、貨叉控制
根據(jù)堆垛機出庫和入庫作業(yè)，伸縮貨叉向左側(cè)或右側(cè)進行叉取操作的順序控制功能.
4、安全保護裝置
堆垛機的立柱高度達10米，載貨臺的升降速度也達到20m/min,而載貨臺是沿堆垛機立柱的導軌上下運行的承載結(jié)構(gòu)，上有貨叉機構(gòu)、駕駛室等。為了保證堆垛機正常工作，確保操作人員的人身和貨物的安全，其上必須配備完善的安全保護裝置。本設計中設置以下幾種保護裝置：
（1）堆垛機貨叉上、下限自動停止保護
在堆垛機貨叉在進行升降運動時，不能超過導軌的上端和下端極限。因此可
以在上下端各設置一個限位開關(guān)來實現(xiàn)該功能。
（2）載貨臺負荷限制
在載貨臺超載時，發(fā)出報警信號并切斷起升機構(gòu)動力。當載貨臺被托住，鋼絲繩松弛時，也會發(fā)出停止運動的報警信號并切斷動力。因此可設置熱繼電器來作為檢測裝置，再安裝一個蜂鳴器作為警報提示。
（3）駕駛室的安全保護
為確保駕駛室里操作人員的人身安全，駕駛室門安全與否非常重要?？稍O置一個限位開關(guān)來檢測其功能，若發(fā)現(xiàn)不安全則堆垛機就會完全停止工作。
（4）速度轉(zhuǎn)換裝置
當堆垛機走到軌道的某一位置時應以高、中、低速 的某一速度行進時，就需要通過速度裝換裝置來實現(xiàn)這一功能。本設計中可以設置一個接近開關(guān)。
（5）貨叉保護裝置
堆垛機在進行工作過程中，為了確保當貨叉伸縮到一定位置時就回自動停止，可設置一個機械制動器來實現(xiàn)該功能。
（6）載貨臺斷繩保護裝置
當鋼絲發(fā)生斷裂時,能夠自動可靠的將載貨臺停止，避免溜車或墜車事故的發(fā)生.因此對這種安全保護裝置的設計要求是靈敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單。本設計中采取連桿凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)這一功能要求。一旦鋼絲繩斷裂，彈簧通過連桿機構(gòu)使凸輪卡在升降機構(gòu)的導軌里阻止載貨臺墜落。正常工作時，提桿平衡載貨臺及其上貨物的質(zhì)量，彈簧處于壓縮狀態(tài)，凸輪與升降機構(gòu)的導軌分離[4]。
2.3本章小結(jié)
本章對堆垛機的組成進行了詳細的介紹，通過設計構(gòu)思和計算對其重要部件進行了選取。通過綜合考慮對整體方案進行了對比，選取了適合自己的最佳方案。
第3章 雙立柱巷道堆垛機起升裝置的設計
3.1電動機的選擇計算
3.1.1選擇電動機類型
異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高。
變頻調(diào)速，可滿足堆垛機出入庫穩(wěn)定操作和高速運行的要求。變頻調(diào)速具有啟動性能好、調(diào)速范圍寬、速度變化平穩(wěn)和完善的過電壓過電流保護功能[5]。
按已知工作要求和條件選用YVF2系列變頻可調(diào)速三相異步交流電動機。
3.1.2選擇電動機容量
工作機所需功率P為
P= (2.1)
式中：P——發(fā)動機功率（kw）
F——作用力（N）
V——運行速度
電機的輸出功率P為
P=KW (2.2)
式中，為電動機至滾筒軸的傳動裝置總效率。
取凸緣聯(lián)軸器效率=0.99；滾動軸承效率=0.995；蝸桿傳動效η蝸=0.82；卷筒的傳動效率η卷=0.95，則η=0.99×0.9952×0.82×0.95=0.764，
由 PW=Fw.vw1000ηw=3000×9.8×12/601000×87%≈6.8
故 P0=PWη=6.80.764=8.9kw
因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率Pw只需稍大于P0即可，查Y2系列三相異步電動機技術(shù)手冊，選取電動機額定功率Pm=11KW，即所選電動機型號為YVF2-180L-8
3.2鋼絲繩和滑輪設計
（1）鋼絲繩的選擇
GB3811—83計算考慮全面，計算精確，計算方法如下：
（2.3）
式中：d——鋼絲繩最小直徑mm；
F——鋼絲繩最大靜拉力N；
C——選擇系數(shù)mm/。
選擇系數(shù)c按下式計算：
（2.4）
式中：n——安全系數(shù)；
k——鋼絲繩捻制系數(shù)；
w——鋼絲繩充滿系數(shù)。
對于一般的起升機構(gòu)n值為6；選取鋼絲繩，則k=0.98；鋼絲繩充滿系數(shù)w=0.46，=1850MPa。
則
鋼絲繩的拉力 （2.5）
已知m=31000kg,g=9.8N/kg;
因為是左右兩根鋼絲繩同時作用
可求得單根鋼絲繩上=1.510009.8=14700N；
由此可求得 =0.096=11.64mm
參照GB8918-88 選取d=12mm。
即所選鋼絲繩為： 12NAT619S+1WR+NF1670ZS35.2723.59GB8918-88
根據(jù)鋼絲繩與滑輪匹配關(guān)系表查得與d=12mm的滑輪外徑D=315mm，軸徑=45mm；選用A型滑輪；
則所選滑輪型號為： 滑輪A12315-45 JB/T9005.3[6]
3.3 起重卷筒設計
卷筒上有螺旋槽部分長為
P （2.6）
雙聯(lián)卷繞卷筒長度為
LS=2(L0+L1+L2)+Lg （2.7）
式中：D1——卷筒名義直徑,D1=hd
——鋼絲繩直徑
——最大卷起高度
a——滑輪組倍率
——卷筒計算直徑
——固定鋼絲繩的安全圈數(shù)
L1——無繩槽的卷筒端部尺寸
L2——固定端尾端所需長度，L2≈3P
已知：d=12mm，查GB/T3811-1983，h常取6
D1=hd=12*6=192
則 D0=D1+d=192+12=204mm
查機械設計手冊表8-1-60取D0=315mm
——繩槽槽距
查表8-1-59卷筒槽形得知P=14mm，槽底半徑R=6.5mm。
取Z=2，則
LS=2（198+60+20）+44=600mm
即卷筒的標記為：卷筒A315*600-6.5*14-12*1-左JB/T9006.2-1999[6]
3.4 渦輪蝸桿減速器的選取
因為蝸桿與電機軸通過凸緣聯(lián)軸器相連，所有蝸桿轉(zhuǎn)速與電機軸轉(zhuǎn)速相等，
升降機構(gòu)中的減速器可根據(jù)機構(gòu)的傳動比從標準中選用。
升降機構(gòu)的傳動比由下式確定：
（2.8）
式中：—電動機額定轉(zhuǎn)速；
—卷筒的轉(zhuǎn)速,n=6*104V4πD=12.13
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.8）中算得：i=72012.13=59.36
查減速器和變速器設計與選用手冊，選取減速器型號為：
SCWS 250-63-IIFJB/T6387[8]
3.5 本章小結(jié)
本章主要對堆垛機的升降機構(gòu)進行了設計和計算，并對其中的重要部件進行了校核計算。符合自己的設計。
第4章 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設計計算
4.1伸縮貨叉的擾度與強度
所設計的貨叉是指貨叉插入貨架中的部分,應以厚度盡量薄,同時貨叉前端的擾度控制在最小，作為設計的目標.
貨叉各參數(shù)如下:
W: 載荷
I ,I, I: 分別為下叉 中叉 上叉的重力方向的慣性矩
E: 材料的縱彈性系數(shù)
4.1.1下叉的受力分析:
如圖4.1所示
圖4.1下叉的受力分析
進行受力分析時，在AC段內(nèi)取距A端為x的任意截面為研究對象，則該截面上產(chǎn)生的反力P=W l/b
ax l時的彎矩方程為：
M= - P(x-a) （4.1）
用積分法求得BC端截面轉(zhuǎn)角為：
i = i-dx= i- [+(x-a)] （4.2）
BC端截面撓度為：
= ix-dx= ix-[+(x-a)] （4.3）
當x= 0時,A端的截面轉(zhuǎn)角
i= -( +b) （4.4）
當x=l時，將式（4.3）代入式（4.2）和式（4.1）中，分別算得在c點處的轉(zhuǎn)角和撓度。
= - （4.5）
= -l （4.6）
4.1.2 中叉的受力分析
如圖4.2所示：因載荷W的作用，在b間產(chǎn)生反力P,P，
圖4.2 中叉的受力分析計算
進行受力分析時，在BF段內(nèi)取距左端為x的任意截面為研究對象
當時，可算得其轉(zhuǎn)矩方程為:
M= Px=x （4.7）
用積分法算出其轉(zhuǎn)角
i== -+i （4.8）
撓度為：
= -+ ix+ （4.9）
當 x=b時，B端的截面轉(zhuǎn)角
i= （4.10）
當x=b時，將式（4.6）代入式（4.4）和式（4.5）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度
i= - （4.11）
= - （4.12）
如圖4.3所示：將b段作為剛性,c點作為固定端（即視為懸臂梁）考慮,并設由于W在中叉產(chǎn)生的反力為P和P,而由這些反力作用在貨叉前端產(chǎn)生的
圖4.3 受力分析
轉(zhuǎn)矩方程為：
M= - P(x-d)+ Px （4.13）
以固定端E視為坐標原點，算得：P=W
以固定端D視為坐標原點，算得：P=W
用積分法算出其撓度為：
= -dx= -[ Px- P(x-d)] （4.14）
當x=l時，代入式（4.7）算得：
= -[(e+d) l-e(l-d)] （4.15）
i= -dx= -] （4.16）
當x=l時，代入式（4.8）算得：
i= -[-e(l-d)+(e+d)l] （4.17）
所以 = i(l-l)
4.1.3 前叉的設計分析
載荷W在d區(qū)間產(chǎn)生的反力有P, P，在E點的傾斜角為i，撓度為，受力分析如圖4.4所示：
圖4.4 前叉的受力分析
轉(zhuǎn)矩方程為：M=x
用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：
i== -+i （4.18）
撓度為：
= -+ix+ （4.19）
當x=d時，D端的截面轉(zhuǎn)角
i= （4.20）
當x=d時，將式（4.11）代入式（4.9）和式（4.10）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度：
= - = -(l-l)
因此，設載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總擾度為
總=++++
注：當托盤貨架進深為1100mm時，值應控制在10~15mm[8]。
4.2貨叉各參數(shù)的選擇
a=650mm b=400mm c=200mm d=400mm e=150mm
l=1000mm l=600mm l=750mm l=120mm
故可取上叉、下叉、中叉長為：
L= l=25=1100mm
L=b+c+d+25=1100mm
L= l-c+ 25=1100mm
上叉為板狀，并取其寬也為1100mm，厚度取100mm，其余數(shù)據(jù)見裝配圖上標注。
因各數(shù)據(jù)取值都較大，故能滿足條件。
4.3貨叉內(nèi)部零件的選取與校核
4.3.1 軸承的選取校核
設計選取貨叉伸縮機構(gòu)的工作速度為10m/min,則每各軸承所承受的壓力為F=150010/4=3750N
轉(zhuǎn)速為n=10000r/d (r/min), 取C=110
則 d=C=110
d=16.2mm
取d=20mm, 則n=10000/20=159.2r/min
查表，選擇深溝球軸承，代號為6404
其基本參數(shù)為：d=20mm D=72mm B=19mm
c=31000N c=15200N
徑向載荷F=150010/4=3750N
軸向載荷F=0N
F/ F=0
>h=6000h 故軸承壽命滿足條件。則軸承選取合適。
4.3.2 齒輪的選取校核
1、選取齒輪為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB=217—255，平均硬度為236
2、初步計算傳動尺寸
為軟齒面開式傳動d=
（1）轉(zhuǎn)矩T=9.55P/n=162.43d N·mm
（2）設計時，因V值未知，K不能確定，故可初選K=1.4
（3）取齒寬系數(shù)=1.1
（4）取彈性系數(shù)Z=189.8
（5）初選螺旋角=12，取節(jié)點區(qū)域系數(shù)Z=2.46
（6）初選Z=23，齒條Z=
則得重合度=[1.88-3.2（1/ Z+1/ Z）]cos=1.7
取軸面重合度=0.318Ztg=1.77
取重合度系數(shù)Z=0.765
(7) 取螺旋角系數(shù)Z=0.99
(8) 許用接觸應力由式[=
取接觸疲勞極限應力為=595MPa
齒輪的應力循環(huán)次數(shù)分別為N=60naL=1.08
取壽命系數(shù)Z=1.06 取安全系數(shù)S=1.0
則[===630.7 MPa
（9）齒輪的分度圓直徑d,初算為u=Z/Z= 故
則d==130mm
3、確定傳動尺寸
（1）計算載荷系數(shù)
取使用系數(shù)K=1.0
因V=m/s
取動載系數(shù)K=1.15
取齒向載荷分布系數(shù)K=1.11
取齒間載荷分配系數(shù)K=1.2
故K= K K K K=1.53
（2）對修正d==133.9mm
（3）確定模數(shù)m=dcos/Z=5.69 取m=6
（4）故d===141mm 并取b=50mm
4、校核齒根彎曲疲勞強度=[
式中各參數(shù)：
(1) 各值同前
(2) 因當量系數(shù)Z=Z/cos12=23.5
故取齒形系數(shù)Y=2.64，應力修正系數(shù)Y=1.58
(3) 取重合度系數(shù)Y
(4) 取螺旋角系數(shù)Y
(5)許用彎曲應力[
取彎曲疲勞極限應力MPa
取壽命系數(shù)Y， 取安全系數(shù)S
故 [ =1.0 MPa
則 ==4.29MPa〈176MPa=[
故能滿足齒根彎曲疲勞極限。 設計合理。
4.3.3 鏈輪鏈條的選取校核
設軸徑d=80mm，鏈傳動比i=1
鏈速n=V=79.6r/min
P=0.1
1、選擇鏈輪齒數(shù)：初步確定Z=21
2、定鏈的節(jié)距
取K，齒數(shù)系數(shù)K，多排鏈系數(shù)K
所需傳遞功率為kW
由此，可選取滿足條件的08A鏈，P=12.7mm
3、定鏈長、中心距
初定中心距a=40p，則鏈節(jié)數(shù)
L=101節(jié)
鏈長L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m
中心距a==508mm
中心距調(diào)整量mm
實際中心距mm
4、求作用在軸上的力
工作拉力F=1000P/V=1500N
作用在軸上的壓力F=1.2F=1800N
軸徑mm
取d=16mm 取輪徑D=80mm
計算結(jié)果總匯：鏈條規(guī)格：08A單排鏈，101節(jié)，長1.28米，大小輪齒數(shù)都為21，中心距mm，壓軸力F，軸徑d=16mm，輪徑D=80 mm【10】。
4.4貨叉伸縮裝置中的電機和減速器的選取
齒輪5的轉(zhuǎn)速為
電機功率：P=Mn9555=Fv×10-3/=0.55kw
選取電機功率為1.1kw，電機型號為：YVF2-90S-6
轉(zhuǎn)速為980r/min,安裝型式選取B3
為此，減速器的傳動比為i=980/45.17=21.7
則選取減速器型號為TZSD112【12】。
4.5本章小結(jié)
本章對堆垛機的貨叉機構(gòu)進行了設計，分別對上叉、中叉、下叉等進行了結(jié)構(gòu)計算和力的分析。最后確定了貨叉的各部分參數(shù)。
第5章 堆垛機行走機構(gòu)的設計計算
5.1 堆垛機行走輪的設計計算
行走輪有主動輪和從動輪1個，采用輪軸直接連接的驅(qū)動方式。
行走輪的允許載重量等各參數(shù)間有下列關(guān)系式：
P=KD（B-2r）（kg） (5.1)
K=（kg/cm） (5.2)
式中：P—允許載重量（kg）
D—車輪的踏面直徑（cm）
B—鋼軌寬（cm）
r—鋼軌頭部的圓角半徑（cm）
K—許用應力系數(shù)（kg/cm）
v—走行速度（m/min）
k—許用應力（球墨鑄鐵的許用應力為50）（kg/cm）
首先確定B=6.4cm，r=0.2cm, k=50 kg/cm, v=80m/min
則 K===33.3（kg/cm）
行走輪的輪壓主要根據(jù)疲勞計算輪壓選取，其計算公式為：
= （5.3）
式中：—疲勞計算輪壓（N）；
—工作時最大允許載重量（N）；
—正常工作時最小輪壓（N）
又根據(jù)車輪直徑的計算公式：
（5.4）
式中: —轉(zhuǎn)速系數(shù)；
—工作級別系數(shù)；
—接觸應力常數(shù)
首先確定 =6.0，=0.82，=1.25,l=30mm，代入式（5.3），式（5.4）中算得：D=135mm
車輪的轉(zhuǎn)速為：
=283.1r/min
車輪的軸徑為d=14mm，為滿足選擇合適的軸承，取d=15mm
軸上的軸承選取型號為6202，基本尺寸為：d=15mm，D=35mm，B=11mm【13】。
5.2 行走機構(gòu)電動機的選取
行走機構(gòu)的電動機所需的功率為可按下式計算：
（kW） （5.5）
式中：—行走阻力；
v—行走機構(gòu)的運行速度
—行走機構(gòu)的總效率，一般可取0.85-0.95
由上式可知，現(xiàn)須確定行走阻力的大小，可按下式計算：
=G×μ （5.6）
式中： G—堆垛機總重，約為5000kg
—滾動摩擦系數(shù)，查表取0.05
將（5.6）代入（5.5）即可得：
取為P=5.5kw,選取電機型號為YVF2-132M2-6m。
5.3 V帶輪與V帶的設計計算與選擇
1、設計功率為
（5.7）
式中 ——工況系數(shù)；
由于是起重機行走機構(gòu)，查表得=1.2，則
2、選定帶型
根據(jù)=6.6KW和,查表確定為P-I型。
3、傳動比為
（5.8）
由行走速度初步確定小帶輪的轉(zhuǎn)速為
則
4、確定小帶輪基準直徑
由大帶輪與電機同軸確定大帶輪基準直徑為電機的輸出軸直徑，即則小帶輪的基準直徑為
（5.9）
則
5、帶速為
（5.10）
則
此處
6、初定軸間距
按要求取
7、所需基準長度為
（5.11）
則 :
選取基準長度為609mm。
8.實際軸間距為
（5.12）
則
（1）安裝時所需最小軸間距為
（5.13）
查表得，則
（1） 張緊或補償身長所需最大軸間距為
（5.14）
則
9.小帶輪包角為
（5.15）
則
10.帶輪的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5.1所示：
圖5.1皮帶輪結(jié)構(gòu)簡圖
5.4 行走機構(gòu)減速器的選取
行走機構(gòu)中的減速器可根據(jù)機構(gòu)的傳動比從標準中選用。
行走機構(gòu)的傳動比由下式確定：
（5.16）
式中， —電動機額定轉(zhuǎn)速；—車輪的轉(zhuǎn)速
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（5.7）中算得：=3.46
可選取減速器的標準型號為SEW型R×97[6]
5.5行走機構(gòu)聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的具體規(guī)格根據(jù)載荷情況、計算轉(zhuǎn)矩、軸直徑和工作轉(zhuǎn)速來選擇。計算轉(zhuǎn)矩有下式確定：
（5.17）
48.7Nm
==
由設計手冊選取彈性柱銷聯(lián)軸器HL2。它的許用轉(zhuǎn)矩為215Nm，半聯(lián)軸器材料為鋼時，許用轉(zhuǎn)速為5600r/min[6]。
5.6本章小結(jié)
本章主要對堆垛機的行走機構(gòu)進行了設計，對其中的重要部件進行設計計算。
第6章 雙立柱巷道堆垛機機體支架設計
6.1 機架設計計算的準則和要求
6.1.1 機架設計的準則
1、工況要求
任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架上安裝的零部件能順利運轉(zhuǎn)，機架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不至有阻礙運動件通過的突起；設置執(zhí)行某一工況所必須的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。
2、剛度要求
在必須保證特定外姓條件下，對機架的主要要求是剛度。例如，機床的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度；在齒輪減速器中，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合性及運轉(zhuǎn)性能。
3、強度要求
對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度要求。但對于重載設備的強度要求必須引起足夠的重視。其準則是在機器運轉(zhuǎn)中可能發(fā)生的最大載荷情況下，機架上任何點的應力都不大于允許應力。此外，還要滿足疲勞強度的要求。
4、穩(wěn)定性要求
對于細長的或薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及手彎-壓結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼結(jié)構(gòu)也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)回產(chǎn)生很大的破壞，設計是必須注意。
5、美觀
目前對機器要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。
6、其他
如散熱的要求；防腐蝕及特定環(huán)境的要求；對于精密機械、儀表等散熱變形小的要求等。
6.1.2 機架設計的一般要求
在滿足機架設計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和處所環(huán)境，考慮下列各項要求，并有所偏重。
1、 機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。
2、 結(jié)構(gòu)合理，便于制造。
3、 結(jié)構(gòu)應使機架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。
4、結(jié)構(gòu)設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內(nèi)應力小，由溫度變化引起的變形小。
（1）抗震性能好。
（2）耐腐蝕，使機架結(jié)構(gòu)在服務期限內(nèi)盡量少修理。
（3）有導軌的機架要求導軌面受力合理，耐磨性好[14]。
6.2機架的設計步驟
1、初步確定機架的形狀和尺寸。根據(jù)設計準則和一般要求，初步確定機架結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，以保證其內(nèi)外部零部件能正常運轉(zhuǎn)。并要求機架能夠在巷道內(nèi)無阻礙的運行。
圖6.1機架結(jié)構(gòu)簡圖
2、根據(jù)機架的制造數(shù)量、結(jié)構(gòu)形狀及尺寸大小，初定制造工藝。
3、分析載荷情況，載荷包括機架上的設備重量、機架本身重量、設備運轉(zhuǎn)的動載荷等。對于高架結(jié)構(gòu)，還要考慮風載、雪載和地震載荷。確定結(jié)構(gòu)的形式，采用有雙槽的立柱，以保證貨叉在升降過程中不側(cè)翻。
4、針對以上所述的各項要求與準則，結(jié)合雙立柱巷道堆垛起重機在自動化立體倉庫中的工作狀況，并考慮到雙立柱巷道堆垛起重機自身各個裝置與機構(gòu)間的配合情況，確定機架的基本尺寸：
機架高為12m，兩個立柱之間的距離為1800mm，每個立柱的長為360mm，寬為240mm，立柱中中設有雙槽，以保證貨叉在運動過程中的平穩(wěn)性；上橫梁為360*300中間空心的方鋼；下橫梁是厚度為300mm、寬為1200mm中空的鋼板，用以保證雙立柱巷道堆垛起重機的承載能力[15]。
6.3 其他裝置設計和選擇
1、供電系統(tǒng)
堆垛機的移動供電裝置，一般采用滑觸供電裝置和電纜供電方法。根據(jù)自動化倉庫的特點，應滿足高速度、無需檢修、耐用、無脫線現(xiàn)象等。
堆垛機采用底（頂）部滑觸線供電方式，滑觸線設置符合使用安全及易于保養(yǎng)的要求。
2、電氣設備
主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護。在電力拖動方面，目前國內(nèi)多用的是交流變頻調(diào)速，交流変極調(diào)速和可控硅直流調(diào)速。對堆垛機的控制一般 采用可編程序控制器、單片機、單板機、計算機等。堆垛機必須具有自動認址、貨物虛實等檢測以及其他檢測，電力拖動系統(tǒng)同時滿足快速、平穩(wěn)和準確三個方面的要求
3、天地軌
天地軌是整個堆垛機的承載部件，因而天地軌必須有足夠的剛度。天地軌分別固定在貨架及地面上。天地軌的全長除能涵蓋堆垛機最大作業(yè)范圍外，兩端頭還保留有適當緩沖長度。
每段地軌結(jié)合面以45度對接，對接處有一定高度差限制要求。
（1）天地軌安裝后直線度公差如下：
地軌安裝后直線度公差在200mm
測量長度應不大于0.5mm
地軌全長測量長度內(nèi)應不大于3mm
天軌安裝后直線度公差在200mm
測量長度應不大于0.5mm
天軌全長測量長度內(nèi)應不大于4mm
（2）安裝后天地軌間相互位置公差
天軌上表面于地軌下表面之間距離誤差應不大與8mm
天軌與地軌之間的水平錯位不大于5mm
4、安全裝置
堆垛機是一種起重機械，它要求在又高又窄的巷道內(nèi)高速運行。為了保證人身及設備的安全。堆垛機必須配備有完善的硬件及軟件的安全保護裝置，并在電氣控制上采用一系列連鎖和保護措施。除了一般起重機常備的安全保護措施（如各機構(gòu)的終端限位和緩沖、電機過熱和過電流保護、控制電路的零位保護等）外，還應根據(jù)實際需要，增設各種保護。主要有如下安全保護裝置。
（1）水平極限保護
在巷道兩端點均設置強制減速檢測裝置及緊急停止極限開關(guān)，堆垛機在接近巷道兩端時，先減速緩行而后定位停止，避免超程行走。如在正常范圍內(nèi)仍未停止，則緊急停止極限開關(guān)將迫使堆垛機停止運行。
（2）緩沖器
正常狀態(tài)下堆垛機不觸及緩沖器，萬一電器線路故障，發(fā)生超程行走時，設置于巷道兩端的緩沖器能將堆垛機制動住。緩沖器為聚氨脂橡膠，可以吸收堆垛機意外超程行走時的沖力。
（3）垂直極限開關(guān)
在立柱兩端點均設置強制減速檢測裝置及緊急停止極限開關(guān)，堆垛機升降載貨臺在接近立柱兩端時，先減速緩行而后定位停止，避免超程升降。如在正常范圍內(nèi)仍未停止，則緊急停止極限開關(guān)將立即迫使堆垛機升降載貨臺停止。
（4）斷繩保護裝置
當載貨臺的牽引鋼絲繩斷裂時，斷繩保護裝置將抱死載貨臺，使堆垛機立即停止運行并報警。
（5）動作連鎖裝置
堆垛機處于行走及升降動作時，貨叉不能伸出。
貨叉處于伸出狀態(tài)時，堆垛機不能行走，而載貨臺只能低速適量升降。
（6）貨叉保護裝置
貨叉伸出途中觸及障礙物時，電機堵轉(zhuǎn)變頻器報警，或者出現(xiàn)任務超時報警，提示堆垛機故障。
貨叉沒有完全縮回到中位，則堆垛機不能行走。
（7）過載保護裝置
堆垛機上所有驅(qū)動電機線路上，由變頻控制過流，以免電機因過載而受損。
（8