單立柱巷道堆垛機說明書剖析

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1、本科畢業(yè)設計說明書 題 目: 單立柱巷道堆垛機提升 裝置與載貨臺設計 院 （部）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 機械121班 姓 名： 孫世良 學 號: 20120711031 指導教師： 周海濤 完成日期： 2016年6月10日 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 1緒論 3 1.1單立柱巷道堆垛機的結構及研究意義 3 1.2堆垛機研究情況及評述 3 1.3課題關鍵問題及解決方法 6 1.4單立柱巷道堆垛機的設計參數(shù) 8 2單立柱巷道堆垛機提升裝置設計 9 2.1單立柱巷道堆垛機的特

2、點 9 2.2提升裝置部分設計 9 2.2.1 柔性件的選取 10 2.2.2 卷筒的選取 10 2.2.3 電動機的選取 10 2.2.4 減速器的選取 11 2.2.5 制動器的選取 12 2.3提升裝置部分的計算 13 2.3.1 鋼絲繩的計算 13 2.3.2 卷筒的相關尺寸計算 13 2.3.3 電動機的計算 15 2.3.4減速器的計算 17 3單立柱巷道堆垛機載貨臺設計 18 3.1載貨臺貨叉方案設計 18 3.2堆垛機貨叉設計計算 20 321 伸縮貨叉的撓度與強度 20 3.2.2 下叉的受力分析計算 20 3.2.3 中叉的

3、受力分析計算 21 3.2.4 上叉的設計分析計算 23 3.3貨叉各參數(shù)的選擇 24 4堆垛機的控制裝置及保護措施 25 4.1堆垛機控制裝置 25 4.2堆垛機安全保護裝置 25 5結論 27 謝辭 28 29 參考文獻 摘要 本文詳細論述了普遍應用在自動化立體倉庫中的單立柱有軌巷道式堆垛機的設計 方案。文中對堆垛機的分類，特點及其構造進行了詳細的敘述。堆垛機是自動化立體 倉庫中最重要的起重堆垛設備，是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機。它 能夠在自動化立體倉庫的巷道中來回穿梭運行，將放置在巷道口的貨物存入指定的貨 格，或者從貨格中取出貨物運送到巷口。

4、設計重點主要包括：載貨臺、升降機構、貨叉伸縮機構以及安全機構。文章在確 定堆垛機的部分設計方案的前提下，再對各個機構進行受力分析和設計計算，最后進 行必要的相關校核并最終確定各個的機構實際取值。 關鍵詞： 堆垛機；升降機構；載貨臺；貨叉伸縮機構； ABSTRACT This article has discussed the design of the single-pillar type of Narrow-Aisle Stacker Crane which has bee n uni versally used in moder n most en terprises in d

5、etail. This article described the kinds of stakers, features and the structure in detail. Stacker cranes is the most importa nt part of the automati on three-dime nsional storehouse among the take heavy crane pile up equipme nt, it can in the tunnel of automatio n cube in the shuttle operati on of r

6、ound trip, will locate in tunnel the goods of mouth stock goods shelf; or opposite take out the goods tran sit in goods shelf go to tunnel mouth. The design focus mainly include: The stacker's rack, walk organization, fork telescop ing mecha nism and safe orga ni zati on. Un der the premise of over

7、all desig n scheme of stack ing crane, the n for orga ni zatio n an alyze by force con diti on calculate. Fin ally, check nu clear n ecessarily and defi nite every nu merical. Keywords: Stacker； Crane； Movement organization； Fork telescoping mechanism 1緒論 巷道堆垛起重機是自動化立體倉庫的標志， 對立體倉庫的出入庫效率有重要影響。 本文

8、從堆垛機的應用特點入手，著重就堆垛機的結構設計進行研究。 1.1單立柱巷道堆垛機的結構及研究意義 在立體倉庫中，堆垛機是自動化立體倉庫中最主要的作業(yè)機械設備，是輸送系統(tǒng) 的核心設備，決定著整個出入庫是否能流暢運行的關鍵，是代表立體倉庫特征的標志。 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由巷道堆垛機實現(xiàn)貨物的存儲和取出，整 個過程由計算機網絡管理和自動控制系統(tǒng)完成。它的合理的速度控制、精確的定位設 計以及優(yōu)良的故障診斷系統(tǒng)是實現(xiàn)堆垛機高效率、高準確度、高度安全性運行的重要 因素。堆垛機主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內

9、沿軌道運行，將位于巷道口的貨物 存入貨格；或者取出貨格內的貨物運送到巷道口，完成出入庫作業(yè)。 自動化立體倉庫最早誕生在美國，20世紀70年代初期，我國開始研究采用巷道式 堆垛機的立體倉庫，據不完全統(tǒng)計，到目前已建成三百余座。堆垛機做為立體倉庫中 最重要的起重運輸設備，也得到了較快的發(fā)展。進入 20世紀80年代，在世界發(fā)展迅 速，使用范圍涉及幾乎所有行業(yè)，它的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代工業(yè)技術步入了一個加速發(fā)展 的階段。自動化倉庫技術的研究對優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產率，降低生產成本有 著非常重要的意義。堆垛機性能的優(yōu)劣，對整個立體倉庫的運行起著重要的作用。自 動化立體物流倉庫是先進的物流倉儲設備，但就

10、我國現(xiàn)有發(fā)展水平來看，在自動化立 體倉庫中設計出造價低廉、工作可靠的堆垛機替代原有倉庫的控制和管理，能更加適 應某些中小企業(yè)要求投資少見效快的目標。 堆垛機是自動化立體倉庫中最主要的作業(yè)機械設備，是輸送系統(tǒng)的核心設備，決 定著整個出入庫是否能流暢運行的關鍵，是代表立體倉庫特征的標志。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)。 1.2堆垛機研究情況及評述 20世紀60年代在美國首先產生了機械式立體倉庫， 在該倉庫系統(tǒng)中，操作人員可 通過一些電器按鈕和開關來控制一些機械設備進行入 /出庫作業(yè)，實現(xiàn)了搬運的機械 化；至U 20世紀70年代末，隨著可編

11、程控制器 PLC自動存取 AS/RS(Automatic Storage and Retrieval System)、自動導引小車 AGVS(Automatic Guided Vehicles)、條形碼閱讀器(Bar-Code Scanner)等設備在立體倉庫中的應用，出現(xiàn)了 自動化立體倉庫系統(tǒng)(Automated High-rise Warehouse System )，實現(xiàn)了控制自動 化；到本世紀80年代末，計算機技術的異軍突起及其在自動化倉庫系統(tǒng)中的成功應用， 導致了第三代集成化立體倉庫系統(tǒng)的誕生，實現(xiàn)管理微機化；進入 90年代，出現(xiàn)了智 能型立體倉庫系統(tǒng)(Intelligent

12、High-rise Warehouse System ),該倉庫系統(tǒng)不僅 實現(xiàn)了對入/出庫作業(yè)和倉庫信息的全自動處理，而且還可根據生產計劃、報表分析制 定出所需材料與勞動力，并依據物資的現(xiàn)有庫存量提出外購建議；目前隨著電子數(shù)據 交換EDI技術的發(fā)展及應用，自動化立體倉庫系統(tǒng)逐步向31 (I ntellige nt. In tegrated, In formati on )倉庫系統(tǒng)過渡。 圖1-1立體倉庫模型圖 在我國，立體倉庫的發(fā)展是從70年代初期開始的。1980年由北京機械工業(yè)自動化 研究所等單位研制建成我國第一座自動化立體倉庫，并在北京汽車制造廠投產。從此 以后，立體倉庫在

13、我國得到了迅速的發(fā)展。據不完全統(tǒng)計，目前我國已建成的立體倉 庫近300個，其中全自動化的立體倉庫有 30多個。如在我國最早研制、開發(fā)、生產自 動化立體倉庫的專業(yè)生產廠家之一的太原雙塔剛玉股份有限公司，就相繼推出了填補 行業(yè)空白的高水平240米/分高速堆垛機、防爆立體倉庫、低溫冷凍庫、輪胎庫等一系 列高、精、尖產品。該公司于 2005年成功開發(fā)“ GDX型有軌巷道堆垛機起重機”，運 行速度達240米/分，成為目前國內速度最快的堆垛機。該公司研制的輕鋼結構“庫架 合一”式自動化立體倉庫及高性能堆垛機，因采用了激光測距定位系統(tǒng)及現(xiàn)場總線控 制技術，具有速度高、運行平穩(wěn)、定位準確等特點。 2000年北

14、京起重運輸機械研究所 完成了我國迄今國產規(guī)模最大、技術水平最高的大型全自動化立體庫侖庫一聯(lián)想電腦 公司集成化物流系統(tǒng)的研究，其中也采用了激光測距定位技術。 近年來，由有軌巷道式堆垛機組成的自動化立體倉庫的應用越來越普及，對堆 垛機的安全性和運行效率也提出了越來越高的要求。堆垛機定位系統(tǒng)中的認址技術作 為控制技術中的關鍵技術，也自然成為業(yè)內人士關注的焦點。堆垛機認址可分為絕對 認址和相對認址兩種形式，絕對認址因其認址準確可靠的優(yōu)點而成為目前堆垛機普遍 采用的認址方法。絕對認址的實現(xiàn)方式主要有三種： 編碼器認址、激光測距認址和BPS (條形碼定位)認址。相對應的定位系統(tǒng)即：編碼器定位系統(tǒng)、激光

15、測距定位系統(tǒng)和 條形碼定位系統(tǒng)。 圖1-2單立柱巷道堆垛機三維模型圖 目前編碼器認址的最大問題是走行輪在地軌上打滑而導致編碼器出現(xiàn)計數(shù)錯誤， 嚴重影響測量精度，從而降低堆垛機的可靠性。如果采用認址片加以校驗，會改善這 方面的情況，但堆垛機的運行速度不能太高，一般在 120m/min以下，從而制約了堆垛 機的運行效率。激光測距定位控制系統(tǒng)提高了堆垛機定位的可靠性，同時提高了堆垛 機的運行效率，是目前應用最廣泛的技術，但其對安裝和使用的要求較高，并且由于 光線直線傳播的固有特性，它只能在直線軌道中應用。直到德國樂易電子于 2005年推 出了一項具有創(chuàng)新性的新技術一 BP

16、S( Barcode Positioning System)條形碼定位系 統(tǒng)。這種新型條形碼定位系統(tǒng)（BPS通過讀取行進路線上的條形碼確定準確方位?？?有效實現(xiàn)直線定位和曲線定位，并且測距范圍可達到 10000米，為用戶實現(xiàn)全自動化 管理提供了必要前提。BPS定位系統(tǒng)在自動化立體倉庫中的應用表明，該系統(tǒng)使用簡單, 反應速度快，重復定位精度高，抗震性強，是一種較好的曲線定位解決方案。 根據市場預測，傳統(tǒng)技術制造的 20世紀70年代水平的堆垛機逐步將被淘汰，而 高速度、高科技含量的新型堆垛機將迅速占據市場，所以我國堆垛機綜合性能急待改 善。根據物流設備發(fā)展趨勢，針對近幾年用戶的反映，結合國內

17、外技術現(xiàn)狀及發(fā)展情 況等有關情報資料分析，找出我們存在的主要差距主要體現(xiàn)在運行速度、提升速度、 貨叉速度、平穩(wěn)性及認址精度。 如圖1-3所示，堆垛機基本結構主要由機架、行走機構、升降機構、載貨臺、貨 叉（機械手）等裝置組成。此次畢業(yè)設計選擇的課題為單立柱巷道堆垛機提升裝置與 載貨臺設計，主要研究堆垛機的結構和工作原理，參考相關資料，研究單立柱巷道堆 垛機提提升裝置與載貨臺的設計方法，確定總體設計方案，以及完成對提升裝置的電 機、減速器的選型計算。并最終對各零部件的結構尺寸進行計算、校核和確定。 天軌 圖1-3單立柱巷道堆垛機結構圖 在現(xiàn)有資料的基礎上進行結構尺寸分析、設計、布置

18、，如有比要進行調研，參考 相近似的同類機型。 1.3課題關鍵問題及解決方法 ，必須滿足以下設計要 為使堆垛機能夠準確、快速、安全、自動搬運貨物出入庫 求： (1) 具備三維運動功能，即堆垛機沿巷道來回水平運動、載貨臺垂直運動、貨叉沿 貨架方向伸縮運動； (2) 滿足一定的定位精度，重復定位精度誤差不能超過 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的 重量，以減小 提升功率和行走時的摩擦阻力； (5) 保護倉庫環(huán)境，避免貨物污染受損。 研究單立柱巷道堆垛機提提升裝置與載貨臺的設計方法，參考相關資料，確定總 體設計方案

19、。完成提升裝置的電機、減速器的選型計算，對立柱等主要零部件的設計、 計算、校核，確定結構尺寸。繪制總裝配圖、提升裝置部件圖 /載貨臺部件圖、零件圖 等。 堆垛機是整個自動化立體倉庫的核心設備，通過手動操作、半自動操作或全自動 操作實現(xiàn)把貨物從一處搬運到另一處。它由機架、水平行走機構、提升機構、載貨臺、 貨叉及電氣控制系統(tǒng)構成。具體確定堆垛機的形式、確定堆垛機的速度、及其他參數(shù) 配置。搜集大量有關堆垛機的資料，確定主要參數(shù)，在滿足強度要求的情況下進行相 關尺寸的計算，確定堆垛機的所有尺寸。 以品種多、數(shù)量少、頻率高供給方式下的物流環(huán)境為背景，對于自動化立體倉庫 的效能提出了越來越高的要求。早

20、期的堆垛機，在橋式起重機的起重小車上懸掛一個 門柱，利用貨叉在立柱上的上下運動及立柱的旋轉運動來搬運貨物，通常稱之為橋式 堆垛機。但通常由于立柱高度的限制，橋式堆垛機的作業(yè)高度不能太高，而巷道堆垛 機沿貨架倉庫巷道內的軌道運行，使得作業(yè)高度提高。采用貨叉伸縮結構，可以使巷 道寬度變窄，提高自動化立體倉庫的利用率，它適用于各種高度的高層貨架倉庫，可 以實現(xiàn)半自動、全自動和遠距離高集中控制。 日本大福公司于1999年在巷道堆垛機主體的高速化上下功夫， 開發(fā)了 AS21模式。 AS21模式是以高效率動作為基礎，在高效能化(縮短循環(huán)時間)方面引用的一個概念， 使巷道堆垛機的高效能化技術得到了大幅度的

21、提升。 該設計可以基本實現(xiàn)自動化立體物流倉庫正常運作的需要，同時也有一定的安全 保護措施，作為大四應屆生，在周老師的指導下，我們小組通力合作，共同完成了單 立柱巷道堆垛機方案設計，尺寸確定以及各零部件校核工作。在整個設計過程中我們 謹慎嚴謹，盡可能的考慮到各個影響因素，過程中有可能存在不足，考慮不周，但我 們也學到了很多，一定會再接再厲。 1.4單立柱巷道堆垛機的設計參數(shù) 初始參數(shù)： 額定起重量：700kg 最大行走速度：80m/mi n 起升速度：22/5.5 m/min 貨叉伸縮速度：20.5/5.6 m/min 總高度：8.7m 貨架間距1.5m 行走速度：5~24

22、0/min 。 2單立柱巷道堆垛機提升裝置設計 2.1單立柱巷道堆垛機的特點 由于使用場合的限制，本單立柱巷道式堆垛機在結構和性能方面具有以下幾個特 占： 八、、? (1) 由于機架采用單立柱結構，整機重量小，結構緊湊，作業(yè)時，駕駛員的視野 較好，但由于載貨臺和貨物對單立柱的幾何力矩作用可能會造成立柱的扭曲和變形， 使整機剛性較差。 (2) 本堆垛機沿著巷道天地軌運行，其作業(yè)具有三個方向動作。水平行走為 x-x方 向，能把貨物送到任意一列；垂直升降為 y-y方向，能把貨物提升到任意一層；貨叉 伸縮為z-z方向，能存取貨物； (3) 金屬結構件除應滿足強度和剛度要求外，還要有較高

23、的制造和安裝精度。 (4) 采用專門的叉取貨物的裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板機構。 (5) 各電氣傳動機構應同時滿足快速、平穩(wěn)和準確的要求。 (6) 為保證人生和設備的安全，堆垛機必須配備有硬件及軟件的安全保護裝置， 控制系統(tǒng)應具有一系列連鎖保護措施。此外，在電氣柜上設置報警系統(tǒng)，當堆垛機出 現(xiàn)故障或探測器發(fā)現(xiàn)異常情況發(fā)出報警。 2.2提升裝置部分設計 為了使堆垛機上貨物的存取機構做升降運動，需要設計一個升降機構，用以 滿足該功能的要求。起升機構主要包括：電動機、減速器、制動器、卷筒、柔性件、 導軌組成。起升機構的運轉是通過減速裝置使卷筒轉動，使柔性件卷入卷筒，柔性件 機通過架立柱頂

24、部的定滑輪與載貨臺相連，因此柔性件牽引載貨臺上升，當達到指定 貨格位置時，制動器動作，使載貨臺平穩(wěn)準確的停住。 起升機構，也就是傳動機構，常見的傳動形式有螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動、齒 輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等，根據單立柱式堆垛機的結構特點，在只有一根立柱的情況下， 使用齒輪傳動會增加機架重量，提高加工難度，難以保持起升機構的穩(wěn)定性，所以不 適于齒輪傳動；而蝸輪蝸桿傳動比太大，只適合用于減速器，不適合在這里使用，所 以其起升機構多采用鋼絲繩傳動或者鏈傳動。一般牽引設備做機械往復運動過程中， 經常使用鏈條用來傳遞動力。鏈條傳動可承受足夠大的沖擊力而不至于斷裂，但鋼絲 繩重量會比鏈條輕一半。而鏈條在

25、運行沖擊下會伸長變形甚至脫齒，影響升降運行的 準確性，使用頻繁時更易斷裂，降低了設備的安全性和可靠性；此外鋼絲繩受損時鋼 絲繩逐根斷裂而不會突然失控，留出安全控制余地。而鏈條在運行過程中常因拉力超 差、節(jié)距改變等原因導致鏈條失效，無法挽回，并且鏈條在提升過程中會發(fā)出較大的 聲響，尤其是長度較長，高度較高時噪聲巨大，本巷道堆垛機高度在 8M以上，所以綜 合考慮下來更適合鋼絲繩傳動。出于與行走機構相同的精度要求，這里也會采用伺服 電機，其由電機驅動卷筒轉動，通過鋼絲繩牽引載貨臺沿立柱或起升鋼軌作升降運動。 2.2.1柔性件的選取 在堆垛機的起升機構里需要靠柔性件來來起吊貨物。目前，起重機常用

26、的柔性件主 要有鋼絲繩和鏈條。鋼絲繩與鏈條相比，其優(yōu)點在于：強度高、承載能力大，彈性好， 能承受較大的沖擊；自重較輕；工作可靠，在破斷以前，外面的鋼絲先斷裂和松散。 因此容易發(fā)現(xiàn)和更換，安全可靠，及少驟然折斷；成本較低；高速運轉時工作平穩(wěn)、 無噪音等。綜上所述，通過分析比較，設計中確定選用鋼絲繩作為起升機構的柔性件。 222卷筒的選取 為了卷繞和容納鋼絲繩，通過對鋼絲繩的收放，需要設置卷筒裝置來實現(xiàn)該功能。 在起重機械中，主要采用圓柱形的鋼絲繩卷筒。按鋼絲繩在卷筒卷繞層數(shù)的不同可有 以下兩種備選方案。 方案一：單層卷繞卷筒 方案二：多層卷繞卷筒 方案對比：單層卷繞卷筒表面通常切有螺旋形

27、繩槽，鋼絲繩依次排列其內，繩槽 節(jié)距比鋼絲繩直徑稍大，繩槽半徑比鋼絲繩半徑梢大，這樣增了鋼絲繩與卷筒的接觸 面積，防止卷繞過程中相鄰鋼絲繩間的相互摩擦。從而可以延長鋼絲繩的使用壽命。 但當起升重物量增加，需要較長的鋼絲繩時，卷筒的長度和直徑都將有所增加。多層 卷繞卷筒雖可以減少卷筒的長度，但由于鋼絲繩所受的擠壓力大，相互摩擦力大，使 鋼絲繩的壽命降低。此外，如果卷筒卷速不變，由于鋼絲繩每層卷繞半徑不等，鋼絲 繩的卷繞速度或作用卷筒上的外力矩就隨卷繞層數(shù)變化，運轉起來不平穩(wěn)。 綜上所述，結合堆垛機具體使用場合和性能要求，本設計中選擇單層卷繞圓柱形 卷繞卷筒。 2.2.3電動機的選取 一般工

28、廠里都有交流電網提供三相交流電，其成本低，啟動、制動、調速方便， 機械活動范圍廣，故選取電動機作為起升機構的原動機。按電動機轉子繞組結構不同 可有以下兩種備選方案。[2] 方案一：繞線式異步電機 方案二：鼠籠式異步電機 方案對比：繞線式異步電機的轉子電阻可以調節(jié)，因此起動電流不是很大，通常 不會超過額定電流的2—2.5倍，而且也便于調速。鼠籠式異步電機的構造簡單，操縱 方便，價格也較便宜，但起動電流較大，達到額定電流的 4—6倍，調速性能差，不能 承受較頻繁的起動，通常只用在起動不頻繁、功率較小的工作機構中。根據具體工作 環(huán)境，堆垛機的啟動負載大，啟動、制動、換向頻繁，要求有較高的工作

29、穩(wěn)定性。 綜合以上兩種方案的對比，本設計中選用允許有較大振動和沖擊，轉動慣量小， 過載能力大的YZR系列繞線型起重用三相異步電動機。 2.2.4 減速器的選取 在電動機和卷筒之間需要設計一個傳動裝置用以傳遞運動和作用，并藉以改變運 動的形式、速度大小和轉矩的大小。本設計中采用減速器作為起升機構的傳動裝置。 （1）傳動方式的選擇 起重機械中常有以下四種備選方案。 方案一：二級圓柱齒輪減速器 方案二：蝸輪減速器 方案三：行星齒輪減速器 方案對比：二級圓柱齒輪減速器效率高，功率范圍大，現(xiàn)已標準化，因而使用范 圍普遍；蝸輪減速器雖然結構尺寸小，傳動比較大，重量輕，但效率低，壽命較短，

30、 在長期連續(xù)使用時就顯得不經濟，一般只用于小型起重機； 行星齒輪減速器的結構緊湊，傳動比也較大，但價格比較昂貴。 綜上所述，從產品的成本、性能和具體使用場合考慮，本設計中選取二級圓柱齒 輪減速器。 ⑵輸出（入）軸的配置 根據機械設計手冊輸出（入）軸有以下四種備選方案。 方案一：展開式。 特點：結構簡單，但齒輪相對與軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度， 高速級齒輪布置在遠離轉矩輸入端，這樣，軸在轉矩作用下產生的扭矩變形和軸在彎 矩作用下產生的彎曲變形可部分的相互抵消，以減緩沿齒寬分布不均勻的現(xiàn)象。用于 載荷比較平穩(wěn)的場合，高速級一般做成斜齒，低速級一般做成直齒。結構簡單，應用 廣

31、泛。 ^方案——：刀流式 特點：結構復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分 布均勻，軸承受載較均勻。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直 齒或人字齒。 方案三：同軸式 特點：減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪浸入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重 量都較大，且中間軸較長，剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于 充分利用。 方案四：同軸分流式 特點：每對嚙合齒輪僅傳遞全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受轉矩，中間 軸只承受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮?。? 綜上所述，對比四種方案的特點，從堆垛機本身的工作場合

32、考慮，本設計最終確 定選用展開式二級圓柱齒輪減速器。 (3) 輸入、輸出端的形式 輸入端采用帶專用聯(lián)軸器的輸入軸，輸出軸為空心軸，用聯(lián)軸器與卷筒相連。 (4) 潤滑方式的選擇 因為浸油潤滑具有結構簡單，潤滑可靠，成本較低的優(yōu)點，因此本設計中采用浸 油潤滑的潤滑方式。 225制動器的選取 堆垛機在工作過程中，為了使存取的重物的升降運動能夠停止或者支持重物并使 其保持在空中，需要在起升機構中設置一個制動器來保證堆垛機工作的安全性和可靠 性以及實際工作特點的要求。一般規(guī)定，提升裝置的制動器的制動轉矩應為相當于額 定載重量的貨物被吊起時的最大轉矩值的 1.5倍以上。同 通常情況，制動器按

33、其構造形式可有以下三種備選方案。 方案一：帶式制動器 方案二：塊式制動器 方案三：盤式制動器 方案對比：帶式制動器結構簡單、緊湊，制動力矩較大，但是制動時軸上產生較 大的彎曲載荷，制動帶磨損不均勻；塊式制動器工作可靠，兩個對稱的瓦塊磨損均勻， 制動力矩大小與旋轉方向無關，制動輪軸不受彎曲作用。但缺點是制動力矩較小，與 帶式制動器相比其結構尺寸較大；盤式制動器制動平穩(wěn)，制動輪軸不受彎曲作用，可 用較小的軸向壓力產生較大的制動力矩，使堆垛機的機構布置很緊湊，目前應用也比 較廣泛。 綜上所述，也同時為了滿足升降機構必須要有足夠的制動轉矩的要求，本設計中 選用常閉盤式制動器。 2.3提升裝

34、置部分的計算 2.3.1鋼絲繩的計算 起升機構中鋼絲繩的直徑按最大靜載荷來確定。 鋼絲繩中最大靜拉力可根據式（2.1 ）來確定： Fq ,、 S max （ N） 式（2.1 ） a% 式中，F(xiàn)q —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）； a —滑輪組倍率，根據公式算得 a為2； B—滑輪組總效率； 代入相關數(shù)據到式（2.1 ）中估算得鋼絲繩中最大靜拉力 Smax=7653N 可根據式（2.2 ）確定鋼絲繩的直徑： dmin =C』Smax （ mr）l 式（2.2） 式中， dmin —鋼絲繩最小直徑； C —與工作級別有關的選擇系數(shù)，本設計中選取 0.093

35、 代入相關數(shù)據到式（2.2 ）中算得dmin =8.14mm 貝U根據鋼絲繩的最小直徑在其產品性能中選取型號為： 6W—（ 19）— 9.2 —155—光一右交 GB1102-74 的鋼絲繩。 其公稱直徑為9.2mm公稱抗拉強度為1550MPa 2.3.2卷筒的相關尺寸計算 卷筒的類型按JB/T9006.2-1999選擇A型卷筒，根據《機械設計》［7］表8.1-47進行 卷筒的幾何尺寸計算： 最大起升高度Hmax =8.3m 卷筒的直徑可根據式（2.3）進行計算: Di min _ hd 式（2.3） 式中，D1 min —卷筒的最小卷繞直徑； h —與工作級別有關的選擇系

36、數(shù)，本設計中選取 14； d —鋼絲繩的直徑； 代入相關數(shù)據到式（2.2 ）中算得： D1 min ￡28.8mm 設計中取D 1 min =130mm 卷筒的壁厚可根據經驗公式（2.4 ）進行計算： :.二 0.02D 8 式（2.4） =0.02 130+8 :11mm 卷筒的轉速可根據式（2.5）進行計算： 60 1000v n = nD 式中v —起升速度；D —卷筒卷繞直徑，D= D1 min +d； 帶入相關數(shù)據到式（2.5 ）中算得：卷筒的轉速n=45r/min. 式（2.5） 繩槽槽距 P = 1.2d = 19.2mm卷筒槽底直徑 D = 180

37、.8mm 卷筒計算直徑（由鋼絲繩中心算起的卷筒直徑） D°=200mm 固定鋼絲繩的安全圈數(shù) Z 1 =1.5 卷筒上有螺旋部分長L0: L0 二 H max 無繩槽卷筒端部尺寸 57mm, 固定鋼絲繩所需L2 ”3P=57.6mm 中間光滑部分長度 m = 43mm 5400 1.5 19.2 = 63.9mm -200 卷筒長度 L^ 2 L0 L1 L2 m = 400 mm 由0.1 2 二 R n 2 60 1000 得， n2 0.15 60 1000 2 二 100 =14 .33 r / min 鏈輪的傳動比i二 n1 21 二 1

38、 .46 n? 14 .33 初取傳動比i = 1.5 1. 選擇鏈輪齒數(shù)Z1、Z2 根據傳動比i=1.5，查《機械設計》⑺表6-6取小鏈輪齒數(shù)Z,=17則大鏈輪齒數(shù)Z2=27 2. 確定鏈條鏈節(jié)數(shù)Lp . 、2 匚 勺 =42.25 2 - 初定中心距取a=10p,則節(jié)距 2a 0 Z 1 Z 2 P Lp - - - p 2 ao 取 Lp = 44 3. 計算單排鏈所能傳遞的功率Po及鏈節(jié)距P 由《機械設計》⑺表6-3查得工作情況系數(shù)K a = 1 Pea = KaP =3.7 kw 由《機械設計》⑺表6-5查得小鏈輪齒數(shù)系數(shù)Kz=0.887,鏈長

39、系數(shù)KL二0.7 選擇雙排鏈，由《機械設計》［7］表6-4查得多排鏈系數(shù)Kp=1.7 計算額定功率 1.75 Pc K z K1 K p 1.75 3.7 0.887 1.7 0.7 = 6.13 kw 根據額定功率P0和轉速m查《機械設計》⑺圖6.13選擇滾子鏈型號為24A，鏈節(jié) 距 P=38.1mm 鏈號標記為 24A—2844GB1243-1997 4. 確定鏈實際長度L及中心距a L=LpXP/1000=44 88.1/1000=1.68 m 5. 7 lp lp -8* =381mm 計算鏈速 =片 Z1 60 100

40、0 21 19 38._0.25m/s 60 1000 2.3.3電動機的計算 要將載貨臺、貨物、附件及搭乘人員以 20m/min的速度提升時，所選取的電動機 的功率可根據式（2.6 ）進行計算： 式（2.6） FqV 60 1000 式中 Fq —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）； V —起升速度，設計中選取20m/mi n； —機構總效率，設計中取0.9 ； 代入相關數(shù)據到式（2.6 ）中算得：P=5.6KW 愆=FV =」mgv = 0.2 2000 9.8 0.15 = 0.588kw 由機械設計手冊知電動機輸出功率： P0 =

41、 Pw / w 式中 Pw 工作機所需功率 jw 減速機與工作機之間的總效率 鏈傳動總效率： —J化他 式中 ! ——鏈傳動效率，查得=0.96 2 ——滾動軸承效率，查得=0.99,兩對， 代入數(shù)據得： w =0.96 0.992 = 0.94 則電動機的輸出功率為： P3=Pw/ w=0.594kw 再根據機構的工作級別、作業(yè)特點以及電動機的工作特性，所選擇的電動機的額 定功率應滿足式（2.7）： UP （KW 式（2.7） 式中 PJ —電動機的額定功率； Kj —穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù)，查表選取該值為 0.80 ； 代入相關數(shù)據算得：電動機的額定功率 PJ =4.48K

42、W P =Mgv = 2000 9.8 0.15w =2.94kw 由機械設計手冊知電動機輸出功率： Fq = Pw / w 式中 Pw——工作機所需功率 Jw 減速機與工作機之間的總效率 鏈傳動總效率： 式（2.8） 式中 i ——鏈傳動效率，查得=0.96 2 ——滾動軸承效率，查得=0.99,兩對, 代入數(shù)據得： w =0.96 0.992 = 0.94 則電動機的輸出功率為：P0 = Pw / w=3.12kw 由此，選擇型號為YZR280—10,額定功率為27KV，轉速為582r/min ，效率為92% 且27x92%=24.84>4.48KW可選。安裝代號選

43、取1M1003國際基準機座號為280S。 2.3.4減速器的計算 升降機構中的減速器可根據機構的傳動比從標準中選用 升降機構的傳動比由下式確定： nm i n 式中nm —電動機額定轉速；n —卷筒的轉速 代入相關數(shù)據到式（2.9 ）中算得：心竺=12.93 45 可選取減速器的標準型號為 ZLY180 （低速級中心距為180） 3單立柱巷道堆垛機載貨臺設計 3.1載貨臺貨叉方案設計 伸縮貨叉是堆垛機存取貨物的執(zhí)行機構，本設計中采用了 3層伸縮式直線差動機 構。主要由固定叉、中間叉、上叉、鏈條、鏈輪等組成。 固定叉5側面裝軸承固定在載貨臺的臺架上，其上安裝有固定鏈

44、輪和原驅動4,在 電機的驅動下，帶動電機上的驅動鏈輪 4使得中間叉在鏈條傳動下向前伸出，在中間 貨叉2兩端設置有2個可轉動的鏈輪。與左端鏈輪嚙合的鏈條分別固定在上下貨叉的 右端，與右端鏈輪嚙合的鏈條分別固定在上下貨叉的左端。當中間貨叉 2水平運動時， 通過鏈輪鏈條傳動，上叉1就以中間貨叉2倍的速度與行程沿滾輪中心運動方向平移。 這樣，當鏈條驅動水平行走1/6固定貨叉長度的行程時，中間貨叉2相對于固定貨叉1 水平移動1/3固定貨叉長度行程；而上叉1相對中間貨叉2水平移動了 2/3固定貨叉 長度行程；相對固定貨叉5水平移動了 1個固定貨叉長度行程。 載貨臺的設計如圖3-2所示，有三種，第一種

45、如上圖，采用直線差動式齒輪齒條 結構，該結構共有7個主要部件構成，各個齒輪在橫向移動時，豎直方向是固定不動 的，其中，齒輪5/6做成一體，作為聯(lián)動齒輪，7與4為外嚙合齒輪組，齒輪齒條中6 與2、5與3、4與3、1與7分別嚙合，當齒輪6由液壓缸8帶動向左移動，齒條3在 齒輪5的帶動下向右移動，齒條1在齒輪7的帶動下向右移動實現(xiàn)載貨臺貨叉運行動 作。但是這種設計方案復雜，不易實現(xiàn)。 1 —上齒條2 —固定齒條 3 —下齒條4、7—齒輪5、6—聯(lián)動齒輪 8 —液壓油缸 圖3-2載貨臺貨叉設計草圖 第二種則相對簡單的多，如圖3-3，直接由液壓缸驅動齒輪在兩根齒條之間滾動, 下齒條固定，

46、上齒條則可以完成貨叉的動作，包括向前或者向后。 圖3-3載貨臺貨叉設計草圖 第三種則是采用繩索拉伸出齒輪齒條運動，三層貨叉設計。齒輪驅動齒條運動， 固定叉與前叉通過繩索繞在中間叉上當齒條所在中間叉運動時，導輪帶動繩索拉緊后 驅動前叉沿固定軌道向前運動，反之亦然，且可向前向后雙向伸縮。 圖3-4載貨臺貨叉設計草圖 3.2堆垛機貨叉設計計算 321伸縮貨叉的撓度與強度 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 , ,1, 2 I 3：分別為固定叉 中間叉 上叉的重力方向的慣性

47、矩 E:材料的彈性模量 伸縮貨叉各尺寸表示如圖3-5所示： 圖3-5 伸縮貨叉的結構尺寸 3.2.2下叉的受力分析計算 如圖3-6所示 進行受力分析時，在AC段內取距A端為x的任意截面為研究對象，則該截面上產 生的反力P,=W l2/b a乞x < l 0時的彎矩方程為： 用積分法求得起其轉角為: 撓度為: ■ - = 71 0x- 0 M= Rbx I0 -P i (x-a) xJMdx= 0 EI1 Pl 2EI^ [―] 式（3.1） x x^dx= Eli bx‘ / 、 3i [ +(x-a)] l 0 式(3.2)

48、 當x= 0時,A端的截面轉角 式(3.3) 込(l0+b) 6EI1I0 當x=l 0時，將式（3.3 ）代入式（3.2 ）和式（3.1 ）中，分別算得在c點處的轉角 和撓度。 Piab(a I。) 6EM0 P2b(a I。) 6EIJ0 3.2.3中叉的受力分析計算 如圖3-7所示：因載荷W的作用，在b間產生反力P1,P 2， J 1： 1 \、 1 F a b J x 1 L I 1 - I 2 圖3-7中叉受力分析圖 進行受力分析時，在BF段內取

49、距左端為x的任意截面為研究對象 當a豈x乞I。時，可算得其轉矩方程為： WI2 M= Rx= - x b 用積分法算出其轉角為： 2 十土 =-叱+丁 dx 2EI 2b 式(3.4) 撓度為: 3 WI2X + . 6E4b oX+y 式(3.5) 當x=b時，B端的截面轉角 Wl2b 0 6EI2 式(3.6) 當x=b時，將式（3.6 ）代入式（3.4 ）和式（3.5 ）中，分別算得此段的轉角和撓 度 ^2 =- Wl2b 3e77 Wl2b 3El7 如圖3-8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

50、生的反力為P3和P4,而由這些反力作用在貨叉前端產生的擾度為分別為 '3 和■ '4, x 1 1 -~5 1 1 1 \ 1 1 _ c 一 '—'—"—? —- ; _ _ 一 一 d 一 I 一 e 二 1 1 1 1 - l . l 2 . 圖3-8中叉受力分析圖 轉矩方程為： M= - P 3 （x-d）+ P 4 x 以固定端E視為坐標原點，算得：P3=-W d 以固定端D視為坐標原點，算得： P4 = d^W d 用積分法算出其撓度為: 當x=l 1時，代入式（3.7 ）算得: W

51、 6EJd [(e+d) l i3-e(l i-d) 2] x M」 W dx=- 0 EI2 [-e(x-d)2 (e d)x2] 2EI 2d 式（3.8） 當x=l J時，代入式（3.8 ）算得: W 2EI2d [-e(l i-d) 2+(e+d)l 2] 所以■ ■ 4 = 71 4 （l 3 -l 1） 3.2.4上叉的設計分析計算 載荷W在 d區(qū)間產生的反力有 P3, P4，在E點的傾斜角為5，撓度為 分析如圖3-9所示: 轉矩方程為: M罟x 圖3-9上叉受力分析圖 用積分法算出其轉角為: dx e

52、Wx2 2E4d 式(3.9) 撓度為: eWx3 6EI3d 0 x+ ■ 式(3.10) 當x=d時，D端的截面轉角 式(3.11) eWd 0 6EH 當x=d時，將式（3.11 ）代入式（3.9 ）和式（3.10 ）中，分別算得此段的轉角和撓度: eWd 3EH eWd (l 3ElI( 3-1 1) 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=■ 1 + ■ 2 + ■ 3+ ■ 4 + - 5 注：當托盤貨架進深為110厘米時，'值應控制在10~15毫米。 3.3貨叉各參數(shù)的選擇 a=50cm

53、 b=34cm c=18cm d=38cm e=13cm l 0 =84cm l 1 =56cm l 2 =69cm l 3=118cm 見圖3-5伸縮貨叉的結構尺寸 故可取固定叉、中間叉、上叉長為： L1= l 0+2 8=100cm L2=b+c+d+2 5=100cm L 3 = l 3-c=100cm 上叉為板狀，并取其寬為40cm厚度取8cm,其余數(shù)據見裝配圖上標注。 因各數(shù)據取值都較大，故能滿足條件。 4堆垛機的控制裝置及保護措施 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。 4.1

54、堆垛機控制裝置 (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構，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)效率有關的高速度，防止貨物倒塌以及不致于使堆垛機 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 根據堆垛機出庫和入庫

55、作業(yè)，伸縮貨叉向左側或右側進行叉取操作的順序控制功 能。 4.2堆垛機安全保護裝置 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構，上有貨叉機構、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) 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動力.當載貨臺被托住，鋼絲繩松

56、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。可設置一個限 位開關來檢測為使堆垛機能夠在軌道上平穩(wěn)運行， 因此必須依靠車輪來實現(xiàn)這一運動。 4） 速度轉換裝置 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. 5） 貨叉保護裝置 其功能,若發(fā)現(xiàn)不安全則堆垛機就會完全停止工作. 6） 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

57、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. 7）載貨臺斷繩保護裝置 當鋼絲發(fā)生繩斷裂時，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、結構簡單 .本設計 中采取連桿凸輪機構來實現(xiàn)這一功能要求。一旦鋼絲繩斷裂，彈簧通過連桿機構使凸輪 卡在升降機構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 質量,彈簧處于壓縮狀態(tài)，凸輪與升降機構的導軌分離。該裝置原理如圖 4-1所示。 圖4-1斷繩保護裝置 5結論 根據設計要求，完成了此次“單立柱巷道堆垛機提升裝置與載貨臺的設計”的工

58、 作。本說明書首先從堆垛機的發(fā)展歷史開始論述堆垛機的結構特點，結合選題背景， 分析目前堆垛機主要功用，存在的有優(yōu)缺點以及此課題設計的意義。 在貨叉伸縮機構的結構設計中，首先分析貨叉的受力圖，并推導出彎矩撓度公式, 設計出貨叉的外部結構尺寸，接著又設計校核了貨叉內部零件的尺寸，最終設計出了 滿足條件、靈活、適用、簡捷、方便的貨叉結構。 提升裝置設計過程中，進行方案論證，優(yōu)中選優(yōu)。其中包括電動機、減速器、制 動器、卷筒、柔性件等零部件的選擇、計算、校核，滿足原始設計參數(shù)要求的，達到 堆垛機能正常運行的目的。 該單立柱巷道堆垛機具有靈敏度高，體積小，動作可靠的優(yōu)點，而且有具有安全 保護裝置。

59、 謝辭 四年的風風雨雨轉瞬即逝，不知不覺中，我們即將離開母校，踏上工作崗位。大 學生活是我人生中很重要的四年，我不僅能夠接觸到傳道授業(yè)解惑的良師，還結識了 很多優(yōu)秀的同學、朋友。這里我留下了自己的足跡，見證了我成長的點滴。在畢業(yè)設 計完成之際，我衷心的感謝曾經給我?guī)椭?、支持、鼓勵的所有老師和同學。 本次畢業(yè)設計在周海濤老師的悉心指導下完成的，從最初對本次畢業(yè)設計的不了 解到能夠整體把握再到比較順利的完成畢業(yè)設計，這一步步走來，都包含了周老師的 耐心指導。在做畢業(yè)設計的這段日子里，老師嚴謹治學的態(tài)度，博學的知識體系，精 益求精的工作作風以及誨人不倦的高尚師德給我留下了深刻的印象， 并使我受益

60、匪淺 在此，我向周老師致以最衷心的感謝。 其次要感謝我們小組其他兩個成員各司其職，各負其責。我們團結合作，相互討 論也解決了一些問題，最終完成了此次單立柱巷道堆垛機的總體設計。從你們身上我 看到了認真二字，也促使我更加用心完成此次畢業(yè)設計。 最后還要感謝我的父母，二十多年的養(yǎng)育之恩，支持我完成學業(yè)，今后我一定會 好好報答你們。 最后感謝百忙之中為我們評審和答辯的老師，祝老師們身體健康，工作順利。 參考文獻 1. 成大先.機械設計手冊?北京：化學工業(yè)出版社，2008 2. 機械工程手冊委員會?機械工程手冊?北京：機械工業(yè)出版社， 1997 3. 盧耀祖.機械結構設計（第2版）.上

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