立體倉庫巷道式堆垛機(jī)設(shè)計.doc
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1 緒論 1.1 本課題研究的背景及意義 我國現(xiàn)在正處于工業(yè)化、城市化發(fā)展的高速期，未來一段時間內(nèi)，土地資源和勞動力資源將會成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，鑒于此，建造立體倉庫是未來企業(yè)發(fā)展趨勢，自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)合理化的關(guān)鍵。它具有空間利用率高，便于實(shí)現(xiàn)自動化管理，實(shí)時自動結(jié)算庫存貨物種類和數(shù)量等許多優(yōu)點(diǎn)，對加快物流速度、提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本很重要，已開始應(yīng)用于汽車、電子、醫(yī)藥、煙草、建材、郵電等許多行業(yè)。 堆垛機(jī)是自動化立體倉庫中最重要的搬運(yùn)、起重、堆垛設(shè)備，對立體倉庫的出入庫效率有決定性影響，是立體倉庫能否達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵設(shè)備之一。而我國在堆垛機(jī)制造技術(shù)上和世界發(fā)達(dá)國家有很大差距，鑒于我國未來物流業(yè)發(fā)展的廣闊空間，堆垛機(jī)技術(shù)落后必將成為限制我國自動化立體倉庫發(fā)展的瓶頸，使我國在國際物流業(yè)競爭中處于不利地位。鑒于以上因素，發(fā)展堆垛機(jī)技術(shù)有積極意義。 1.2 有軌巷道堆垛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 有軌巷道堆垛起重機(jī)是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機(jī)，通常簡稱為堆垛機(jī)。其主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者相反，取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到巷道口，完成出入庫作業(yè)。 20世紀(jì)70年代初期，我國開始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉庫，1980年我國第一座自動化立體倉庫在北京汽車制造廠投產(chǎn)，從此自動化立體倉庫在我國得到了迅速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前已建成三百余座。堆垛機(jī)做為立體倉庫中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，也得到了較快的發(fā)展。 早期的堆垛機(jī)是在橋式起重機(jī)的起重小車上懸掛一個門架，利用貨叉在立柱上的上下運(yùn)動及立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來搬運(yùn)貨物，通常稱之為橋式堆垛機(jī)。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)，這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒。隨著立體倉庫的發(fā)展，巷道堆垛機(jī)逐漸替代了橋式堆垛機(jī)。 隨著計算機(jī)控制技術(shù)和自動化立體倉庫的發(fā)展，堆垛機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)性能越來越好，高度也在不斷增加，到1970年實(shí)現(xiàn)了由貨架支承的高度為40米的堆垛機(jī)。堆垛機(jī)的運(yùn)行速度也不斷提高，目前堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度可達(dá)200m/min，起升速度高達(dá)120m/min，貨叉伸縮速度達(dá)50m/min。2004年國際物流綜合展覽會上推出的超高效能巷道堆垛機(jī)“H-V1”，走行速度500m/min，加減速0.5G，處理能力每小時500箱，實(shí)現(xiàn)了自動化立體倉庫存取效率的飛躍。 80年代初期，巷道堆垛機(jī)的運(yùn)行能力主要由機(jī)械的速度模式來決定，速度控制是將子母電機(jī)或變極電機(jī)進(jìn)行復(fù)合，機(jī)械式地進(jìn)行速度切換來控制高速、低速運(yùn)行。因此，最高行走速度不超過100m/min，最高升降速度不超過20m/min，在高速化上受到了制約。于是，在速度控制方面采用了直流電機(jī)的電壓切換控制方式，使巷道堆垛機(jī)的最高行走速度達(dá)到125m/min，最高升降速度達(dá)到30m/min。但是，伴隨高速化的另一個重要問題是停止，為了滑動停止就必須降到很低的速度。當(dāng)進(jìn)行速度切換時，由于急加減速而形成的或是由于制動停止而引起的沖擊，誘發(fā)了機(jī)械的振動。 現(xiàn)代堆垛機(jī)多使用變頻調(diào)速，速度控制更加平穩(wěn)，解決了變速時的沖擊問題，但是在堆垛機(jī)制動器抱閘停止時，也會產(chǎn)生沖擊，在堆垛機(jī)機(jī)架較高的情況下，造成機(jī)架晃動，目前只能通過改善控制減小沖擊，尚無更好的解決辦法。 目前，我國巷道堆垛機(jī)的性能參數(shù)和可靠性有待進(jìn)一步提高。國產(chǎn)堆垛機(jī)的質(zhì)量相對國外堆垛機(jī)而言差距較大，為使國產(chǎn)堆垛機(jī)趕超國際水平，應(yīng)加強(qiáng)自主研究和開發(fā)。 1.3 本課題設(shè)計任務(wù)及要求 此堆垛機(jī)用于機(jī)械加工工廠的毛坯、零件倉庫，倉庫貨架總高度為10m，貨物單元長、寬尺寸為1200x1000mm，額定負(fù)載800kg，最高行走速度120m/min，最高升降速度30m/min，最高貨叉速度30m/min，首層貨架高度600mm，負(fù)載單元器具為托盤或貨箱，貨叉數(shù)為雙貨叉，每小時出入庫20次，平均工作周期3min。 本次畢業(yè)設(shè)計對堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要包括門架結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)。設(shè)計出更合理堆垛機(jī)門架結(jié)構(gòu),在保證其強(qiáng)度及剛度條件下盡量減輕整機(jī)重量，同時，設(shè)計出能減輕堆垛機(jī)制動時晃動的輔助天軌制動裝置和更加簡單可靠的斷繩保護(hù)裝置。 2 堆垛機(jī)總體方案的確定 堆垛機(jī)工作于立體倉庫貨架之間，為節(jié)省空間，加大有限空間存貨量，現(xiàn)代立體倉庫貨架間距做的很窄而高度很高。堆垛機(jī)在此環(huán)境下工作，決定其整體結(jié)構(gòu)高而窄，為防止傾倒，將堆垛機(jī)行走軌道設(shè)計成上下雙軌，下部地軌起支撐和引導(dǎo)作用，上部天軌可支持堆垛機(jī)直立行走，保證不發(fā)生傾倒事故。 高而窄的結(jié)構(gòu)也造成堆垛機(jī)沿高度方向剛度不足，在起停過程中振動嚴(yán)重，會延長定位時間，影響效率，也會造成堆垛機(jī)定位不準(zhǔn)確，無法正常工作。為減輕剛度不足造成的影響，堆垛機(jī)設(shè)計中要非常注意機(jī)構(gòu)的動剛度。 2.1 有軌巷道堆垛機(jī)門架結(jié)構(gòu)選型 按傳統(tǒng)門架結(jié)構(gòu)形式堆垛機(jī)可分為雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)和單立柱有軌巷道堆垛機(jī)： (1)雙立柱有軌巷道堆垛機(jī) 雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)由兩根立柱、上橫梁、下橫梁和帶貨叉的載貨臺組成，立柱、上橫梁和下橫梁組成一個長方形的框架，一般稱為機(jī)架。這種堆垛機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)就是強(qiáng)度和剛性都比較好，能快速起、制動，并且運(yùn)行平穩(wěn)。一般用在起升高度較高、起重量較大和水平運(yùn)行速度較高的立體倉庫中，其缺點(diǎn)是自重較大。 (2)單立柱有軌巷道堆垛機(jī) 圖2.1 雙立柱有軌巷道堆垛機(jī) 單立柱有軌巷道堆垛機(jī)的機(jī)架由一根立柱、下橫梁和上橫梁組成。立柱多采用型鋼或焊接制作，立柱上附加導(dǎo)軌。整機(jī)重量較輕，消耗材料少，因此制造成本相對較低，但剛性稍差。由于載貨臺和貨物對立柱有偏心作用，以及行走、制動時產(chǎn)生的水平慣性力作用，使單立柱有軌巷道堆垛機(jī)在使用上有較大的局限性。不適于起重量大和水平運(yùn)行速度高的堆垛機(jī)。 圖2.2 單立柱有軌巷道堆垛機(jī) 通過對比分析，本設(shè)計中堆垛機(jī)應(yīng)用于機(jī)械零件及毛坯的搬運(yùn)，受力較大。單立柱堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)剛度小，設(shè)計大剛度門架較困難。且本設(shè)計針對加大倉庫存貨量的中型倉庫，庫高為10米，單立柱結(jié)構(gòu)做到10米高，會顯著提高成本，不夠經(jīng)濟(jì)。故本設(shè)計采用雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)，這種堆垛機(jī)強(qiáng)度和剛性都比較好，能快速起、制動，并且運(yùn)行平穩(wěn)。用在起升高度較高、起重量較大和水平運(yùn)行速度較高的立體倉庫中，符合本設(shè)計的任務(wù)要求。 2.2 貨叉伸縮機(jī)構(gòu) 2.2.1 貨叉結(jié)構(gòu) 貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)存取貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，置于堆垛機(jī)載貨臺上，可以橫向伸縮以便向兩側(cè)貨格送入或取出貨物。一般按叉子的數(shù)量分為單叉貨叉，雙叉貨叉和多叉貨叉，其中多叉貨叉多用在特長貨物的堆垛。 由于工作需要，堆垛機(jī)貨叉在收回狀態(tài)下的長度要小于巷道的寬度，但伸展后的長度卻要大大長于巷道寬度。為了從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)這個要求，必須采用多級伸縮式貨叉，目前最常用的是3級直線差動式貨叉。底叉固定在載貨臺上，動力裝置安裝在底叉上，通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動中叉相對底叉運(yùn)動，中叉和上叉之間裝有直線差動機(jī)構(gòu)，使中叉相對底叉運(yùn)動時，上叉相對中叉以2倍速運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)大距離伸叉的要求。 2.2.2 中叉板的驅(qū)動 中叉的運(yùn)動是通過安裝在底叉板或載貨臺上的電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，傳動方案有齒輪齒條傳動和鏈條傳動。 1.齒輪齒條式伸縮叉 如圖2.3，電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)安裝在載貨臺上，齒條固定在中間叉上，齒輪固定在載貨臺中部，驅(qū)動齒條從中點(diǎn)，向左或向右移動大約自身長度的的一半。前叉可以從中間叉的中點(diǎn)，在鏈條或鋼絲繩驅(qū)動下向左或向右伸出比自身稍長的長度。 圖2.3 齒輪齒條式伸縮叉伸縮機(jī)構(gòu) 2.鏈條鏈輪式伸縮叉 如圖2.4，固定叉安裝在載貨臺上，固定貨叉、中、上叉之間由鏈輪鏈條進(jìn)行連接，電動機(jī)通過驅(qū)動鏈輪由鏈條帶動中間叉運(yùn)動，從固定叉中點(diǎn)向左或向右伸縮，在中叉向左或向右伸縮時，由另外兩條鏈帶動上叉以三倍速度伸縮。 圖2.4 鏈條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu) 分析以上兩方案，鏈條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu)采用鏈輪鏈條執(zhí)行動作，鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)整體尺寸較大，由圖中也可以看到，鏈條數(shù)較多，空間布置不便，容易造成鏈條間的干涉，傳動中有一定的速度波動，貨叉位置控制難以做到很精確，不利于檢測。齒輪齒條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條執(zhí)行動作，速度平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，齒輪齒條耐用度高，減少維修輔助時間。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計采用齒輪齒條式貨叉伸縮機(jī)。 2.3 起升機(jī)構(gòu) 2.3.1 起升機(jī)構(gòu)形式 起升機(jī)構(gòu)通過支架用螺栓固定在立柱下端，本設(shè)計可參考方案有電動葫蘆起升機(jī)構(gòu)，卷揚(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu)以及鏈條起升機(jī)構(gòu)。 1.電動葫蘆起升機(jī)構(gòu) 圖2.6吊鏈?zhǔn)狡鹕龣C(jī)構(gòu) 鋼絲繩由電動葫蘆卷筒引出，通過上橫梁的兩個固定滑輪與載貨臺上的動滑輪連接，如圖2.5.電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用很廣泛，但在調(diào)速方面，市場上目前暫無可調(diào)頻調(diào)速的電動葫蘆，需要專廠定制，且市場成熟度不是很好，在一定程度上增加成本。由于本設(shè)計中堆垛機(jī)對定位要求很高，電動葫蘆由于調(diào)速上的缺陷難以做到很精確定位，市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品升降速度也不能滿足任務(wù)要求，故不采用。 2.吊鏈?zhǔn)狡鹕龣C(jī)構(gòu) 圖2.5 電動葫蘆起升機(jī)構(gòu) 采用鏈輪與鏈條起升，該形式在結(jié)構(gòu)上由于升降電機(jī)裝置上置，使堆垛機(jī)重心上移，增加了不穩(wěn)定因素。鏈傳動本身不穩(wěn)定，工作中產(chǎn)生振動和脈動，且工作一段時間吊鏈伸長量超標(biāo)(5%)，必須更換，增加了成本和輔助時間，對于高度較高的堆垛機(jī)設(shè)備不是最合理的選擇，本設(shè)計不采用。 3.卷揚(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)可采用專業(yè)起重用調(diào)頻調(diào)速電機(jī)，通過直連式或聯(lián)軸器與減速器軸連接，輸出軸上安裝卷筒，卷筒是非標(biāo)件，可根據(jù)具體起升高度自行設(shè)計。根據(jù)市場上現(xiàn)有堆垛機(jī)設(shè)備調(diào)查，目前市場上巷道堆垛機(jī)多采用這種升降裝置，故本設(shè)計采用，其結(jié)構(gòu)如圖2.6。鋼絲繩3纏繞在卷筒8上，由卷筒引出后通過上橫梁的固定滑輪2與載貨臺上的動滑輪10連接，卷筒在電動機(jī)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，通過控制電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確控制載貨臺位置。 1-機(jī)架 2-定滑輪 3-鋼絲繩 4-電動機(jī) 5-支座 6-聯(lián)軸器 7-減速器 8-卷筒 圖2.6 卷揚(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu) 2.3.2 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的布置方案 卷揚(yáng)機(jī)典型布置方案有3種，如圖2.7。(a)圖采用的是平行軸圓柱齒輪減速器，它將電動機(jī)和卷筒布置在減速器的同側(cè)，這種布置型式結(jié)構(gòu)最緊湊，整套機(jī)構(gòu)外形尺寸最小。但它要求減速器的中心距具有一定的數(shù)值。 (b)圖采用的也是平行軸圓柱齒輪減速器，它將電動機(jī)和卷筒布置在減速器的兩側(cè)，這種布置型式適用于減速器的中心距不夠大，整套機(jī)構(gòu)的寬度尺寸不受限制的情況。 (c)圖采用的是直交軸的減速器，它是在整套機(jī)構(gòu)的長度尺寸不受限制的情況下采用的一種布置型式。 圖2.7 卷揚(yáng)機(jī)布置形式 鑒于巷道堆垛機(jī)的工作環(huán)境限制，選擇圖(a)的布置形式，其結(jié)構(gòu)緊湊，也便于安裝。 2.3.3 安全機(jī)構(gòu) 為了保證堆垛機(jī)正常工作，確保載貨臺上人員、貨物的安全，當(dāng)載貨臺工作中發(fā)生斷繩事故時，必須自動可靠地將載貨臺及時停止，避免發(fā)生溜車或墜車事故 因此，載貨臺必須裝有安全機(jī)構(gòu)。這種安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求是敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等。 2.4 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)水平運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，一般由電動機(jī)，聯(lián)軸器，制動器，減速器和行走車輪組成。按運(yùn)行機(jī)構(gòu)所在位置的不同分為地面運(yùn)行式和上部運(yùn)行式，由于上部運(yùn)行式堆垛機(jī)的天軌設(shè)計強(qiáng)度要求高，制造難度大，增加了倉庫頂棚成本，行走驅(qū)動在頂部使堆垛機(jī)重心上移，增加不穩(wěn)定因素，維修不便。行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)地面布置利用地軌支撐驅(qū)動輪，很容易保證剛度，成本較低，維修方便，結(jié)構(gòu)合理。本設(shè)計采用地面驅(qū)動形式，主動輪和從動輪沿設(shè)在地面上的單軌運(yùn)行，結(jié)構(gòu)圖如2.8所示。 圖2.8 行走機(jī)構(gòu) 堆垛機(jī)的頂部用兩組水平輪固定在上橫梁的工字鋼導(dǎo)上，如圖2.9。上橫梁和立柱焊接在一起，下橫梁用槽鋼和鋼板拼焊，行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)，主從動車輪，電器柜等都裝在它的上面。 圖2.9 天軌機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動形式如圖2.10，圖a采用一般臥式減速器，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器連接驅(qū)動輪，整體尺寸較大。圖b采用套裝式減速器，減速器提供空心軸孔，驅(qū)動輪軸直接插入減速器空心軸孔中，車輪組安裝時較簡便，并能使運(yùn)行機(jī)構(gòu)整體布置緊湊。主動車輪通過鍵與軸連接，減速器底座用螺栓固定在下橫梁一側(cè)的底座上，輸入側(cè)通過電機(jī)連接盤與電機(jī)殼相連。同時可將車輪軸通過帶偏心法蘭依靠螺栓固定在下橫梁端頭兩側(cè)板上，利用帶孔偏法蘭心可調(diào)整被動車輪輪心與軌面距離，從而達(dá)到調(diào)整立柱對軌道的垂直度。 行走車輪在鋪設(shè)于地面的單軌上行走，為防止走行輪行走中產(chǎn)生脫軌現(xiàn)象，本設(shè)計安裝側(cè)面導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)。在下橫梁兩端頭部設(shè)置清軌器和聚氨脂緩沖器，減少碰撞時的沖擊力。 圖2.10 行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動形式 (a) (b) 由于堆垛機(jī)的高窄結(jié)構(gòu)，當(dāng)堆垛機(jī)下部行走機(jī)構(gòu)制動時，慣性力的作用會導(dǎo)致運(yùn)動方向出現(xiàn)點(diǎn)頭擺動。由于車體的擺動，在停車過程中會產(chǎn)生定位誤差，既影響準(zhǔn)確尋址定位，又會產(chǎn)生震動，增加噪音，造成機(jī)體的損傷。隨著堆垛機(jī)運(yùn)行速度的提高，制動帶來的擺動幅度會越來越大，因此消除慣性、減小擺動顯得尤為重要。此外，由于天軌與導(dǎo)輪之間存在間隙，又無夾緊定位，停車存取作業(yè)時，由上導(dǎo)輪間隙產(chǎn)生的角傾斜，加大了貨叉作業(yè)時產(chǎn)生的下?lián)稀Ｒ朔陨喜蛔?，堆垛機(jī)停車過程必須即制即停，并且保持足夠的剛度，從而減小作業(yè)時產(chǎn)生振動，克服上部導(dǎo)輪間隙造成的傾斜，減小貨叉的下?lián)希岣叨ㄎ痪取? 根據(jù)堆垛機(jī)運(yùn)行停車制動產(chǎn)生點(diǎn)頭擺動的機(jī)理分析，要有效避免點(diǎn)頭擺動，必須實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)下部與上部同步制動。目前國內(nèi)制造的有軌巷道堆垛機(jī)尚無同步制動裝置。為解決堆垛機(jī)制動時的沖擊問題，需要設(shè)計同步夾緊制動裝置。 3 貨叉伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計計算 3.1 直線差動機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.1.1 伸縮叉尺寸確定 根據(jù)使用要求，確定貨叉長度為1000mm，貨叉伸出量為1100mm，由結(jié)構(gòu)特點(diǎn)初步設(shè)計貨叉各段尺寸如下圖3.1所示。 圖3.1 貨叉尺寸參數(shù) a=650mm b=350mm c=200mm d=350mm e=100mm l=900mm l=550mm l=650mm l=1150mm 3.1.2 中叉速度確定 由圖2.3可知，當(dāng)中叉相對于底叉運(yùn)動時，動滑輪和定滑輪構(gòu)成動滑輪組。根據(jù)動滑輪的特點(diǎn)，當(dāng)動滑輪以速度V相對于定滑輪運(yùn)動時，也就是中叉板相對于底叉板運(yùn)動速度為V時，動滑輪與上叉板之間的鋼繩就會以近似于2V的速度相對于動滑輪運(yùn)動，從而帶動上叉板以近似于2V的速度相對于中叉板運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了速度和行程的倍增，最終上叉板相對于底板實(shí)現(xiàn)3倍速的運(yùn)動。貨叉的伸叉速度為V，則中叉的運(yùn)行速度 3.2 各叉導(dǎo)向軸承徑向載荷計算 各叉板在相互運(yùn)動時，應(yīng)保持穩(wěn)定的導(dǎo)向支撐連接關(guān)系，本設(shè)計采用滾動軸承和凹槽組成的滾動副。貨叉在長度方向有2個支撐點(diǎn)，能形成懸臂支撐關(guān)系，可以承受載荷。圖3.2給出了貨叉最大伸展?fàn)顟B(tài)時各叉板之間的連接支撐關(guān)系，此時各支撐點(diǎn)處的徑向載荷為最大。 1.固定叉 2.中叉 3.上叉 4.滑輪1 5.滾輪 6.繩索 7.滑輪2 圖3.2 貨叉支撐結(jié)構(gòu) 如圖3.2所示，貨物和活動叉板部分的當(dāng)量載荷為Q，為最大載荷的1.25倍，根據(jù)靜力平衡關(guān)系可以求得導(dǎo)向軸承B、C、D、E處的徑向載荷分別為 對于支撐點(diǎn)數(shù)大于2的情況，考慮到凹槽加工誤差的因素，可以仍按靠近貨物端的2個點(diǎn)來計算，結(jié)果偏安全。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向軸承為沿叉兩側(cè)對稱布置，因此導(dǎo)向軸承的徑向載荷 [7] 式中K為載荷均衡系數(shù)，與加工和裝配精度有關(guān)，一般取K=1.5～1.7。 使中叉運(yùn)動的驅(qū)動力 式中f為滾動軸承摩擦阻力系數(shù)，f=0.02 3.3 中叉驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 機(jī)構(gòu)形式見圖2.3，采用漸開線直齒圓柱齒輪和齒條傳動，小齒輪直接安裝在減速電機(jī)的輸出軸上，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和強(qiáng)度分析確定小齒輪分度圓直徑為d1 =63mm 則 (1)小齒輪轉(zhuǎn)速 (2)小齒輪(減速電機(jī)輸出軸)轉(zhuǎn)矩 確定減速電機(jī)的輸出扭矩T和輸出轉(zhuǎn)速n。減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為，輸出扭矩 電機(jī)功率 式中，為總傳動效率。 減速器采用型號R17，輸出轉(zhuǎn)速54r/min，輸入功率0.18kw，最大扭矩30N.m 電動機(jī)選擇Y801-4，額定功率0.55kw，額定轉(zhuǎn)速1390r/min。 3.4 伸縮貨叉的撓度與強(qiáng)度 3.4.1 前叉的受力分析 載荷在區(qū)間產(chǎn)生的反力有、，在E點(diǎn)的傾斜角為，擾度為,受力分析如圖3.3所示。 圖3.3 前叉受力變形圖 由，當(dāng)時，有 其中為單個貨叉受力，按載重增加25%作為試驗(yàn)載荷。 由得： 設(shè)計貨叉的抗彎截面系數(shù)應(yīng)大于 上叉設(shè)計如下：材料為Q235 圖3.4 上叉截面尺寸 由于上叉跨度短，在支撐附近有很大載荷，故進(jìn)行彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度校核。 中性軸以上部分截面對中性軸靜矩 滿足彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度。 , ,有 當(dāng)時 3.4.2 中間叉受力分析 圖3.5 中間叉總體受力變形圖 因載荷的作用，在間產(chǎn)生反力、，設(shè)點(diǎn)的傾角為,擾度為 當(dāng)時， 設(shè)計選擇矩形空心型鋼，由得 由此選擇型鋼尺寸如圖3.6。 圖3.6 中間叉截面尺寸 因時，, 則 求時的傾斜角 根據(jù)圖3.7 圖3.7 中間叉前端受力變形圖 把段作為剛性，點(diǎn)作為固定端考慮，并設(shè)由于在中叉產(chǎn)生的反力為和，而由這些反力作用在叉子前端產(chǎn)生的擾度為和，則 在時 其次] 當(dāng)時， 所以 因此，設(shè)載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總擾度為 4 堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 4.1 升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計計算 （1）起重鋼絲繩（以最大靜載荷計算） 鋼絲繩最大拉力 —堆垛機(jī)最大起升載荷 —起升滑輪組倍率 —滑輪組總效率 鋼絲繩破段拉力 n—安全系數(shù)，取5 根據(jù)破段拉力選擇鋼絲繩：鋼繩6x19 B類同向 d=8mm[4] （2）滑輪選擇 根據(jù)起升鋼絲繩直徑確定滑輪尺寸，滑輪為標(biāo)準(zhǔn)件，滑輪輪徑D與鋼繩直徑d比： 選取滑輪的軸徑d=50mm，輪徑D=200mm （3）卷筒選擇 采用單層繞線卷筒，卷筒直徑 —鋼繩中心計算的卷筒最小直徑 —鋼繩直徑 h—起升系數(shù)（中級） 為縮短卷筒長度，選取卷筒的直徑為D=250mm，鋼繩中心計算的卷筒直徑為=263mm 卷筒繞線長度 H—堆垛機(jī)最大起升高度 t—繩槽節(jié)距 —附加安全圈數(shù) 卷筒總長度 —固定繩頭長度，取25mm —工藝長度，取80mm。 （4）制動器 制動器的制動力矩 —制動安全系數(shù)，取1.6—卷筒至制動器軸傳動比 —傳動效率 制動器選擇制動力矩 4.2 升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速器的選取 考慮電機(jī)在一個工作周期內(nèi)工作時間最長的情況，即載貨臺由低端將貨物送到最高層然后返回，速度圖簡化如下： 有速度圖和負(fù)載情況求出的電機(jī)負(fù)載圖為 負(fù)載持續(xù)率 等效功率 Ca—起動惡化系數(shù)，查得0.75 把等效功率轉(zhuǎn)化為=25%的功率 電動機(jī)選擇： 電動機(jī)YZR160M1-6型，額定功率6.3KW，額定轉(zhuǎn)數(shù)921r/min 卷筒轉(zhuǎn)速 電動機(jī)至卷筒傳動比為 5 堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 5.1 主動行走輪直徑的確定 行走輪用球墨鑄鐵，鋼軌選用30Kg/m型輕軌 由最大接觸應(yīng)力公式 式中， —最大輪壓，17500N； b—輪與軌道接觸線長，60mm； —分別為行走輪與鋼軌彈性模量，=162GPa ,=210GPa； —分別為行走輪與鋼軌泊松比，=0.29 =0.3； —行走輪半徑，選擇150mm 鑄鐵的抗壓強(qiáng)度<合格 取車輪直徑為 5.2 運(yùn)行阻力計算 (1)有軌巷道堆垛機(jī)的運(yùn)行時的靜阻力 有軌巷道堆垛機(jī)沿軌道直線運(yùn)行時，行走輪與軌道之間以及行走輪與軸承之間，都存在著摩擦阻力。為了簡化計算，假定全部載荷作用在一個行走輪上，其受力情況如圖5.1所示。 由彎矩平衡條件得： 及 考慮其它阻力的附加阻力，乘以一個系數(shù)即 圖5.1 行走輪受力 式中 —驅(qū)動力矩(MPa)； —堆垛機(jī)的額定起重量和自重之和(N)； —行走輪滾動摩阻系數(shù)； 、—分別為車輪直徑和軸徑(mm)； —軸承摩擦系數(shù)。 由[2]P119查得： 滾動阻力系數(shù) ，軸承摩擦系數(shù)，附加阻力系數(shù)，代入上式中： 當(dāng)有軌巷道堆垛機(jī)在室內(nèi)運(yùn)行時，風(fēng)阻力和軌道斜坡阻力較小，經(jīng)常忽略不計；所以有軌巷道堆垛機(jī)的靜阻力等于其摩擦阻力。 于是計算得到滿載時的運(yùn)行阻力為350N。 5.3 行走電動機(jī)功率的計算 有軌巷道堆垛機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)的功率，是根據(jù)堆垛機(jī)滿載穩(wěn)定運(yùn)行時的靜阻力進(jìn)行計算。按照運(yùn)行靜阻力、運(yùn)行速度計算機(jī)構(gòu)的靜功率。靜功率(kw)的計算公式為 —運(yùn)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行時的靜阻(N)； —堆垛機(jī)的運(yùn)行速度(m/min)取120m/min計算； 查[14]表31-27選用電動機(jī)Y100L2-4,轉(zhuǎn)速1430r/min,質(zhì)量38kg 5.4 減速器的選擇 車輪的轉(zhuǎn)數(shù)： 機(jī)構(gòu)傳動比： 根據(jù)傳動比初選擇減速器型號為：FA37，輸出轉(zhuǎn)速128r/min，傳動比11.08，輸入功率3kw。 F系列斜齒輪硬齒面減速機(jī)具有體積小、傳遞扭矩大的特點(diǎn)；傳動效率高，耗能低，性能優(yōu)越。 5.5 驗(yàn)算起動時間 電動機(jī)起動時間，是根據(jù)電動機(jī)的平均起動力矩，減去電動機(jī)軸上靜阻力矩后，將剩余力矩克服堆垛機(jī)起動過程中的慣性阻力矩計算，所以起動時間由下式確定： （[2]P123式4-78） 式中 -許用起動時間，對堆垛機(jī)??； -電動機(jī)軸上的靜阻力矩； -電動機(jī)的平均起動力矩； -驅(qū)動電機(jī)數(shù)，取； 對于Y型電機(jī)，計算得 啟動時間超出許用起動時間0.2s，考慮到起動時間過短產(chǎn)生過大晃動影響，可以認(rèn)為此起動時間合格。 5.6 制動時間計算 堆垛機(jī)制動時，制動時間的取決于制動器選擇是否合理，由下式計算制動時間 式中-制動器制動力矩； -制動器數(shù)，取； -制動軸上的靜阻力矩； ； -電動機(jī)軸與制動器軸之間的傳動比； -制動器軸與行走輪軸之間的傳動比； -傳動總效率，取0.96； -車輪直徑； -對于堆垛機(jī)的許用制動時間與行走距離及停車精度有關(guān)，取 由得， 制動器選擇規(guī)格制動力矩，制動時間5.9s 6 堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計 雙立柱機(jī)架由兩根立柱和上下橫梁組成一個平面框架，具有良好的整體剛度，在門架上安裝卷揚(yáng)，走行等機(jī)械裝置，由于走行起動，停止及加速減數(shù)時產(chǎn)生的慣性力，門架在通道的縱向發(fā)生撓曲，整個門架成為振動體，其柱端振動較大。同樣，在通道的垂直方向，立柱由于貨叉作業(yè)時的彎矩作用而發(fā)生彎曲，使伸長的伸縮叉的前端撓度增大，影響正常定位。為防止柱端振動和撓度超限而影響定位，需對門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。 堆垛機(jī)門架的設(shè)計計算參數(shù)： 上下梁（槽鋼22a，上、下各兩根） 立柱（槽鋼22a，兩根組焊成立柱） 上梁及附件質(zhì)量 貨臺、貨物、附件總質(zhì)量 卷揚(yáng)裝置的質(zhì)量 立柱的單位長度的平均質(zhì)量 作用在門架上的慣性力： 上梁及附件 貨臺、貨物、附件 圖6.1 作用于框架結(jié)構(gòu)的慣性力 卷揚(yáng)裝置 (為加速減速時的加速度, ) 下梁中心線到-的重心高度 立柱的中心距 立柱AB、DC的斷面慣性矩 上下梁BC、AD的斷面慣性矩 立柱的剛度 上下梁的剛度 剛度比 縱彈性模量 —上梁與下梁端部的偏轉(zhuǎn)角 —因構(gòu)件兩端變位產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移 —由構(gòu)件的中間載荷在桿端產(chǎn)生的彎矩，稱為載荷項。 堆垛機(jī)作業(yè)類型: 按起重機(jī)作業(yè)性質(zhì)定為Ⅲ型(經(jīng)常起吊額定重量貨物,使用不很頻繁工作有規(guī)則) 載荷系數(shù):固定載荷系數(shù)φ=1.2（軌道無接縫，V>90m/min），移動載荷系數(shù)ψ=1.4。 6.1 水平載荷產(chǎn)生的彎矩計算 將圖6.1中作用于框架結(jié)構(gòu)的慣性力，分解為如圖6.2所示(a)、(b）,用角變位移進(jìn)行計算。 作出作用于框架結(jié)構(gòu)的慣性力圖解 圖6.2 門架受力變形分析 圖（a）中各項的角變位移方程式： 其中載荷項： = = 由節(jié)點(diǎn)的彎距平衡方程列a圖平衡方程組： (1) (2) (3) (4) (5) 由上面(1)、(2)、(3)、(4)、(5)組成方程組，利用高斯消元法求解增廣矩陣如下表6-1 表6-1 a圖方程組增廣矩陣 值 式(1) 1 12 5 0 -3 0 式(2) 12 1 0 5 -3 0 式(3) 0 5 12 1 -3 式(4) 5 0 1 12 -3 式(5) 1 1 1 1 -4 求解程序見附錄?？汕蟪? 再帶入前列各角變位移方程式，可求出上下梁內(nèi)力 立柱彎矩 ，，， 圖b 分析計算 固端彎距（載荷項） 列出角變位移方程式： 由節(jié)點(diǎn)的彎距平衡方程列b圖平衡方程組： （1） （2） （3） （4） 有隔離體靜力平衡方程式： （5） 由上面(1)、(2)、(3)、(4)、(5)組成方程組，利用高斯消元法求解方程組增廣矩陣矩陣如下表6-2。 表6-2 b圖方程組增廣矩陣 值 式(1) 12 1 0 5 -3 式(2) 1 12 5 0 -3 式(3) 0 5 12 1 -3 0 式(4) 5 0 1 12 -3 0 式(5) 1 1 1 1 -4 解上面各式，可求出 代人角變位移方程得上下梁彎矩： 立柱彎矩 由水平載荷產(chǎn)生的彎距，可由圖（a）、圖（b）疊加得出： 走行停止時發(fā)生振動門架立柱上端的線變位 ： （值容許范圍一般在2.5—5cm，符合要求) 6.3 行走車輪的反力產(chǎn)生彎矩計算 受力分析圖如6.3示，其中V為車輪反力。 列出角變位移方程式： 圖6.3 行走輪受力分析圖 行走車輪反力： 固定端彎矩： = - = - 則 且由 由水平載荷產(chǎn)生的彎矩與行走車輪反力產(chǎn)生的彎矩的和彎矩為： 由于立柱和上下梁采用同種材料，只需校核最大彎矩所在截面的強(qiáng)度，其抗彎截面系數(shù) 門架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。 6.4 計算叉取作業(yè)產(chǎn)生的彎矩 由于貨叉作業(yè)，在門架上及與走行方向成直角的方向增加了彎矩，產(chǎn)生了擾度。該變形造成貨叉在伸出時變形，應(yīng)考慮其大小。 貨叉完全伸出產(chǎn)生彎矩： 門架傾斜角： 由于立柱變形產(chǎn)生的貨叉尖端下沉： 則貨叉伸出后尖端總下沉量為貨叉自身變形量與立柱變形產(chǎn)生的貨叉尖端下沉之和，即 當(dāng)托盤貨架進(jìn)深為110時，值應(yīng)控制在10-15以內(nèi)，滿足。([3]P129) 由貨叉外伸產(chǎn)生的彎矩相比前兩類彎矩影響較小，而且堆垛機(jī)不會在貨叉伸出的情況下走行，所以可以認(rèn)為最大彎矩為水平載荷產(chǎn)生的彎矩與行走車輪的反力產(chǎn)生的彎矩的合成彎矩，門架強(qiáng)度可由此最大彎矩校核。 7 制動機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)設(shè)計 7.1 制動機(jī)構(gòu)設(shè)計 該裝置由鉗口、支架、底座、連桿、推桿、電磁鐵、磨擦片組成，結(jié)構(gòu)如圖7.1所示。 1-上導(dǎo)軌 2-鉗口 3-支板 4-連桿 5-推桿 6-電磁鐵 7-支座 圖7.1 天軌制動裝置 該裝置通過支座7固定在堆垛機(jī)上橫梁，當(dāng)堆垛機(jī)下部行走輪系執(zhí)行制動時，電磁鐵6通電，推動推桿5，將連桿4推到死點(diǎn)，制動鉗2夾緊上導(dǎo)軌1，將堆垛機(jī)位置固定。連桿機(jī)構(gòu)傳動可靠，可保證隨機(jī)夾持導(dǎo)軌，穩(wěn)固機(jī)身。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)釋放制動時，電磁鐵同時斷電，同步制動裝置在彈簧力拉動下，使連桿脫離死點(diǎn)，夾緊鉗松開。鉗口會提前張開不會影響正常運(yùn)行，該制動裝置采用常開式，即通電后制動工作，斷電后保持常開，可減小能耗。考慮導(dǎo)向與運(yùn)行的平穩(wěn)，同步制動裝置也可同時安裝導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)。為緩解制動產(chǎn)生的過高剛度，避免制動扭矩對堆垛機(jī)機(jī)身以及磨擦片的損傷，在磨擦片前后設(shè)置彈性橡膠，以緩沖制動沖擊。 7.2 安全機(jī)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計在參考其他設(shè)計基礎(chǔ)上提出一種彈性裝置的堆垛機(jī)安全機(jī)構(gòu)設(shè)計方案。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7.2所示。 圖7.2 安全機(jī)構(gòu) 如圖示，載貨臺在自重作用下使彈簧壓產(chǎn)生一定形變，彈簧組件下端接觸制動爪，當(dāng)鋼絲繩斷裂時，載貨臺失重下滑，滑輪失去鋼繩拉力使彈簧恢復(fù)原型，向下壓制動爪，通過合理選擇彈簧剛度，將對制動爪產(chǎn)生足夠的壓力，通過杠桿作用將制動片緊壓立柱，在摩擦力作用下制動片相對立柱上移，產(chǎn)生楔塊效應(yīng)，將載貨臺制動。在更換鋼繩后只要鋼繩上拉，制動力自行消失，恢復(fù)正常工作。在正常工作過程中，制動爪在自重作用下遠(yuǎn)離立柱，不會對運(yùn)動產(chǎn)生干擾。 彈簧選擇：（參考[6]彈簧設(shè)計P608.表4.1-6） 最小工作載荷 最大工作載荷 彈簧工作行程 （根據(jù)結(jié)構(gòu)自定） 彈簧端部結(jié)構(gòu)形式及支承圈數(shù) （選擇兩端并緊磨平式） 實(shí)驗(yàn)載荷 或，計算 查表取近似值 彈簧中頸 簧絲直徑 節(jié)距 實(shí)驗(yàn)載荷下的變形量 工作圈數(shù) 查標(biāo)準(zhǔn)系列 剛度 總?cè)?shù) 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 彈簧自由高度 壓并高度 最小工作載荷作用下彈簧高度 最大工作載荷作用下彈簧高度 實(shí)際工作行程 銷軸的抗剪強(qiáng)度校核 銷軸受剪力 銷軸橫截面上切應(yīng)力為 滿足強(qiáng)度要求（軸銷材料為20鋼） 式中-軸銷的橫截面積。 8 總結(jié)與展望 針對立體倉庫貨物搬運(yùn)不便的問題，本設(shè)計對立體倉庫專用堆垛機(jī)進(jìn)行研究，分析了堆垛機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計了能夠適應(yīng)自動化生產(chǎn)中物料搬運(yùn)的雙立柱巷道堆垛機(jī)，重點(diǎn)對其機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、水平行走機(jī)構(gòu)四部分進(jìn)行分析設(shè)計，本次畢業(yè)設(shè)計主要做了以下工作： (1)對門架結(jié)構(gòu)受力變形情況利用角變位移法進(jìn)行詳細(xì)分析計算，為選材及焊接方式提供依據(jù)，計算過程中采用了C語言編程求解多元方程組，編寫了高斯消元法的程序，簡化計算過程，提高求解精度； (2)水平行走機(jī)構(gòu)設(shè)計中增加天軌制動機(jī)構(gòu)，可以提高制動穩(wěn)定性，減少制動停車時間； (3)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計了斷繩保護(hù)機(jī)構(gòu)，可以保證堆垛機(jī)在工作中發(fā)生斷繩事故后載貨臺可靠制動； (4)對升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)和水平行走機(jī)構(gòu)的工作載荷分析計算，選擇動力源，設(shè)計各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 由于時間和條件限制，本設(shè)計中還有不足，可以從以下兩方面完善： (1)門架結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用先選材料后計算受力的方法，由于堆垛機(jī)自重載荷影響，很難做到精確計算，精確選材。在設(shè)計方法可以嘗試開發(fā)出設(shè)計軟件，用已有的產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)庫資料調(diào)用，能有效減少設(shè)計時間，避免手動多次試算的弊病。同時，可以利用有限元分析，設(shè)計出更可靠、更合理的門架結(jié)構(gòu)。 (2)在控制上考慮較少，利用現(xiàn)代成熟的自動控制技術(shù)，可以大幅度提高堆垛機(jī)工作的性能。 參考文獻(xiàn) [1] 邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997 [2] 田奇主編.倉儲物流機(jī)械設(shè)與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.4 [3] (日)吉國宏.自動化立體倉庫堆垛機(jī)設(shè)計[M].第一機(jī)械工業(yè)部第四設(shè)計院《堆垛機(jī)設(shè)計》翻譯組譯.北京:人民鐵道出版社,1979 [4] (日)本田早苗主編.裝卸機(jī)械設(shè)計[M].周耀坤譯.北京:中國鐵道出版社，1982 [5] 劉鴻文主編.材料力學(xué)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2004.1 [6] 機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊編委會.機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.4 [7] 沈敏德 陳照強(qiáng) 范維華 宋章領(lǐng).有軌巷道堆垛機(jī)3級直線差動式貨叉機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].山東輕工業(yè)學(xué)院《起重運(yùn)輸機(jī)械》.2009(7)：22-24 [8] 劉昌祺，董良.自動化立體倉庫的設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004 [9] 劉遠(yuǎn)偉,何民愛.物流機(jī)械[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8 [10] 趙波.吉林大學(xué).碩士學(xué)位論文[D].自動化立體倉庫堆垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的研究 [11] 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