单立柱巷道堆垛机说明书剖析

本科毕业设计说明书题目:单立柱巷道堆垛机提升装置与载货台设计院（部）：机电工程学院专业：机械工程及自动化班级：机械121班姓名：孙世良学号:20120711031指导教师：周海涛完成日期：2016年6月10日目录摘要1ABSTRACT21绪论31.1单立柱巷道堆垛机的结构及研究意义 31.2堆垛机研究情况及评述 31.3课题关键问题及解决方法 61.4单立柱巷道堆垛机的设计参数 82单立柱巷道堆垛机提升装置设计 92.1单立柱巷道堆垛机的特点 92.2提升装置部分设计 92.2.1 柔性件的选取 102.2.2 卷筒的选取102.2.3 电动机的选取102.2.4 减速器的选取112.2.5 制动器的选取122.3提升装置部分的计算132.3.1 钢丝绳的计算 132.3.2 卷筒的相关尺寸计算132.3.3 电动机的计算 152.3.4减速器的计算173单立柱巷道堆垛机载货台设计 183.1载货台货叉方案设计 183.2堆垛机货叉设计计算20321伸缩货叉的挠度与强度 203.2.2 下叉的受力分析计算203.2.3 中叉的受力分析计算213.2.4 上叉的设计分析计算 233.3货叉各参数的选择 244堆垛机的控制装置及保护措施 254.1堆垛机控制装置254.2堆垛机安全保护装置255结论27谢辞2829参考文献摘要本文详细论述了普遍应用在自动化立体仓库中的单立柱有轨巷道式堆垛机的设计 方案。文中对堆垛机的分类，特点及其构造进行了详细的叙述。堆垛机是自动化立体 仓库中最重要的起重堆垛设备，是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机。它 能够在自动化立体仓库的巷道中来回穿梭运行，将放置在巷道口的货物存入指定的货 格，或者从货格中取出货物运送到巷口。设计重点主要包括：载货台、升降机构、货叉伸缩机构以及安全机构。文章在确 定堆垛机的部分设计方案的前提下，再对各个机构进行受力分析和设计计算，最后进 行必要的相关校核并最终确定各个的机构实际取值。关键词：堆垛机；升降机构；载货台；货叉伸缩机构；ABSTRACTThis 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 detail. 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 round 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 overall 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 mechanism1绪论巷道堆垛起重机是自动化立体仓库的标志，对立体仓库的出入库效率有重要影响。本文从堆垛机的应用特点入手，着重就堆垛机的结构设计进行研究。1.1单立柱巷道堆垛机的结构及研究意义在立体仓库中，堆垛机是自动化立体仓库中最主要的作业机械设备，是输送系统 的核心设备，决定着整个出入库是否能流畅运行的关键，是代表立体仓库特征的标志。 自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库 系统。它是在不直接进行人工干预的情况下由巷道堆垛机实现货物的存储和取出，整 个过程由计算机网络管理和自动控制系统完成。它的合理的速度控制、精确的定位设 计以及优良的故障诊断系统是实现堆垛机高效率、高准确度、高度安全性运行的重要 因素。堆垛机主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物 存入货格；或者取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。自动化立体仓库最早诞生在美国，20世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式 堆垛机的立体仓库，据不完全统计，到目前已建成三百余座。堆垛机做为立体仓库中 最重要的起重运输设备，也得到了较快的发展。进入20世纪80年代，在世界发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业，它的出现标志着现代工业技术步入了一个加速发展 的阶段。自动化仓库技术的研究对优化资源配置、提高企业生产率，降低生产成本有 着非常重要的意义。堆垛机性能的优劣，对整个立体仓库的运行起着重要的作用。自 动化立体物流仓库是先进的物流仓储设备，但就我国现有发展水平来看，在自动化立 体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的控制和管理，能更加适 应某些中小企业要求投资少见效快的目标。堆垛机是自动化立体仓库中最主要的作业机械设备，是输送系统的核心设备，决 定着整个出入库是否能流畅运行的关键，是代表立体仓库特征的标志。自动化立体仓 库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统。1.2堆垛机研究情况及评述20世纪60年代在美国首先产生了机械式立体仓库，在该仓库系统中，操作人员可通过一些电器按钮和开关来控制一些机械设备进行入/出库作业，实现了搬运的机械化；至U 20世纪70年代末，随着可编程控制器PLC自动存取 AS/RS(AutomaticStorage and Retrieval System)、自动导引小车 AGVS(Automatic GuidedVehicles)、条形码阅读器(Bar-Code Scanner)等设备在立体仓库中的应用，出现了 自动化立体仓库系统(Automated High-rise Warehouse System )，实现了控制自动 化；到本世纪80年代末，计算机技术的异军突起及其在自动化仓库系统中的成功应用， 导致了第三代集成化立体仓库系统的诞生，实现管理微机化；进入90年代，出现了智能型立体仓库系统(IntelligentHigh-rise Warehouse System ),该仓库系统不仅实现了对入/出库作业和仓库信息的全自动处理，而且还可根据生产计划、报表分析制 定出所需材料与劳动力，并依据物资的现有库存量提出外购建议；目前随着电子数据 交换EDI技术的发展及应用，自动化立体仓库系统逐步向31(I ntellige nt.In tegrated, In formati on)仓库系统过渡。图1-1立体仓库模型图在我国，立体仓库的发展是从70年代初期开始的。1980年由北京机械工业自动化 研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。从此 以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据不完全统计，目前我国已建成的立体仓 库近300个，其中全自动化的立体仓库有 30多个。如在我国最早研制、开发、生产自 动化立体仓库的专业生产厂家之一的太原双塔刚玉股份有限公司，就相继推出了填补 行业空白的高水平240米/分高速堆垛机、防爆立体仓库、低温冷冻库、轮胎库等一系 列高、精、尖产品。该公司于 2005年成功开发“ GDX型有轨巷道堆垛机起重机”，运 行速度达240米/分，成为目前国内速度最快的堆垛机。该公司研制的轻钢结构“库架 合一”式自动化立体仓库及高性能堆垛机，因采用了激光测距定位系统及现场总线控 制技术，具有速度高、运行平稳、定位准确等特点。2000年北京起重运输机械研究所 完成了我国迄今国产规模最大、技术水平最高的大型全自动化立体库仑库一联想电脑 公司集成化物流系统的研究，其中也采用了激光测距定位技术。近年来，由有轨巷道式堆垛机组成的自动化立体仓库的应用越来越普及，对堆 垛机的安全性和运行效率也提出了越来越高的要求。堆垛机定位系统中的认址技术作 为控制技术中的关键技术，也自然成为业内人士关注的焦点。堆垛机认址可分为绝对 认址和相对认址两种形式，绝对认址因其认址准确可靠的优点而成为目前堆垛机普遍 采用的认址方法。绝对认址的实现方式主要有三种： 编码器认址、激光测距认址和BPS(条形码定位)认址。相对应的定位系统即：编码器定位系统、激光测距定位系统和 条形码定位系统。图1-2单立柱巷道堆垛机三维模型图目前编码器认址的最大问题是走行轮在地轨上打滑而导致编码器出现计数错误， 严重影响测量精度，从而降低堆垛机的可靠性。如果采用认址片加以校验，会改善这 方面的情况，但堆垛机的运行速度不能太高，一般在120m/min以下，从而制约了堆垛机的运行效率。激光测距定位控制系统提高了堆垛机定位的可靠性，同时提高了堆垛 机的运行效率，是目前应用最广泛的技术，但其对安装和使用的要求较高，并且由于 光线直线传播的固有特性，它只能在直线轨道中应用。直到德国乐易电子于2005年推出了一项具有创新性的新技术一 BPS( Barcode PositioningSystem)条形码定位系统。这种新型条形码定位系统（BPS通过读取行进路线上的条形码确定准确方位。可 有效实现直线定位和曲线定位，并且测距范围可达到10000米，为用户实现全自动化管理提供了必要前提。BPS定位系统在自动化立体仓库中的应用表明，该系统使用简单, 反应速度快，重复定位精度高，抗震性强，是一种较好的曲线定位解决方案。根据市场预测，传统技术制造的 20世纪70年代水平的堆垛机逐步将被淘汰，而 高速度、高科技含量的新型堆垛机将迅速占据市场，所以我国堆垛机综合性能急待改 善。根据物流设备发展趋势，针对近几年用户的反映，结合国内外技术现状及发展情 况等有关情报资料分析，找出我们存在的主要差距主要体现在运行速度、提升速度、 货叉速度、平稳性及认址精度。如图1-3所示，堆垛机基本结构主要由机架、行走机构、升降机构、载货台、货 叉（机械手）等装置组成。此次毕业设计选择的课题为单立柱巷道堆垛机提升装置与 载货台设计，主要研究堆垛机的结构和工作原理，参考相关资料，研究单立柱巷道堆 垛机提提升装置与载货台的设计方法，确定总体设计方案，以及完成对提升装置的电 机、减速器的选型计算。并最终对各零部件的结构尺寸进行计算、校核和确定。天轨图1-3单立柱巷道堆垛机结构图在现有资料的基础上进行结构尺寸分析、设计、布置，如有比要进行调研，参考 相近似的同类机型。1.3课题关键问题及解决方法，必须满足以下设计要为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出入库求：(1) 具备三维运动功能，即堆垛机沿巷道来回水平运动、载货台垂直运动、货叉沿 货架方向伸缩运动；(2) 满足一定的定位精度，重复定位精度误差不能超过 10mm(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。研究单立柱巷道堆垛机提提升装置与载货台的设计方法，参考相关资料，确定总 体设计方案。完成提升装置的电机、减速器的选型计算，对立柱等主要零部件的设计、 计算、校核，确定结构尺寸。绘制总装配图、提升装置部件图 /载货台部件图、零件图 等。堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动 操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架、水平行走机构、提升机构、载货台、 货叉及电气控制系统构成。具体确定堆垛机的形式、确定堆垛机的速度、及其他参数 配置。搜集大量有关堆垛机的资料，确定主要参数，在满足强度要求的情况下进行相 关尺寸的计算，确定堆垛机的所有尺寸。以品种多、数量少、频率高供给方式下的物流环境为背景，对于自动化立体仓库 的效能提出了越来越高的要求。早期的堆垛机，在桥式起重机的起重小车上悬挂一个 门柱，利用货叉在立柱上的上下运动及立柱的旋转运动来搬运货物，通常称之为桥式 堆垛机。但通常由于立柱高度的限制，桥式堆垛机的作业高度不能太高，而巷道堆垛 机沿货架仓库巷道内的轨道运行，使得作业高度提高。采用货叉伸缩结构，可以使巷 道宽度变窄，提高自动化立体仓库的利用率，它适用于各种高度的高层货架仓库，可 以实现半自动、全自动和远距离高集中控制。日本大福公司于1999年在巷道堆垛机主体的高速化上下功夫， 开发了 AS21模式。 AS21模式是以高效率动作为基础，在高效能化(缩短循环时间)方面引用的一个概念， 使巷道堆垛机的高效能化技术得到了大幅度的提升。该设计可以基本实现自动化立体物流仓库正常运作的需要，同时也有一定的安全 保护措施，作为大四应届生，在周老师的指导下，我们小组通力合作，共同完成了单立柱巷道堆垛机方案设计，尺寸确定以及各零部件校核工作。在整个设计过程中我们 谨慎严谨，尽可能的考虑到各个影响因素，过程中有可能存在不足，考虑不周，但我 们也学到了很多，一定会再接再厉。1.4单立柱巷道堆垛机的设计参数初始参数：额定起重量：700kg最大行走速度：80m/mi n起升速度：22/5.5 m/min货叉伸缩速度：20.5/5.6 m/min总高度：8.7m货架间距1.5m行走速度：5240/min 。2单立柱巷道堆垛机提升装置设计2.1单立柱巷道堆垛机的特点由于使用场合的限制，本单立柱巷道式堆垛机在结构和性能方面具有以下几个特占：八、(1) 由于机架采用单立柱结构，整机重量小，结构紧凑，作业时，驾驶员的视野 较好，但由于载货台和货物对单立柱的几何力矩作用可能会造成立柱的扭曲和变形， 使整机刚性较差。(2) 本堆垛机沿着巷道天地轨运行，其作业具有三个方向动作。水平行走为 x-x方 向，能把货物送到任意一列；垂直升降为 y-y方向，能把货物提升到任意一层；货叉 伸缩为z-z方向，能存取货物；(3) 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。(4) 采用专门的叉取货物的装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。(5) 各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确的要求。(6) 为保证人生和设备的安全，堆垛机必须配备有硬件及软件的安全保护装置， 控制系统应具有一系列连锁保护措施。此外，在电气柜上设置报警系统，当堆垛机出 现故障或探测器发现异常情况发出报警。2.2提升装置部分设计为了使堆垛机上货物的存取机构做升降运动，需要设计一个升降机构，用以 满足该功能的要求。起升机构主要包括：电动机、减速器、制动器、卷筒、柔性件、 导轨组成。起升机构的运转是通过减速装置使卷筒转动，使柔性件卷入卷筒，柔性件 机通过架立柱顶部的定滑轮与载货台相连，因此柔性件牵引载货台上升，当达到指定 货格位置时，制动器动作，使载货台平稳准确的停住。起升机构，也就是传动机构，常见的传动形式有螺旋传动、带传动、链传动、齿 轮传动、蜗轮蜗杆传动等，根据单立柱式堆垛机的结构特点，在只有一根立柱的情况下， 使用齿轮传动会增加机架重量，提高加工难度，难以保持起升机构的稳定性，所以不 适于齿轮传动；而蜗轮蜗杆传动比太大，只适合用于减速器，不适合在这里使用，所 以其起升机构多采用钢丝绳传动或者链传动。一般牵引设备做机械往复运动过程中， 经常使用链条用来传递动力。链条传动可承受足够大的冲击力而不至于断裂，但钢丝 绳重量会比链条轻一半。而链条在运行冲击下会伸长变形甚至脱齿，影响升降运行的准确性，使用频繁时更易断裂，降低了设备的安全性和可靠性；此外钢丝绳受损时钢 丝绳逐根断裂而不会突然失控，留出安全控制余地。而链条在运行过程中常因拉力超 差、节距改变等原因导致链条失效，无法挽回，并且链条在提升过程中会发出较大的 声响，尤其是长度较长，高度较高时噪声巨大，本巷道堆垛机高度在8M以上，所以综合考虑下来更适合钢丝绳传动。出于与行走机构相同的精度要求，这里也会采用伺服 电机，其由电机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升钢轨作升降运动。 2.2.1柔性件的选取在堆垛机的起升机构里需要靠柔性件来来起吊货物。目前，起重机常用的柔性件主 要有钢丝绳和链条。钢丝绳与链条相比，其优点在于：强度高、承载能力大，弹性好， 能承受较大的冲击；自重较轻；工作可靠，在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散。 因此容易发现和更换，安全可靠，及少骤然折断；成本较低；高速运转时工作平稳、 无噪音等。综上所述，通过分析比较，设计中确定选用钢丝绳作为起升机构的柔性件。 222卷筒的选取为了卷绕和容纳钢丝绳，通过对钢丝绳的收放，需要设置卷筒装置来实现该功能。 在起重机械中，主要采用圆柱形的钢丝绳卷筒。按钢丝绳在卷筒卷绕层数的不同可有 以下两种备选方案。方案一：单层卷绕卷筒方案二：多层卷绕卷筒方案对比：单层卷绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽，钢丝绳依次排列其内，绳槽 节距比钢丝绳直径稍大，绳槽半径比钢丝绳半径梢大，这样增了钢丝绳与卷筒的接触 面积，防止卷绕过程中相邻钢丝绳间的相互摩擦。从而可以延长钢丝绳的使用寿命。 但当起升重物量增加，需要较长的钢丝绳时，卷筒的长度和直径都将有所增加。多层 卷绕卷筒虽可以减少卷筒的长度，但由于钢丝绳所受的挤压力大，相互摩擦力大，使 钢丝绳的寿命降低。此外，如果卷筒卷速不变，由于钢丝绳每层卷绕半径不等，钢丝 绳的卷绕速度或作用卷筒上的外力矩就随卷绕层数变化，运转起来不平稳。综上所述，结合堆垛机具体使用场合和性能要求，本设计中选择单层卷绕圆柱形 卷绕卷筒。2.2.3电动机的选取一般工厂里都有交流电网提供三相交流电，其成本低，启动、制动、调速方便， 机械活动范围广，故选取电动机作为起升机构的原动机。按电动机转子绕组结构不同可有以下两种备选方案。2方案一：绕线式异步电机方案二：鼠笼式异步电机方案对比：绕线式异步电机的转子电阻可以调节，因此起动电流不是很大，通常 不会超过额定电流的22.5倍，而且也便于调速。鼠笼式异步电机的构造简单，操纵 方便，价格也较便宜，但起动电流较大，达到额定电流的 46倍，调速性能差，不能 承受较频繁的起动，通常只用在起动不频繁、功率较小的工作机构中。根据具体工作 环境，堆垛机的启动负载大，启动、制动、换向频繁，要求有较高的工作稳定性。综合以上两种方案的对比，本设计中选用允许有较大振动和冲击，转动惯量小， 过载能力大的YZR系列绕线型起重用三相异步电动机。2.2.4 减速器的选取在电动机和卷筒之间需要设计一个传动装置用以传递运动和作用，并藉以改变运 动的形式、速度大小和转矩的大小。本设计中采用减速器作为起升机构的传动装置。（1）传动方式的选择起重机械中常有以下四种备选方案。方案一：二级圆柱齿轮减速器方案二：蜗轮减速器方案三：行星齿轮减速器方案对比：二级圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，现已标准化，因而使用范 围普遍；蜗轮减速器虽然结构尺寸小，传动比较大，重量轻，但效率低，寿命较短， 在长期连续使用时就显得不经济，一般只用于小型起重机； 行星齿轮减速器的结构紧凑，传动比也较大，但价格比较昂贵。综上所述，从产品的成本、性能和具体使用场合考虑，本设计中选取二级圆柱齿 轮减速器。输出（入）轴的配置根据机械设计手册输出（入）轴有以下四种备选方案。方案一：展开式。特点：结构简单，但齿轮相对与轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度， 高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形和轴在弯 矩作用下产生的弯曲变形可部分的相互抵消，以减缓沿齿宽分布不均匀的现象。用于 载荷比较平稳的场合，高速级一般做成斜齿，低速级一般做成直齿。结构简单，应用 广泛。方案：刀流式特点：结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分 布均匀，轴承受载较均匀。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直 齿或人字齿。方案三：同轴式特点：减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重 量都较大，且中间轴较长，刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于 充分利用。方案四：同轴分流式特点：每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间 轴只承受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小综上所述，对比四种方案的特点，从堆垛机本身的工作场合考虑，本设计最终确 定选用展开式二级圆柱齿轮减速器。(3) 输入、输出端的形式输入端采用带专用联轴器的输入轴，输出轴为空心轴，用联轴器与卷筒相连。(4) 润滑方式的选择因为浸油润滑具有结构简单，润滑可靠，成本较低的优点，因此本设计中采用浸 油润滑的润滑方式。225制动器的选取堆垛机在工作过程中，为了使存取的重物的升降运动能够停止或者支持重物并使 其保持在空中，需要在起升机构中设置一个制动器来保证堆垛机工作的安全性和可靠 性以及实际工作特点的要求。一般规定，提升装置的制动器的制动转矩应为相当于额 定载重量的货物被吊起时的最大转矩值的 1.5倍以上。同通常情况，制动器按其构造形式可有以下三种备选方案。方案一：带式制动器方案二：块式制动器方案三：盘式制动器方案对比：带式制动器结构简单、紧凑，制动力矩较大，但是制动时轴上产生较 大的弯曲载荷，制动带磨损不均匀；块式制动器工作可靠，两个对称的瓦块磨损均匀， 制动力矩大小与旋转方向无关，制动轮轴不受弯曲作用。但缺点是制动力矩较小，与 带式制动器相比其结构尺寸较大；盘式制动器制动平稳，制动轮轴不受弯曲作用，可 用较小的轴向压力产生较大的制动力矩，使堆垛机的机构布置很紧凑，目前应用也比 较广泛。综上所述，也同时为了满足升降机构必须要有足够的制动转矩的要求，本设计中 选用常闭盘式制动器。2.3提升装置部分的计算2.3.1钢丝绳的计算起升机构中钢丝绳的直径按最大静载荷来确定。钢丝绳中最大静拉力可根据式（2.1 ）来确定：Fq,、S max（ N）式（2.1 ）a%式中，Fq 最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量）；a 滑轮组倍率，根据公式算得 a为2；B滑轮组总效率；代入相关数据到式（2.1 ）中估算得钢丝绳中最大静拉力 Smax=7653N可根据式（2.2 ）确定钢丝绳的直径：dmin =CSmax （ mr）l式（2.2）式中，dmin 钢丝绳最小直径；C与工作级别有关的选择系数，本设计中选取0.093代入相关数据到式（2.2 ）中算得dmin =8.14mm贝U根据钢丝绳的最小直径在其产品性能中选取型号为：6W（ 19） 9.2 155光一右交 GB1102-74 的钢丝绳。其公称直径为9.2mm公称抗拉强度为1550MPa2.3.2卷筒的相关尺寸计算卷筒的类型按JB/T9006.2-1999选择A型卷筒，根据机械设计7表8.1-47进行 卷筒的几何尺寸计算：最大起升高度Hmax =8.3m卷筒的直径可根据式（2.3）进行计算:Di min _ hd式（2.3）式中，D1 min 卷筒的最小卷绕直径；h与工作级别有关的选择系数，本设计中选取14；d钢丝绳的直径；代入相关数据到式（2.2 ）中算得：D1 min £28.8mm 设计中取D 1 min =130mm 卷筒的壁厚可根据经验公式（2.4 ）进行计算：:.二 0.02D 8式（2.4）=0.02130+8:11mm卷筒的转速可根据式（2.5）进行计算：60 1000vn =nD式中v 起升速度；D 卷筒卷绕直径，D= D1 min +d；带入相关数据到式（2.5 ）中算得：卷筒的转速n=45r/min.式（2.5）绳槽槽距 P = 1.2d = 19.2mm卷筒槽底直径 D = 180.8mm卷筒计算直径（由钢丝绳中心算起的卷筒直径）D°=200mm固定钢丝绳的安全圈数Z 1 =1.5卷筒上有螺旋部分长L0:L0 二H max无绳槽卷筒端部尺寸57mm,固定钢丝绳所需L2 ”3P=57.6mm中间光滑部分长度 m = 43mm54001.519.2 = 63.9mm-200卷筒长度 L 2 L0L1 L2 m = 400 mm由0.12 二 R n 260 1000得，n20.156010002 二 100=14 .33 r / min链轮的传动比i二n121二 1 .46n?14 .33初取传动比i = 1.51. 选择链轮齿数Z1、Z2根据传动比i=1.5，查机械设计表6-6取小链轮齿数Z,=17则大链轮齿数Z2=272. 确定链条链节数Lp. 、2匚 勺 =42.252 -初定中心距取a=10p,则节距2a 0 Z 1 Z 2PLp -p2ao取 Lp = 443. 计算单排链所能传递的功率Po及链节距P由机械设计表6-3查得工作情况系数K a = 1Pea = KaP =3.7 kw由机械设计表6-5查得小链轮齿数系数Kz=0.887,链长系数KL二0.7选择双排链，由机械设计7表6-4查得多排链系数Kp=1.7计算额定功率1.75 PcK z K1 K p1.753.70.8871.7 0.7= 6.13 kw根据额定功率P0和转速m查机械设计图6.13选择滚子链型号为24A，链节 距 P=38.1mm链号标记为 24A2844GB1243-19974.确定链实际长度L及中心距aL=LpXP/1000=44 88.1/1000=1.68 m5.7lplp-8*=381mm计算链速=片 Z160 1000211938._0.25m/s60 10002.3.3电动机的计算要将载货台、货物、附件及搭乘人员以20m/min的速度提升时，所选取的电动机的功率可根据式（2.6 ）进行计算：式（2.6）FqV60 1000式中 Fq 最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量）；V起升速度，设计中选取20m/mi n；机构总效率，设计中取0.9 ；代入相关数据到式（2.6 ）中算得：P=5.6KW愆=FV =mgv = 0.2 2000 9.8 0.15 = 0.588kw由机械设计手册知电动机输出功率：P0 = Pw / w式中Pw工作机所需功率jw减速机与工作机之间的总效率链传动总效率： J化他 式中! 链传动效率，查得=0.962 滚动轴承效率，查得=0.99,两对，代入数据得：w =0.96 0.992 = 0.94则电动机的输出功率为：P3=Pw/ w=0.594kw再根据机构的工作级别、作业特点以及电动机的工作特性，所选择的电动机的额 定功率应满足式（2.7）：UP （KW式（2.7）式中 PJ 电动机的额定功率；Kj 稳态负载平均系数，查表选取该值为0.80 ；代入相关数据算得：电动机的额定功率PJ =4.48KWP =Mgv = 2000 9.8 0.15w =2.94kw由机械设计手册知电动机输出功率：Fq = Pw / w式中 Pw工作机所需功率Jw减速机与工作机之间的总效率链传动总效率：式（2.8）式中 i 链传动效率，查得=0.962 滚动轴承效率，查得=0.99,两对,代入数据得：w =0.96 0.992 = 0.94则电动机的输出功率为：P0 = Pw / w=3.12kw由此，选择型号为YZR28010,额定功率为27KV，转速为582r/min ，效率为92% 且27x92%=24.84>4.48KW可选。安装代号选取1M1003国际基准机座号为280S。2.3.4减速器的计算升降机构中的减速器可根据机构的传动比从标准中选用升降机构的传动比由下式确定：nmin式中nm 电动机额定转速；n 卷筒的转速代入相关数据到式（2.9 ）中算得：心竺=12.9345可选取减速器的标准型号为 ZLY180 （低速级中心距为180）3单立柱巷道堆垛机载货台设计3.1载货台货叉方案设计伸缩货叉是堆垛机存取货物的执行机构，本设计中采用了3层伸缩式直线差动机构。主要由固定叉、中间叉、上叉、链条、链轮等组成。固定叉5侧面装轴承固定在载货台的台架上，其上安装有固定链轮和原驱动4,在 电机的驱动下，带动电机上的驱动链轮4使得中间叉在链条传动下向前伸出，在中间货叉2两端设置有2个可转动的链轮。与左端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的 右端，与右端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的左端。当中间货叉2水平运动时，通过链轮链条传动，上叉1就以中间货叉2倍的速度与行程沿滚轮中心运动方向平移。 这样，当链条驱动水平行走1/6固定货叉长度的行程时，中间货叉2相对于固定货叉1 水平移动1/3固定货叉长度行程；而上叉1相对中间货叉2水平移动了 2/3固定货叉 长度行程；相对固定货叉5水平移动了 1个固定货叉长度行程。载货台的设计如图3-2所示，有三种，第一种如上图，采用直线差动式齿轮齿条 结构，该结构共有7个主要部件构成，各个齿轮在横向移动时，竖直方向是固定不动 的，其中，齿轮5/6做成一体，作为联动齿轮，7与4为外啮合齿轮组，齿轮齿条中6 与2、5与3、4与3、1与7分别啮合，当齿轮6由液压缸8带动向左移动，齿条3在 齿轮5的带动下向右移动，齿条1在齿轮7的带动下向右移动实现载货台货叉运行动 作。但是这种设计方案复杂，不易实现。1 上齿条2 固定齿条 3 下齿条4、7齿轮5、6联动齿轮 8 液压油缸图3-2载货台货叉设计草图第二种则相对简单的多，如图3-3，直接由液压缸驱动齿轮在两根齿条之间滚动,下齿条固定，上齿条则可以完成货叉的动作，包括向前或者向后。图3-3载货台货叉设计草图第三种则是采用绳索拉伸出齿轮齿条运动，三层货叉设计。齿轮驱动齿条运动， 固定叉与前叉通过绳索绕在中间叉上当齿条所在中间叉运动时，导轮带动绳索拉紧后 驱动前叉沿固定轨道向前运动，反之亦然，且可向前向后双向伸缩。图3-4载货台货叉设计草图3.2堆垛机货叉设计计算321伸缩货叉的挠度与强度所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分，应以厚度尽量薄，同时货叉前端的扰度 控制在最小，作为设计的目标。货叉各参数如下：W:载荷I , ,1,2 I 3：分别为固定叉 中间叉 上叉的重力方向的惯性矩E:材料的弹性模量伸缩货叉各尺寸表示如图3-5所示：图3-5 伸缩货叉的结构尺寸3.2.2下叉的受力分析计算如图3-6所示进行受力分析时，在AC段内取距A端为x的任意截面为研究对象，则该截面上产 生的反力P,=W l2/ba乞x < l 0时的弯矩方程为：用积分法求得起其转角为:挠度为: - = 71 0x- 0M= RbxI0-P i (x-a)xJMdx=0 EI1Pl2EI式（3.1）x xdx=Elibx/、3i+(x-a)l 0式(3.2)当x= 0时,A端的截面转角式(3.3)込(l0+b)6EI1I0当x=l 0时，将式（3.3 ）代入式（3.2 ）和式（3.1 ）中，分别算得在c点处的转角 和挠度。Piab(a I。)6EM0P2b(a I。)6EIJ03.2.3中叉的受力分析计算如图3-7所示：因载荷W的作用，在b间产生反力P1,P 2，J1：1、 1FabJx1L I 1-I 2图3-7中叉受力分析图进行受力分析时，在BF段内取距左端为x的任意截面为研究对象当a岂x乞I。时，可算得其转矩方程为：WI2 M= Rx= - x b用积分法算出其转角为：2 十土 =-叱+丁 dx 2EI 2b式(3.4)挠度为:3WI2X + .6E4boX+y式(3.5)当x=b时，B端的截面转角Wl2b0 6EI2式(3.6)当x=b时，将式（3.6 ）代入式（3.4 ）和式（3.5 ）中，分别算得此段的转角和挠 度2 =-Wl2b3e77Wl2b3El7如图3-8所示：将b段作为刚性,c点作为固定端（即视为悬臂梁）考虑,并设由于 W在中叉产生的反力为P3和P4,而由这些反力作用在货叉前端产生的扰度为分别为 '3 和 '4,x11-5111 11_ c 一''" - ; _ _ 一一 d 一I一 e 二1111-l .l 2.图3-8中叉受力分析图 转矩方程为：M= - P 3 （x-d）+ P 4 x以固定端E视为坐标原点，算得：P3=-Wd以固定端D视为坐标原点，算得：P4 = dWd用积分法算出其挠度为:当x=l 1时，代入式（3.7 ）算得:W6EJd(e+d) li3-e(l i-d) 2x M Wdx=-0 EI2-e(x-d)2 (e d)x22EI 2d式（3.8）当x=l J时，代入式（3.8 ）算得:W2EI2d-e(li-d) 2+(e+d)l 2所以 4 = 71 4 （l 3 -l 1）3.2.4上叉的设计分析计算载荷W在 d区间产生的反力有P3, P4，在E点的倾斜角为5，挠度为分析如图3-9所示:转矩方程为:M罟x图3-9上叉受力分析图用积分法算出其转角为:dxeWx22E4d式(3.9)挠度为:eWx36EI3d0 x+ 式(3.10)当x=d时，D端的截面转角式(3.11)eWd0 6EH当x=d时，将式（3.11 ）代入式（3.9 ）和式（3.10 ）中，分别算得此段的转角和挠度:eWd3EHeWd (l3ElI(3-11)因此，设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总扰度为总= 1 + 2 + 3+ 4 + - 5 注：当托盘货架进深为110厘米时，'值应控制在1015毫米。 3.3货叉各参数的选择a=50cm b=34cm c=18cm d=38cm e=13cml 0 =84cm l 1 =56cm l 2 =69cm l 3=118cm 见图3-5伸缩货叉的结构尺寸故可取固定叉、中间叉、上叉长为：L1= l 0+2 8=100cm L2=b+c+d+2 5=100cm L 3 = l 3-c=100cm 上叉为板状，并取其宽为40cm厚度取8cm,其余数据见装配图上标注。 因各数据取值都较大，故能满足条件。4堆垛机的控制装置及保护措施自动运行的堆垛机控制系统必须具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、货 叉控制、安全保护功能、自我诊断故障的功能等多种控制功能。4.1堆垛机控制装置(1) 位置功能位置控制就是确定堆垛机停止在作业位置的功能。自动化立体仓库一般都采用高层货架结构，以X、Y、Z坐标表示货架的行、列、段的方向，用三维坐标表示货物的位置。为了自动确定位置，也就是为了在某一位置 发出减速指令使堆垛机减速，在规定位置发出停机信号，就必须检测现在的位置。本 设计中位置的检测可由在个坐标轴上按一定的间隔装设的传感器来进行检测。(2) 速度控制速度控制包括对提高作业效率有关的高速度，防止货物倒塌以及不致于使堆垛机 发生冲击的加速度和减速度，以及为便于高精度定位的最终稳定微速度等的速度控制。(3) 货叉控制根据堆垛机出库和入库作业，伸缩货叉向左侧或右侧进行叉取操作的顺序控制功 能。4.2堆垛机安全保护装置堆垛机的立柱高度达10米,载货台的升降速度也达到20m/min,而载货台是沿堆垛 机立柱的导轨上下运行的承载结构，上有货叉机构、驾驶室等。为了保证堆垛机正常工 作,确保操作人员的人身和货物的安全，其上必须配备完善的安全保护装置。本设计中 设置以下几种保护装置：1) 机货叉上、下限自动停止保护在堆垛机货叉在进行升降运动时，不能超过导轨的上端和下端极限。因此可以在上 下端各设置一个限位开关来实现该功能。2）载货台负荷限制在载货台超载时，发出报警信号并切断起升机构动力.当载货台被托住，钢丝绳松 弛时,也会发出停止运动的报警信号并切断动力。因此可设置热继电器来作为检测装置再安装一个蜂鸣器作为警报提示。3）驾驶室的安全保护为确保驾驶室里操作人员的人身安全，驾驶室门安全与否非常重要。可设置一个限 位开关来检测为使堆垛机能够在轨道上平稳运行，因此必须依靠车轮来实现这一运动。4）速度转换装置当堆垛机走到轨道的某一位置时应以高、中、低速的某一速度行进时，就需要通过速度装换装置来实现这一功能.本设计中可以设置一个接近开关.5）货叉保护装置其功能,若发现不安全则堆垛机就会完全停止工作.6）货叉保护装置堆垛机在进行工作过程中，为了确保当货叉伸缩到一定位置时就回自动停止 ，可设 置一个机械制动器来实现该功能.7）载货台断绳保护装置当钢丝发生绳断裂时，能够自动可靠的将载货台停止，避免溜车或坠车事故的发生.因 此对这种安全保护装置的设计要求是灵敏度高、作用可靠、冲击小、结构简单.本设计中采取连杆凸轮机构来实现这一功能要求。一旦钢丝绳断裂，弹簧通过连杆机构使凸轮 卡在升降机构的导轨里阻止载货台坠落.正常工作时,提杆平衡载货台及其上货物的 质量,弹簧处于压缩状态，凸轮与升降机构的导轨分离。该装置原理如图4-1所示。图4-1断绳保护装置5结论根据设计要求，完成了此次“单立柱巷道堆垛机提升装置与载货台的设计”的工 作。本说明书首先从堆垛机的发展历史开始论述堆垛机的结构特点，结合选题背景， 分析目前堆垛机主要功用，存在的有优缺点以及此课题设计的意义。在货叉伸缩机构的结构设计中，首先分析货叉的受力图，并推导出弯矩挠度公式, 设计出货叉的外部结构尺寸，接着又设计校核了货叉内部零件的尺寸，最终设计出了 满足条件、灵活、适用、简捷、方便的货叉结构。提升装置设计过程中，进行方案论证，优中选优。其中包括电动机、减速器、制 动器、卷筒、柔性件等零部件的选择、计算、校核，满足原始设计参数要求的，达到 堆垛机能正常运行的目的。该单立柱巷道堆垛机具有灵敏度高，体积小，动作可靠的优点，而且有具有安全 保护装置。谢辞四年的风风雨雨转瞬即逝，不知不觉中，我们即将离开母校，踏上工作岗位。大 学生活是我人生中很重要的四年，我不仅能够接触到传道授业解惑的良师，还结识了 很多优秀的同学、朋友。这里我留下了自己的足迹，见证了我成长的点滴。在毕业设 计完成之际，我衷心的感谢曾经给我帮助、支持、鼓励的所有老师和同学。本次毕业设计在周海涛老师的悉心指导下完成的，从最初对本次毕业设计的不了 解到能够整体把握再到比较顺利的完成毕业设计，这一步步走来，都包含了周老师的 耐心指导。在做毕业设计的这段日子里，老师严谨治学的态度，博学的知识体系，精 益求精的工作作风以及诲人不倦的高尚师德给我留下了深刻的印象，并使我受益匪浅在此，我向周老师致以最衷心的感谢。其次要感谢我们小组其他两个成员各司其职，各负其责。我们团结合作，相互讨 论也解决了一些问题，最终完成了此次单立柱巷道堆垛机的总体设计。从你们身上我 看到了认真二字，也促使我更加用心完成此次毕业设计。最后还要感谢我的父母，二十多年的养育之恩，支持我完成学业，今后我一定会 好好报答你们。最后感谢百忙之中为我们评审和答辩的老师，祝老师们身体健康，工作顺利。参考文献1. 成大先.机械设计手册北京：化学工业出版社，20082. 机械工程手册委员会机械工程手册北京：机械工业出版社，19973. 卢耀祖.机械结构设计（第2版）.上海：同济大学出版社；20094. 黄大巍.现代起重运输机械.北京：化学工业出版社，20065. 运输机械设计选用手册编辑委员会 运输机械设计选用与标准实用手册上册北京：化学工业出版社，19996. 王国华.现代物流技术与装备北京：中国铁道出版社，2004.7. 张质文.起重机设计手册.北京：中国铁道出版社1998.8. 刘远伟，何民爱.物流机械.吉林：机械工业出版社，2006.9. 黄大巍、李风、毛文杰.现代起重运输机械.北京：化学工业出版社，2006.10. 郭环、禹永伟.自动化立体仓库中堆垛机的设计.物流技术，2002： 77-78.11. 周全申.现代物流技术与装备实务.北京：中国物资出版社，2002.12. 刘鸿文.材料力学.上海：高等教育出版社，2004.13. 赵波.自动化立体仓库堆垛机运行系统的研究.吉林：吉林大学出版社，2007.14. 孙桓、陈作模.机械原理.上海：高等教育出版社，2001.15. 刘昌祺.物流配送中心设施及设备设计.郑州：郑州大学出版社，2005.16. 杨晓芬，肖华.自动化立体车库存取策略的比较分析.机电一体化,2004.17. 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