摘 要經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，堆垛機就變成了當今物流系統(tǒng)中的高層貨架倉庫的主要裝卸設(shè)備，它可以使用全自動化控制系統(tǒng)，作業(yè)環(huán)境即便很惡劣也不受影響。堆垛機是一種工作效率高，保證準確性，半自動化甚至全自動化的倉庫存取貨物電氣設(shè)備。由于它的結(jié)構(gòu)特點，它可以在三維空間內(nèi)運動，能夠到達更廣的范圍，充分利用倉庫空間。在生產(chǎn)成本難降低、生產(chǎn)效率難提高的窘迫形勢下，公司管理層發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)物流對盈利的重要性。生產(chǎn)物流是從原材料開始，經(jīng)過一道道加工工序，然后形成半成品或成品，存庫或運送到客戶的手中的過程。當然，這個過程中貨物需要儲存。作為物流重要“核心零件”，自動化立體倉庫不僅僅準確存取貨物，存取方便，加快在生產(chǎn)和倉庫間的貨物周轉(zhuǎn)，而且能極大地提高儲藏容量，科學管理，足夠滿足現(xiàn)代公司商品流通的要求。存取貨物過程自然少不了運輸車，而堆垛機作為其中最常見的運輸車，能快速儲藏貨物，并存檔，以便準確取出。當下，國內(nèi)自動化立體倉庫技術(shù)盡管和發(fā)達國家相比還有一定差距，但正追趕國際頂級水平，也許不日齊平甚至超越。本設(shè)計論文主要詳細地講訴了單立柱型有軌巷道堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中主要論訴了機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，起升機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)及行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算。在設(shè)計時，從經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)方面考慮，在比較單雙立柱堆垛機結(jié)構(gòu)方案后選取單立柱方案。根據(jù)要求選用單立柱機架，并設(shè)計出了具體結(jié)構(gòu)形狀，給出相應(yīng)的參數(shù)及制造材料。根據(jù)三種機構(gòu)受力大小不同，各需要的工作功率不同，選用的電動機型號不一樣。根據(jù)減速比和轉(zhuǎn)矩不同，起升機構(gòu)和行走機構(gòu)對減速器的選用各異。同樣，制動器、鏈輪及鏈條、V 帶及帶輪等都是根據(jù)相應(yīng)設(shè)計要求有不同選擇。不管怎樣，在初步選用類型后，都進行了必要的相應(yīng)校核，以保證設(shè)計合理性和可行性。本次畢業(yè)設(shè)計所用軟件主要有二維軟件 CAD 和 CAXA。關(guān)鍵詞：物流；自動化立體倉庫；單立柱堆垛機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；計算校核。AbstractAfter a few decades of development, the stacker becomes todays logistics system in the main high-bay warehouse handling equipment, it can use a fully automated control system, even very harsh operating environment will not be affected.Stacker is a high efficiency and ensure accuracy, semi-automated or fully automated warehouse access to the goods electrical equipment.Because of its structural features, it can be in the three-dimensional movement, to reach a wider range of full use of warehouse space.Decrease in production costs is difficult, difficult to improve the productivity of the distress situation, the management company found that the importance of production logistics to earnings.Production logistics from raw material, through a channel processing, then the formation of semi-finished or finished goods, warehousing or transport to the customers hands in the process.Of course, this process needs to store the goods.As a logistics important core parts automated warehouse is not only accurate access to goods, to facilitate access, speed up production and warehouse between the goods turnover, but also can greatly increase the storage capacity, scientific management, modern enough to meet the companys commodity circulation Claim.Access to goods process natural and ultimately trucks, stackers and as one of the most common vehicles, goods can quickly store and archive for accurate removal.The moment, despite the domestic warehouse automation technology still lags far behind developed countries, but it is to catch up with the top international level, perhaps even beyond the few days flush.The design paper detail, a single column v type rail retrieval machine structure design, mainly on the complaint of the structural design of the rack, from the structural design and calculation of lifting mechanism, the telescopic fork agencies and travel agencies.At design time, from economic and structural considerations, in comparison odd and even column stacker select single column structure of the program plan.Selected according to requirements single-post racks, and design a specific structural shapes, gives the corresponding parameters and manufacturing materials.Depending on the size of the force three kinds of institutions, each require different operating power, the choice is not the same type of motor.Depending on the reduction ratio and rotational speed, from the selection of different lifting mechanism and running gear of the gear unit.Similarly, brakes, sprockets and chains, V belt and pulleys are all designed according to the respective requirements of different options.Anyway, after the initial selection of the type, we have carried out the necessary corresponding check to ensure that the design is reasonable and feasible.This graduation design software is mainly two-dimensional CAD software and CAXA.Keywords: logistics; automated warehouse; single-column stacker; structural design; calculation check.目 錄引 言 .11 概 述 .11.1 物流的發(fā)展 .11.2 物流與自動化立體倉庫 .11.3 自動化立體倉庫的分類 .21.4 堆垛機 .22 堆垛機結(jié)構(gòu)方案的比較和確定 .32.1 單、雙立柱巷道堆垛機結(jié)構(gòu)方案對比 .32.2 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu) .42.3 單立柱有軌巷道式堆垛機的特點 .63 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計 .73.1 堆垛機的機架結(jié)構(gòu)設(shè)計 .73.2 堆垛機的載貨臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 .73.3 堆垛機伸縮貨叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .83.4 貨叉伸縮機構(gòu)的工作原理 .83.5 堆垛機起升機構(gòu)的整體設(shè)計 .93.5.1 柔性件的選取 .93.5.2 卷筒的選取 .103.5.3 電動機的選取 .113.5.4 減速器的選取 .123.5.5 制動器的選取 .133.6 堆垛機行走機構(gòu)的整體設(shè)計 .143.6.1 驅(qū)動方式的選取 .143.6.2 行走輪的的設(shè)計 .143.6.3 電動機、減速器及制動器的選取 .153.6.4 軌道的設(shè)計與安裝 .154 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設(shè)計計算 .164.1 伸縮貨叉的撓度與強度 .164.2 固定叉的撓度及轉(zhuǎn)角計算 .164.3 中叉的受力分析計算 .174.4 上叉的設(shè)計分析計算 .194.5 貨叉各參數(shù)的選擇 .204.6 軸承的選取校核 .204.7 鏈輪及鏈條的選取校核 .215 升降機構(gòu)零部件的設(shè)計計算 .235.1 鋼絲繩及滑輪的設(shè)計計算 .235.2 卷筒的設(shè)計計算 .245.3 電動機及減速比的確定 .256 堆垛機行走機構(gòu)的設(shè)計計算 .276.1 電動機及減速器的選取 .276.2 行走輪的設(shè)計及減速器計算 .276.3 V 帶輪和 V 帶的設(shè)計計算和選擇 .28小 結(jié) .31謝 詞 .32參考文獻 .33附 錄 .34第 0 頁 共 43 頁引 言自動化立體倉庫以巷道堆垛起得機為主、并 結(jié)合入出庫周邊設(shè)備來進行作業(yè)的一種倉庫。自動貨立體具有存儲量大 存儲效率高、空間利用率高、自動化和信息化水平高等優(yōu)點，越來越得 到人們的廣泛認同和普遍使用。我國在自動化立體倉庫這方面起步較慢，但是發(fā)展速度很快，目前與歐美西方先進國家水平日益接近，很多企業(yè)也認識到自動化立體倉庫對企業(yè)的生存的重要性，利用自動化立體倉庫的計算機功能能夠獲取市場的第一信息，對企業(yè)的決策起到舉足輕重的重用 1。1 概 述隨著世界經(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(wù)模式和管理技術(shù)已被越來越多的企業(yè)所重視。隨著全球物流事業(yè)的快速發(fā)展，物流系統(tǒng)的進一步改善和合理性對優(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。因此，自動化立體倉庫系統(tǒng)也越來越受到青睞。其核心設(shè)備巷道堆垛起重機則是代表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。本文從堆垛機的應(yīng)用特點入手，著重就堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行初步的研究 1。1.1 物流的發(fā)展20 世紀，或許更早時候，物流就默默無聞地出現(xiàn)在人們生活中。直到 19 世紀中期，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們才漸漸意識到“新物種”-物流潛藏著巨大商機。特別是企業(yè)高層更關(guān)注物流領(lǐng)域。生產(chǎn)物流是一個極具綜合性的系統(tǒng)，有機地糅合機電一體化、計算機、微電子及管理學等技術(shù)成為一門新技術(shù)。物流的核心工作是儲存和運輸物資。為了服務(wù)這一核心工作，物資的管理、包裝及檢驗應(yīng)運而生。此外，還要按物資種類、質(zhì)量及數(shù)量，準確的以最低成本送到目的的，及時完成物資信息更正和傳送，以及物資的回收等多個步驟?？偠灾?，物流是指物資實體的實際流動過程，是為服務(wù)客戶而生。1.2 物流與自動化立體倉庫 生產(chǎn)物流是指從原材料開始，經(jīng)過基本一道道制造加工工序，然形成具有一定價值的半成品或成品，并將其運送倉庫或客戶的過程。物流對人們的貢獻不僅僅在經(jīng)濟活動中體現(xiàn)，在日生生活中我們更是經(jīng)常用到。在現(xiàn)代物流中，高層貨架倉庫（即自動化立體倉庫）充當中流砥柱的作用，由以前以人力為勞動力，輸送車和叉車為設(shè)備的普通平庫發(fā)展變化成高度機械化、半自動化甚至完全自動化的高層倉庫?，F(xiàn)代機械化和自動化的倉庫作業(yè)代替了以前的繁重的人力勞動，這不僅解放了人們的手腳，提第 1 頁 共 43 頁高了生產(chǎn)效率，更降低了生產(chǎn)成本，方便系統(tǒng)化管理。1.3 自動化立體倉庫的分類按照建筑形式，自動化倉庫可分為整體式和分離式兩種。整體式是指貨架除了儲存貨物外，還可以作為建筑物的支撐結(jié)構(gòu)，分離式是指儲存貨物的貨架獨立存在，在建筑物內(nèi)部。按照高度不同，自動倉庫可以分為低層型（5 米以下），中層型（512 米）和高層型（12 米以上）。按照倉庫的構(gòu)造方式可以分為單元貨格式，貫通式，水平旋轉(zhuǎn)式和垂直旋轉(zhuǎn)式倉庫。按照倉庫的作業(yè)方式可以分為單元貨架式，移動貨架式和揀選貨架式倉庫。按照自動化倉庫的作用分類 可以分為生產(chǎn)性倉庫和流通式倉庫。按照自動化倉庫與生產(chǎn)連接的緊密程度分類 可以分為獨立型， 緊密型和緊密型倉庫 10。1.4 堆垛機堆垛機是整個自動化立體倉庫的核心設(shè)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。堆垛機是自動化立體倉庫的重要組成部分，是直接將貨物放入制定貨格的裝置，其形式有多種：堆垛機形式多種多樣，包括單軌巷道式堆垛機、雙軌巷道式堆垛機、轉(zhuǎn)巷道式堆株機、單立柱型堆垛機、雙立柱型堆垛機等等 10。第 2 頁 共 43 頁2 堆垛機結(jié)構(gòu)方案的比較和確定隨著競爭日益激烈，許多制造業(yè)中小企業(yè)想要擴大利潤空間，必須降低生產(chǎn)成本。因此，企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備的要求不僅操作簡便、工作效率高，還要設(shè)備成本低。而這次堆垛機結(jié)構(gòu)方案的確定主要從其工作的作用效果和經(jīng)濟性方面考慮。以下給出幾種方案：2.1 單、雙立柱巷道堆垛機結(jié)構(gòu)方案對比巷道堆垛機由機架、吊具、起升及行走機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)等組成，其按照結(jié)構(gòu)的不同可分為單立柱巷道堆垛機（圖 2-1）與雙立柱巷道堆垛機（圖 2-2）。單雙立柱堆垛機因其結(jié)構(gòu)的不同而各有優(yōu)缺點。單立柱型巷道堆垛機機架主要由單根立柱與上、下橫梁等一起構(gòu)成一個高而窄的框架結(jié)構(gòu)。立柱較多使用較大的口字鋼或者通過電焊工藝來制作，立柱表面設(shè)置有導(dǎo)軌。載貨臺設(shè)計成 L 型，材料采用 H 型鋼、口字鋼，水平臺架設(shè)計為楔形，以便更好支撐。單立柱堆垛機整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，大型零部件（比如立柱）消耗的材料較少，質(zhì)量較輕，所以制造成本相對來說比較低。但其結(jié)構(gòu)剛度上比雙立柱堆垛機的差。因為載物臺和貨物對立柱有偏心的作用，加減速行走和制動的時會產(chǎn)生的水平慣性力作用，讓單立柱堆垛機行走速度相對較慢，在應(yīng)用上有局限，影響其發(fā)展。該堆垛機起重重量較小、水平運行速度較慢，主要用于重量 12t 以下和高度 16m 以下倉庫。單立柱堆垛機起升結(jié)構(gòu)一般采用鋼絲繩來傳動，電機減速機使卷筒轉(zhuǎn)動，鋼絲繩拉動載物臺沿立柱升降。采用鋼絲繩傳動，價格便宜，強度大，維護更換方便，但因其具有微弱彈性，定位準確性較差。第 3 頁 共 43 頁圖 2-1 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)圖 雙立柱機構(gòu)堆垛機機架是由兩根立柱與上橫梁、下橫梁一起構(gòu)造成一個倒 U 形的框架。立柱的形式有口字管或者圓管。若選用口字管，除了支撐堆垛機，也作起升的導(dǎo)軌，而圓管沒有導(dǎo)向作用。載貨臺做成 U 型，結(jié)構(gòu)對稱性好。堆垛機由于采用雙立柱機架結(jié)構(gòu)，其對稱性較好，升降運行很平穩(wěn),最大的優(yōu)點就是強度較大，剛性較好。對于一些起升高度比較高、或起重量較大和水平速度快的立體倉庫堆垛機，一般使用雙立柱。雙立柱堆垛機起升機構(gòu)一般采用鏈條（鋼絲繩）來傳動，電機減速機使鏈輪（卷筒）轉(zhuǎn)動，鏈條（鋼絲繩）拉載貨臺沿立柱升降運動。因鏈條的傳動一般都采用封閉鏈或者配重裝置，造價更高，受著空間的尺寸限制，維護裝配較困難，潤滑不方便，而且斷裂前沒有預(yù)兆。第 4 頁 共 43 頁圖 2-2 雙立柱機構(gòu)堆垛機 對比結(jié)果：綜上所述，單立柱堆垛機整機構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，用材少重量輕，成本相對較低；但其起重重量小，水平行走速度較慢。雙立柱機構(gòu)堆垛機整體機構(gòu)復(fù)雜，裝配較難，消耗材料較多，造價跟高；但其導(dǎo)向性較好，起重重量較大，水平行走速度較快。上述兩種堆垛機都符合要求，但從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和經(jīng)濟方面考慮，顯然選擇單立柱堆垛機更佳。2.2 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)主要由四個機構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。（1)機架：單立柱堆垛機的機架是由上下橫梁及單立柱組成，整體結(jié)構(gòu)高而窄，有效地利用空間，主要起支撐及導(dǎo)向的作用。(2)起升機構(gòu)：它由電動機、減速器、制動器、卷筒、柔性件及松繩保護裝置等構(gòu)成。升降機構(gòu)的工作速度相對較低，一般控制在 1025m/min，最高僅達 46m/min，設(shè)計時選取 20m/min.（3）載貨臺：它起到連接起升結(jié)構(gòu)和貨叉伸縮機構(gòu)的作用。為了提高載貨臺的強度及剛度，主要采用口字鋼制造楔形，使其更好地承載伸縮貨叉及貨物而不變形。 (4)行走機構(gòu)：它由電動機、帶輪、皮帶、制動器、減速器和行走輪等組成。在其頂部設(shè)置導(dǎo)向輪組沿固定在貨架上弦的上軌道導(dǎo)向運行；地面下軌道設(shè)置四個行走輪第 5 頁 共 43 頁沿鋪設(shè)在地面上的單軌來回穿梭運行。為防止堆垛機出現(xiàn)脫軌或側(cè)翻現(xiàn)象，行走輪設(shè)計成圓臺型。行走機構(gòu)的工作速度依據(jù)巷道長度和物料出入庫頻率而定，正常工作速度一般控制在 45100m/min 范圍內(nèi)，最高可達到 180m/min。（5）貨叉伸縮機構(gòu)；它是唯一一個可以與貨架直接交接堆垛機機構(gòu)，可實現(xiàn)堆垛機存放物料的基本功能。貨叉可根據(jù)貨物的長度以及需要在貨架上的藏貨位置來調(diào)整其長度。它由貨叉（其包括上叉、中間叉、固定叉、鏈條及鏈輪等）、電動機構(gòu)成。貨叉伸縮機構(gòu)的工作速度一般控制在 18m/min，最高可達 36m/min。 圖 2-3 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)圖2.3 單立柱有軌巷道式堆垛機的特點根據(jù)本畢業(yè)設(shè)計要求的使用場合限制，本單立柱巷道式堆垛機在結(jié)構(gòu)和性能方面具有以下幾個特點：（1）由于機架采用單立柱結(jié)構(gòu)，整機重量輕用材少，結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)造簡單，成本相對經(jīng)濟些。占用倉庫空間少，整體剛性較差。但由于不對稱的機架結(jié)構(gòu)貨叉作業(yè)時受到彎矩作用而可能產(chǎn)生扭曲甚至變形現(xiàn)象，所以立柱材料要用高強度、高硬度的材料。此外，機架還要有較高的制造精度和裝配精度。（2）單立柱堆垛機沿著有軌巷道天地軌道運行,其作業(yè)時具有三個運動方向。水第 6 頁 共 43 頁平行走方向為 x 軸方向，堆垛機行走機構(gòu)可以沿此方向運行到任意指定地點；垂直升降為 z 軸方向，起升機構(gòu)能把貨物提升到任意高度；貨叉伸縮為 y 軸方向，貨叉伸縮機構(gòu)能存放或取走所需貨物。（3）載貨臺的水平臺架做成楔形，以提高支撐力度。（4）通常用三級伸縮貨組成伸縮貨板機構(gòu)的一部分。（5）駕駛室必須設(shè)置在水平方向上遠離載貨臺的地方；（6）為保障人身和設(shè)備的安全，必須設(shè)置安全保護裝置，并在作業(yè)前確保其正常工作后，在進行作業(yè)。（7）應(yīng)當設(shè)置報警系統(tǒng)，堆垛機出現(xiàn)故障或探測器發(fā)現(xiàn)異常情況時發(fā)出報警，以防發(fā)生機械事故。3 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 堆垛機的機架結(jié)構(gòu)設(shè)計堆垛機的機架是堆垛機的最主要承重構(gòu)件，主要由上、下橫梁、立柱和其他部件構(gòu)成。機架通常有單柱式和倒 U 形框架式兩種類型。按支承方式，其又可分為頂部支承式和地面支承式。上橫梁包含導(dǎo)軌，聯(lián)接立柱的頂部。立柱是機架最重要的組成部分，其上附加導(dǎo)軌，可使載貨臺沿導(dǎo)軌上升下降，同時還能夠沿著地上和頂部的導(dǎo)軌第 7 頁 共 43 頁保持走行的穩(wěn)定和承載貨叉伸出進行裝卸作業(yè)時產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)彎矩。而安裝立柱的下橫梁也受到彎矩作用，因此下橫梁要有足夠的強度、硬度，避免的變形損壞。在機架上安裝有升降、走行機構(gòu)，人工駕駛室（有時也沒有）以及配置有電氣控制系統(tǒng)、安全保護裝置等，使整體機構(gòu)緊湊，減少占用空間。由于載貨臺與伸縮貨叉機構(gòu)作業(yè)時對單立柱的力矩作用，以及走行時起動、制動及加減速產(chǎn)生的水平慣性力的作用，對立柱會產(chǎn)生一定強度的沖擊并使其產(chǎn)生振動，沖擊和振動過大時會造成損壞。同樣，由于貨叉作業(yè)時的重力作用而立柱產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，使伸長的上叉末端的更加向下彎曲，嚴重時會影響貨叉的正常作業(yè)。總之，避免沖擊損壞、振動破壞及彎曲損壞，機架應(yīng)滿足足夠的強度和剛度要求。本次設(shè)計中采用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接成牢固機架結(jié)構(gòu)。機架裝配成型后必須調(diào)整立柱的垂直度，以補償在貨架頂部載貨時造成立柱的彈性變形。所以，立柱采用 Q235 制成的 900*640mm 的口字鋼，10mm 高。3.2 堆垛機的載貨臺結(jié)構(gòu)設(shè)計載貨臺由兩個互相垂直的框架焊接成的并裝配貨叉伸縮機構(gòu)，可進行上下垂直運動的裝置。其水平框架一般采用矩形鋼管做成，減小了總體重量從而滿足載貨的要求；而升降動滑輪和安全保護裝置安裝在垂直框架，通過起升機構(gòu)帶動的鋼細繩的牽引力和地球的重力使載貨臺做升降運動來運送貨物。載貨臺兩側(cè)裝有導(dǎo)向輪和滾輪，使其平穩(wěn)運行。載貨臺的工作原理：如圖 3-1 所示，載貨臺垂直框架上下設(shè)置兩組導(dǎo)向輪（共 4個），防止其在 Y 軸方向晃動，可通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪的偏心軸來調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪和導(dǎo)軌之間的間隙，使載貨臺平穩(wěn)運行和貨叉保持水平。X 軸方向，在導(dǎo)軌左右設(shè)置兩組滾輪（共 4 個），一組在左上方，另一組在右下方。兩組滾輪不僅僅起到導(dǎo)向作用，還承載著來自貨叉和貨物對載貨臺的彎矩作用。而載貨臺上下垂直運動是由繞過定滑輪的鋼絲繩的牽引力克服地球引力來實現(xiàn)的。第 8 頁 共 43 頁圖 3-1 載貨臺結(jié)構(gòu)圖 3.3 堆垛機伸縮貨叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計堆垛機貨叉通常采用三級直線差動機構(gòu)，也稱為鏈傳動雙向伸出貨叉機構(gòu)，簡稱伸縮貨叉機構(gòu)。作為堆垛機向立體貨架存取貨物的裝置，伸縮貨叉機構(gòu)要盡可能合理利用立體貨架空間。因此在滿足足夠剛度強度條件下，伸縮貨叉機構(gòu)的機構(gòu)設(shè)計不宜復(fù)雜龐大。貨叉行程不小于貨物周轉(zhuǎn)貨箱的長度，這樣貨物在立體貨架上擺放整齊，快速穩(wěn)定。貨叉伸縮機構(gòu)應(yīng)盡量減少摩擦阻力和機構(gòu)運動間隙，其目的是為了使堆垛機存取貨物動作更加靈活高效。由于堆垛機的工作空間限制，為了使貨叉機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，造價低廉，貨叉伸縮機構(gòu)的電機應(yīng)重量輕、體積小，動作行程要短，來滿足貨叉伸縮機構(gòu)的工作要求。3.4 貨叉伸縮機構(gòu)的工作原理堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)一般由電動機、固定貨叉、中間貨叉（中叉）、上層貨叉（上叉）及鏈輪和鏈條等構(gòu)成。鏈輪和鏈條在機伸縮貨叉機構(gòu)作業(yè)時傳遞運動和動能，第 9 頁 共 43 頁并把電動機、固定叉、中叉及上叉聯(lián)接成一個整體。電動機和固定叉裝在載貨臺上，電動機驅(qū)動鏈條，使中叉相對固定叉向兩側(cè)伸出一定距離，上叉在安裝中叉上的加速裝置的帶動下以兩倍中叉運動速度伸出，相對于固定叉伸出更遠的距離，從而實現(xiàn)向貨架存取貨物。固定叉安裝于載貨臺上，而其上裝有兩個鏈輪。如圖 3-2 所示，與兩鏈輪同軸上分別設(shè)置兩個小型（或微型）的卷筒，在其上端輸出鋼細繩。當卷筒 2 順時針方向轉(zhuǎn)動，其回收鋼細繩時，而卷筒 1 也順時針旋轉(zhuǎn)釋放鋼細繩，貨叉做伸出運動。反之，貨叉做收縮運動。在中叉的兩端設(shè)置了 2 個可動鏈輪，使上叉以兩倍中叉移動速度運動。與中叉左端鏈輪嚙合的鏈條的兩端分別固定在上、下貨叉的右端，而與右端鏈輪嚙合的鏈條的兩端分別固定在上、下貨叉的左端。當中叉移動時，上叉以兩倍中叉移動的速度和行程伸出或縮回。也可以這樣說，當中叉相對于固定叉水平移動 1/3 的固定叉的長度行程時，而上叉就相對于固定叉移動了 2/3 的固定叉長度行程，最終滿足貨叉伸縮的行程要求。這種三級直線差動機構(gòu)的特點是上叉相對與中叉伸出的距離為其伸出行程的 2/3，而中叉相對于固定叉伸出的距離為其伸出行程的 1/3。上叉與中叉之間，中叉與固定叉之間均有合適的導(dǎo)向接觸長度，以保證三層貨叉伸出時相對剛度要求。同時，三層貨叉相對運動是，采用滾輪和和滾道的純摩擦，盡可能減少相對運動摩擦阻力。圖 3-2 三級直線差動機構(gòu)圖 3.5 堆垛機起升機構(gòu)的整體設(shè)計堆垛機起升機構(gòu)一般由電動機、卷筒、柔性件、減速器、制動器及導(dǎo)向部件構(gòu)成。由電動機輸經(jīng)減速器減速增加轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動卷筒，繼而帶動柔性件，經(jīng)過導(dǎo)向部件牽引載貨臺做上下垂直運動。當載貨臺將要到達指定高度，馬上開啟制動器，使載貨臺平穩(wěn)準確指定位置，從而圓滿完成起升機構(gòu)任務(wù)，實現(xiàn)其作為堆垛機構(gòu)件的功能。3.5.1 柔性件的選取在堆垛機的起升機構(gòu)里柔性件是不可或缺一個零件。升機構(gòu)作為一種工作機，需要靠電動機供給一定形式的能量才能工作。但是，很少有把電動機和工作機構(gòu)直接連接起來的，往往要在兩者之間加入能傳遞動力或改變運動狀態(tài)的柔性件。目前，起升第 10 頁 共 43 頁機構(gòu)常用的柔性件有傳動帶、鏈條及鋼細繩。傳動帶按橫截面的不同可分為平帶、圓帶、V 帶及多楔帶，具有的特點是：傳動效率較高、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造容易等，但其傳動比經(jīng)常變化，易彈性打滑及整體打滑。目前，V 帶的用途最廣泛。按用途鏈條可分為傳動鏈、輸送鏈及起重鏈。鏈傳動的特點：無打滑現(xiàn)象，能保持穩(wěn)定傳動比，效率較高；整體尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，能在高溫高濕環(huán)境下工作。鋼細繩具有的特點：撓性好、柔韌性好；種類多樣，選擇性大；自重輕、強度高、耐沖擊、承載能力大；成本低廉、平穩(wěn)可靠及極少崩斷等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多種機構(gòu)中。綜合上述三種柔性件特點對比分析，再結(jié)合本設(shè)計堆垛機的技術(shù)要求，應(yīng)選用鋼細繩作為起升機構(gòu)的起重柔性件，如圖 3-3 所示。圖 3-3 鋼細繩3.5.2 卷筒的選取起升機構(gòu)作業(yè)時出現(xiàn)鋼細繩縮回或伸出，需要設(shè)置卷筒裝置對鋼細繩收放，以卷繞和容納鋼細繩，避免造成不必要的事故。目前，國內(nèi)卷筒主要分為兩種：氣管卷筒和電纜卷筒。其中電纜卷筒按鋼細繩堆置層數(shù)的不同又分為單層卷繞卷筒和多層卷繞卷筒，主要運用于起重機等場合。方案一：單層卷繞卷筒的卷筒表面通常設(shè)計有螺旋形繩槽，鋼細繩依次繩槽排列。并且繩槽的節(jié)距和直徑均要比鋼細繩的直徑大，這樣可以加大鋼細繩和卷筒表面的接觸面積，避免其卷繞過程中鋼細繩打滑，亦可以延長鋼絲繩的使用壽命。但是需要的鋼細繩過長時，卷筒的長度和直徑都將有所增大，造價更貴。方案二：多層卷繞卷筒的卷筒長度較短，但鋼細繩受到的擠壓力大，摩擦力大，使剛犧牲的壽命降低。另外，鋼絲繩每層卷繞半徑變化，使得鋼絲繩的卷繞速度和作用卷筒上的外力矩發(fā)生變化，卷筒運轉(zhuǎn)起來不平穩(wěn)。第 11 頁 共 43 頁方案三：氣管卷筒主要由高壓膠管或金屬軟管與金屬外殼構(gòu)成，其一般用于水、氣體、油等介質(zhì)的傳輸，結(jié)構(gòu)緊湊，容易安裝。比較上述三種方案，結(jié)合堆垛機具體使用場合和性能要求，選擇單層卷繞圓柱形卷繞卷筒更合適，如圖 3-4 所示。圖 3-4 卷筒 3.5.3 電動機的選取為了足夠滿足起升機構(gòu)流暢的作業(yè)，作為整個機構(gòu)動力輸出的電動機的選擇尤為重要。目前，電動機常見的有單相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機的特點：運行性能更好，價格較低，調(diào)速方便，并且節(jié)約更多的材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同三相異步電動機有以下兩種不同兩種備選方案：方案一：繞線式異步電機是目前最常用的三相異步電動機。其可以改變調(diào)節(jié)變阻器電阻來改善電動機的運行性能啟動、制動平穩(wěn)可靠，可承受一定沖擊載荷，可頻繁啟動。因此其起動電流較小，一般是額定電流的 2 2.5 倍甚至更小，這樣更方便于調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。方案二：鼠籠式異步電機具有諸多優(yōu)點：整體結(jié)構(gòu)緊湊簡單，操縱方便，重量輕，造價也較便宜。但其起動電流比較大，甚至達到額定電流的 4 6 倍，調(diào)節(jié)速度較困難，不能承受較頻繁的啟動，不能運用于啟動頻繁、功率大的工作機構(gòu)中。根據(jù)本設(shè)計中要求的工作環(huán)境，堆垛機的啟動負載較大，啟動、制動、換向及調(diào)速頻繁，要求有較高的工作穩(wěn)定性。綜合以上兩種方案的所述，本設(shè)計中選用允許有較大振動和沖擊性能，轉(zhuǎn)動慣量較小，過載能力大的 YZR 系列繞線型起重用三相異步電動機，如圖 3-5 所示。第 12 頁 共 43 頁圖 3-5 三相異步電動機 3.5.4減速器的選取減速器是設(shè)置在電動機和卷筒之間用來傳遞運動和動力的一個減速傳動裝置，其目的為減低速度及提高轉(zhuǎn)矩以滿足各種各樣設(shè)備的需求。(1)傳動方式的選擇起重機械中常有以下三種備選方案。方案一：二級圓柱齒輪減速器；它是應(yīng)用最廣最常用的減速器。其優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、成本低廉；工作準確可靠、傳遞效率高、維護簡便，應(yīng)用廣泛等。方案二：蝸輪減速器：它是通過蝸輪與蝸桿在空間交錯接觸來傳遞運動和動力的。與其他減速器相比，它傳遞效率較低、沖擊小、傳動平穩(wěn)；但其成本較高，易磨損，不易散熱，壽命短，應(yīng)用范圍較窄。方案三：行星齒輪減速器：它雖然傳遞效率高，傳動比大，壽命長，但造價比較昂貴。結(jié)合上述三種方案，從產(chǎn)品的成本、性能和具體使用場合方面考慮，本設(shè)計中選取二級圓柱齒輪減速器。(2)輸出（入）軸的配置根據(jù)機械設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭矩變形和軸在彎第 13 頁 共 43 頁矩作用下產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。方案二：分流式特點：結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)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，軸頸尺寸可以縮小。綜上所述，對比四種方案的特點，從堆垛機本身的工作場合考慮，本設(shè)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)潤滑方式的選擇從堆垛機工作環(huán)境和成本及展開式二級圓柱齒輪減速器的特點考慮，潤滑劑采用潤滑油，潤滑方式采用滴油潤滑方式中的針閥油杯。該潤滑方式可調(diào)節(jié)滴油速度來改變供油量，并且停止工作時可扳動油杯上端的手柄來關(guān)閉針閥而停止供油。3.5.5 制動器的選取堆垛機作業(yè)過程中，制動器能讓以正常速度升降運動、載著貨物的載貨臺停下來或是其保持在空中不動，并且可以保證堆垛機工作的安全性以及滿足實際工作特殊的要求。機械手冊規(guī)定，提升裝置的制動器的制動轉(zhuǎn)矩不小于額定載重量的貨物被吊起時1.5 倍的最大轉(zhuǎn)矩值。通常情況，制動器按其構(gòu)造形式可有以下三種備選方案。方案一：帶式制動器用料較少，造價較便宜；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制動力矩大，但機構(gòu)不對稱，制動時軸上產(chǎn)生較大的彎矩，制動帶易磨損損壞，降低工作壽命。方案二：塊式制動器機構(gòu)緊湊，工作可靠，兩個對稱的瓦塊磨損均勻；沖擊力通常較小，擠壓力可以相互抵消，制動輪軸不受彎曲作用。但其制動力矩較小，其結(jié)構(gòu)第 14 頁 共 43 頁尺寸比帶式制動器大。方案三：盤式制動器受摩擦系數(shù)影響小，效能較穩(wěn)定，工作穩(wěn)定可靠，沖擊小且維修保養(yǎng)簡單；散熱性好、水穩(wěn)定性較好，制動力矩與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)；在同等條件下，其輸出的制動力矩更大。但其缺點是制動較粗暴，摩擦片磨損快，有時制動不平順。綜合上述三種方案，對比其特點，又從堆垛機平穩(wěn)快速制動及維修保養(yǎng)的方面考慮，本設(shè)計選用常閉盤式制動器。3.6 堆垛機行走機構(gòu)的整體設(shè)計 為了實現(xiàn)堆垛機貨架巷道軌道里水平來回運動，存取貨物的目的，要設(shè)計一個行走機構(gòu)。3.6.1 驅(qū)動方式的選取驅(qū)動方式按照支承方式有以下兩種方案：方案一：地面驅(qū)動式以鋪設(shè)在地面筆直水平金屬導(dǎo)軌為行走路線，在電動機的驅(qū)動下，安裝在下橫梁上的行走機構(gòu)依靠下部行走車輪支撐并運動。為了防止堆垛機的傾倒或擺動，需要上部的導(dǎo)向輪。這種驅(qū)動方式的特點是：驅(qū)動裝置裝配在下橫梁上，行走平穩(wěn)可靠，起重范圍大，應(yīng)用比較廣泛，適合于各種類型的立體倉庫；使用方便，保養(yǎng)維護容易。方案二：頂部驅(qū)動式行走機構(gòu)安裝在堆垛的上橫梁上，靠行走車輪沿著水平天軌運動。門架上的導(dǎo)向輪以一定的間隙夾持在天軌的兩側(cè)，避免堆垛機運行時或其它情況而產(chǎn)生擺動、傾斜或脫軌。其起升機構(gòu)安裝的位置與地面驅(qū)動式的不同裝在門架上部。這種驅(qū)動的特點：不需要考慮門架的橫向彎曲強度，鋼材料重量減輕，造價降低；與地面驅(qū)動式相比，加減速時振動較小，制動所需時間短。但整個堆垛機機構(gòu)沒有底部支撐，需要立體倉庫屋頂承擔全部載荷，故對屋頂結(jié)構(gòu)和貨架的強度要求高。而且保養(yǎng)、檢查和維修在高空作業(yè)，既不方便也不安全，容易發(fā)生意外。綜合以上兩種方案的特點的分析，結(jié)合設(shè)計題目的要求，本設(shè)計選用下部支承地面驅(qū)動式。其中下橫梁采用 1380*550mm 口字鋼，長 5500mm，材料用 Q235。3.6.2 行走輪的的設(shè)計行走輪是一種能承載堆垛機的載荷并使其能夠在地面軌道上平穩(wěn)運行的裝置。一般的，車輪按照形式可分為有帶輪緣和無輪緣兩種。在設(shè)計的堆垛機中將采用有帶輪緣的行走輪，其不僅起運行支撐的作用，還有一定的導(dǎo)向作用。但為了避免產(chǎn)第 15 頁 共 43 頁生啃軌現(xiàn)象，甚至使車輪與軌道劇烈磨損，使堆垛機運行不平穩(wěn)，還需要在上橫梁或下橫梁另外安裝導(dǎo)向輪。在本設(shè)計中，在下橫梁上靠近兩端處各設(shè)置一對圓柱形行走輪，共 4 個，同時也設(shè)置 2 個導(dǎo)向輪。3.6.3 電動機、減速器及制動器的選取本設(shè)計中，單立柱堆垛機行走機構(gòu)運行時有一定的振動和沖擊，起動載荷較大，所以電動機選用過載能力大的 YZR 系列繞線型起重用三相異步電動機（見 3.5.3 章）。由于在堆垛機水平方向的阻力相對來說不大，只要減速器輸出一定的轉(zhuǎn)矩即可滿足堆垛機的正常工作，所以設(shè)計中選用展開式一級圓柱齒輪減速器（見 3.5.4 章）。至于制動器，由于水平行走速度較大，所以選用工作平穩(wěn)可靠、壽命長盤式常開式制動器（見 3.5.5 章）。3.6.4 軌道的設(shè)計與安裝本設(shè)計采用地面驅(qū)動式（前面已作具體介紹），設(shè)計有上、下導(dǎo)軌，以支承起堆垛機的全部自重，同時具備導(dǎo)向的作用，因而上、下導(dǎo)軌要有一定的強度剛度，防止軌道發(fā)生彎曲損壞甚至崩斷的現(xiàn)象，影響堆垛機的正常工作。目前，常見的軌道主要有起重機軌、重型鋼軌和輕型鋼軌三種類型。從本設(shè)計堆垛機性能要求（剛度強度的要求）和成本考慮，上軌道可采用 H 型鋼，材料 Q235，具有抗彎能力強、剛度較高的特點。下軌道可采用輕型鋼軌，材質(zhì)通常采用 Q235 或 Q55.其橫截面形狀做成凸狀，抗彎能力良好；兩水平面具有一定寬度，是輕軌與行走輪的接觸面更大，降低相互擠壓力。堆垛機軌道安裝質(zhì)量的好壞直接影響到堆垛機的正常工作，甚至由于其違規(guī)安裝，導(dǎo)致發(fā)生慘重的堆垛機事故，造成本可避免的巨大損失。壓板法、鉤形螺桿、焊接和螺栓聯(lián)用是常見的軌道安裝方法固定方法三種。軌道接頭主要采用電弧焊焊接，偶爾用到電阻焊等。其順序是由下而上，先焊軌底，然后軌腰，接著軌頭，逐層進行堆焊，最后修補周圍，完成焊接。焊接時應(yīng)注意以下問題：1）在施焊前，清除鋼軌接口雜質(zhì)。固定時，兩鋼軌接口留下 V 形的間隙，以軌底間隙為準，一般控制在 14 17mm 之間。2）當鋼軌端頭焊接完成后，應(yīng)采取熱處理來消除其應(yīng)力，防止其冷卻后變形。第 16 頁 共 43 頁4 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設(shè)計計算4.1 伸縮貨叉的撓度與強度伸縮貨叉各尺寸表示如圖 4-1 所示：I -固定叉的重力方向慣性矩 ,I -中叉的重力方向的慣性矩,1 2I - 上叉的慣性矩，W貨物自重載荷；E 材料的彈性模量3圖 4-1 伸縮貨叉的結(jié)構(gòu)尺寸4.2 固定叉的撓度及轉(zhuǎn)角計算貨叉伸出時，固定叉部分叉身受到中、上叉及貨物的重力的作用，使其向下彎曲。簡化下叉受力示意圖如圖 4-2 所示。圖 4-2 下叉受力簡化示意圖在 AC 段內(nèi)取距 A 端為 x 的任意截面為研究對象。 時的彎矩方程為：0lxa)(10xaPlbM第 17 頁 共 43 頁式中： P 1為 x 處截面上產(chǎn)生的反力， 。blWP/*1用積分法求得其轉(zhuǎn)角為：(4.1)(230310011 axlbEIdxIM式中： A 端（即當 x= 0 時）的截面轉(zhuǎn)角，0(4.2)0106IEblap）（ 其撓度為： (4.3)(30310011 axlbIxdIMxf 當 x=l 時，將式 （ 4.2） 代入式 （ 4.3） 和式 （ 4.1） 中，可算得 c 點處的轉(zhuǎn)角和撓0度：0116)(lEIabp0131)(lIf4.3 中叉的受力分析計算中叉直接受到固定叉和上叉的力 W 作用，如圖 4-3 所示，在 bc 間產(chǎn)生反力P ,P 。12圖 4-3 中叉受力分析圖受力分析:如圖 4-3 所示，在 BF 段內(nèi)取距左端 （ A） 為任意 x 處的截面為研究對象。第 18 頁 共 43 頁當 時，可算得其轉(zhuǎn)矩方程：0lxaxbWlPM21用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：(4.4)EIldx20其撓度為：(4.5)0236fxbIWlf當 x=b 時， B 端的截面轉(zhuǎn)角為：(4.6)206EIl將式 （ 4.6） 代入式 （ 4.4） ，可算得此段的轉(zhuǎn)角為：223IbWl將式 （ 4.6） 代入式 （ 4.5） 中，可算得此段的撓度為：22lEIf如圖 4-4 所示，把 bc 段看作懸臂梁， b 段作為剛性, c 點作為固定端,并且由于 W在中叉產(chǎn)生的支反力為 P 和 P ,相對應(yīng)的在貨叉前端產(chǎn)生的擾度為分別為 和 ： 34 34de2圖 4-4 中叉受力分析圖轉(zhuǎn)矩方程為：第 19 頁 共 43 頁xPdM4)(若以固定端 E 視為坐標原點，可得： eW/3若以固定端 D 視為坐標原點，可得： )(4用積分法算出其撓度：當 時，代入式 （ 4.6） 算得：1lx)()(621323 dledEIf （ 4.7）222024 )()(xdexIWxIM同理可算得： 21224 )()(ledxeEI最后算得： 134lf4.4 上叉的設(shè)計分析計算上叉受到中叉及貨物載荷 W 在 d 區(qū)間產(chǎn)生的支反力 P 、 P ，受力分析如圖 4-345 所示，在 E 點的傾斜角為 ，撓度為 ：55圖 4-5 上叉受力分析圖轉(zhuǎn)矩方程為： xdeWM用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：(4.8)032EIex算得撓度為：(4.9)036fxdIeWf第 20 頁 共 43 頁當 x=d 時, D 端的截面轉(zhuǎn)角(4.10)306EIeWd將式 （ 4.10） 代入式 （ 4.8） 中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角：35Ied將式 （ 4.10） 代入式 （ 4.9） 中，分別算得此段的撓度：)(135lEIeWf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:54321fff總注：當托盤貨架進深為 115 厘米時， 值應(yīng)控制在 10 15 毫米。