立体仓库巷道式堆垛机设计

1、河北工业大学城市学院 毕业设计说明书(论文) 作 者： 学 号： 系 ： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 题 目： 立体仓库巷道式堆垛机设计 指导者： 评阅者： 2009 年 06 月 17 日 毕业设计中文摘要 立体仓库巷道式堆垛机设计立体仓库巷道式堆垛机设计 摘要：摘要： 随着经济的发展，有轨巷道堆垛机作为立体仓库的核心设备,应用越来越广 泛。我国物流业的蓬勃发展，对有轨巷道堆垛机的性能提出了更高的要求。 综合比较了几种升降方案后，升降装置采用钢丝绳卷筒式，其结构简单，受 力明确，用户也比较熟悉。安全防坠器、高度限位装置作为有轨巷道堆垛机的安 全保护装置，当有轨巷道堆垛机遇到

2、突发事故时它可以防止载货台坠落事故的发 生，保证人员及货物的安全。安全防坠器采用楔块式制动，灵敏度高、可靠性好、 结构简单、能够有效地防止载货台坠落事故的发生。货叉采用带有行程倍增机构 的三级伸缩货叉，货叉收回时，其本身的长度远小于堆垛机运行巷道的宽度，货 叉进行存取货物时，货叉的行程远远大于巷道的宽度。 关键词：关键词：有轨巷道堆垛机 三级伸缩货叉 安全防坠器 毕业设计外文摘要 design of a railroad aisle stacking crane in stereoscopic warehouse abstractabstract with the development of

3、 economic, railroad aisle stacking crane is the core equipment of stereoscopic warehouse, it has become more widespread in recent years. higher demands are also asked for the performance and reliability of the railroad aisle stacking crane. after the synthesis has compared several kind of constructi

4、ons elevators overall plan, uses the steel wire to hoist the type, its structure simple, the stress is clear about, the users also familiar. the security guards against falling，highly the spacing installment takes the construction elevator the safekeeping of security installment which can avoid the

5、falling of the cage to assure the people and goods safety as soon as the construction hoist meets accident. the security guards which make use of wedge block for brake. this safety anti-falling device have high sensitivity，good reliability，simple configuration and easy to test，which can availably av

6、oid the failing accident of the cage. the fork trip with a double body is a three-tier telescopic fork, when fork is recovered, the length of its own is far less than the width of roadway, when accessing to goods, the fork is much longer than the width of roadway. keywordskeywords：railroad aisle sta

7、cking crane three-tier telescopic fork security guards 目目 次次 1 绪 论.1 1.1 有巷轨道堆垛机的发展.1 1.2 有轨巷道堆垛机的类型.1 1.3 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点.3 2 有巷轨道堆垛机总体方案的确定.5 2.1 有轨巷道堆垛机功能分析.5 2.2.立柱模块的设计.7 2.3 行走机构模块.8 2.4 起升机构模块.9 2.5 载货台模块.9 2.6 载货台断绳保护装置.10 2.7 货叉机构模块.13 3 有轨巷道堆垛机基型产品设计.14 3.1 立柱模块设计.14 3.2 行走机构模块.18 3.3 起升装置

8、的选择计算.21 3.4 货叉机构模块设计.23 结 论.30 参 考 文 献.31 致 谢.33 1 1 绪论绪论 1.11.1 有巷轨道堆垛机的发展有巷轨道堆垛机的发展 有轨巷道堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机， 通常简 称为堆垛机。巷道堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，是代表立体仓 库特征的标志。其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 道口的货物存人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1。 50 年代初，美国首先出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50 年代末 60 年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963 年美国率先在

9、高 架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后， 自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。在 20 世纪 70 年代初期，我国开始研究采用有轨巷道式堆垛机的立体仓库。1980 年我国第 一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产，从此自动化立体仓库在我国得到 了迅速发展2。 早期的堆垛机是在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门架，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3。 1960 年左右在美国出现了巷道堆垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利 用货架上部的导轨防止倾倒，或者在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。 随

10、着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机。日本从 1967 年 开始安装高度为 25高度的堆垛机。随着计算机控制技术和自动化立体仓库的m 发展，堆垛机的应用越来越广泛，技术性能越来越好，高度也在不断增加，到 1970 年实现了由货架支承的高度为 40的堆垛机。堆垛机的运行速度也不断提m 高，目前堆垛机水平运行速度最高达 2oo(小载重量的堆垛机己达 300min/m )，起升速度高达 120货叉伸缩速度达 50 4。 min/mmin/mmin/m 1.21.2 有轨巷道堆垛机的类型有轨巷道堆垛机的类型 按现行机械行业标准，有轨巷道堆垛机分类方式多种多样，如按支承方式、 用途、控制方式

11、、结构、运行轨迹等分类。在目前立体仓库应用中，堆垛机最 常见的是按结构形式和运行轨迹分类。 (1)按结构形式，分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机 双立柱有轨巷道堆垛机 双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组 成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架，一般称为机架。立柱形式 有方管和圆管两种，方管可兼作起升导轨，圆管需要附加起升导轨。这种堆垛 机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。一 般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中，其缺点 是自重较大。双立柱堆垛机的起升机构，普遍采用链条传动，由电机减速机驱 动链

12、轮转动，通过链条牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。 其结构如图 1.1 所示。 图 1.1 双立柱有轨巷道堆垛机 单立柱有轨巷道堆垛机 单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多 采用型钢或焊接制作，立柱上附加导轨，整机重量较轻，消耗材料少，因此制 造成本相对较低，但刚性稍差。由于载货台和货物对立柱有偏心作用，以及行 走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大 的局限性，不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。单立柱堆垛机的起升 结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载 货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传

13、动，传动和布置相对容易， 但定位准确性稍差。 其结构如图 1.2 所示。 图 1.2 单立柱有轨巷道堆垛机 (2)按运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机 堆垛机水平驱动装置一般安装在堆垛机下横梁上，通过电机减速机驱动车 轮转动，使堆垛机沿水平方向运行，此种地面驱动方式使用最为普遍。一般用 两个承重车轮，沿铺设在地面上的轨道（通常叫地轨）运行。通过下部两组水 平轮沿轨道运行导向，在堆垛机顶部两组导向轮沿上轨道（通常叫天轨）运行 辅助导向。 直线运行型堆垛机 直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道，只 能通过其他输送设备转换巷道。直线运行型堆垛机可以实现高

14、速运行，能够满 足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。 曲线运行型堆垛机 曲线运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其 他曲线轨道上运行，不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个 巷道。此种堆垛机通常叫做转轨堆垛机。曲线运行型堆垛机在使用上有局限性， 只适用于出入库频率较低的立体仓库。因为不但场地要受到转弯半径的限制， 而且转弯时速度特别慢，不能满足出人库频率高的立体仓库作业。 1.31.3 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 随着经济全球化步伐的日益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费 方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动

15、中的作用越来越受到企业的重视， 物流人才的需求也在日益增长。目前，物流人才已经被列为我国 12 大类紧缺人 才之一，有报道称“物流人才的需求已超过 600 万”5。 物流实验室的建设正是要搭建一座理论与实践的桥梁，目前，我国许多高 校已经建立了物流实验室，据不完全统计，已经有 160 多所高校建立了自己的 物流实验室。物流实验室为学生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理 解，提高学生的操作能力,内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合 技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。 随着面向高校和科研的物流实验室的纷纷建立，作为现代物流实验室的核 心搬运设备-小型有轨巷道

16、堆垛机得到了广泛的应用。目前国内许多公司开始 生产各种系列的小型有轨巷道堆垛机。 例如北京络捷斯特科技发展有限公司，生产的小型有轨巷道堆垛机可容纳 托盘尺寸 460460，可承载重量 15，定位精度为 1。这种小型有轨mmkgmm 巷道堆垛机目前已经在清华大学、南开大学等 30 多所高校的实验室中广泛应用。 深圳市飞鸿科技有限公司生产的小型堆垛机额定载重量为 15，采用 plc 控制kg 方式，也在高校中得到了广泛应用。另外，国内还有其它一些公司进行小型有 轨巷道堆垛机的生产设计。 与工业级用的大型有轨巷道堆垛机相比，小型有轨巷道堆垛机在构造上有 其自身的特点： (1)机架采用轻质焊接钢管和薄

17、壁折弯件组成，导向轮和货叉等零件也较多 采用工程塑料、尼龙和铝合金等轻型材料，整机质量轻，运动惯性小。 (2)由于起升高度低，承载能力小，机上的安全装置比较简单，外型比较简 洁。 (3)由于起升高度低，一般不采用卷扬式起升机构，而是使用链条或钢丝绳 牵引式起升机构。行走轮和驱动减速电机之间多采用挠性传动，方便驱动电机 布置，减少机身宽度，以适应狭窄巷道。 (4)伸缩货叉一般采用三层式板叉，钢丝滑轮直线差动传动机构，步进电机 或微型交流减速电机驱动。 2 2 有巷轨道堆垛机总体方案的确定有巷轨道堆垛机总体方案的确定 2.12.1 有轨巷道堆垛机功能分析有轨巷道堆垛机功能分析 有轨巷道堆垛机基本功

18、能是在控制系统或人工控制下，按照指令完成对货 架内及站台货物的存取和输送。主要动作描述： 有轨巷道堆垛机在货架巷道内运动，可以分解为沿货架巷道的水平方向的 行走运动、沿有轨巷道堆垛机立柱或立柱导轨的垂直起升运动和对出入库站台 的货物的存取运动。机械结构可以简单叙述为：在堆垛机的顶部和底部上分别 装有一组或两组导向轮，夹持着天轨和地轨(天轨安装于货架上，地轨安装在地 面上)，行走电机驱动与地轨接触的行走轮，在天轨和地轨的约束下，堆垛机在 巷道内水平行走；系着钢丝绳或链条的载货台，在起升电机的驱动下拉动载货 台使其沿立柱或者立柱两侧的导轨完成升降运动；货叉电机驱动一个行程倍增 机构，使上叉完成左右

19、存、取货物运动。三种运动分别在控制系统协调控制下， 完成货物的出、人库工作。 为完成有轨巷道堆垛机运动的基本功能，设备必须具备三个方向的驱动和 传动功能，需要对设备运行进行有效的控制，有轨巷道堆垛机除了完成货物的 存取外，设备安全也是其功能中的重要组成部分。 一般把有轨巷道堆垛机水平运行的方向称为 x 方向，起升运行的方向称为 y 方向，货叉运行的方向称为 z 方向。有轨巷道堆垛机沿 x、y 和 z 三个方向的 直线运动完成货物的搬运是有轨巷道堆垛机的基本功能。 有轨巷道堆垛机总功能可分解为沿 x 方向的运动的分功能、沿 y 方向的运 动的分功能和沿 z 方向的运动分功能，如图 2.1 所示：

20、 有轨巷道堆垛机总功能 沿 y 方向的分功 能 沿 z 方向的分功 能 沿 x 方向的分功 能 图 2.1 有轨巷道堆垛机总功能 沿 x 方向的水平运动的分功能主要由有轨巷道堆垛机的行走机构来完成， 行走机构主要有电机、主动行走轮、被动行走轮、行走轮轴、轴承等主要零部 件组成。电动机装在主动行走轮上，驱动有轨巷道堆垛机在地轨上运行，当电 机电源切断时，电动机能够自动制动，使有轨巷道堆垛机停止在立体库的巷道 中。 沿 y 方向的起升运动的分功能主要由起升机构来实现。起升机构主要有起 升电机、卷筒、钢丝绳等零部件组成。钢丝绳与载货台相连接，与上横梁的链 轮组成封闭结构。当电动机通过钢丝绳传动带动载

21、货台在立柱的导轨上进行上 下运动。 沿 z 方向伸缩的运动分功能主要由货叉机构来完成货物的存取，货叉主要 由电动机、下叉、中叉、上叉、链传动机构及齿轮齿条传动组等零部件组成6。 有轨巷道堆垛机三个方向运动的实现都是在控制系统的控制下实现的。 因此，根据上面的对有轨巷道堆垛机进行功能分析及功能分解，可以得出 有轨巷道堆垛机的功能模块，如图 2.2 所示： 有轨巷道堆垛机 控制模块立柱模块行走模块起升模块载货台模块货叉模块 立柱下横梁起升电机载货台上叉 法兰盘卷筒导向轮组中叉 立柱导轨下叉 缓冲器 驱动电机 驱动电机导向轮组 链传动组 齿轮齿条传动组 主动行走轮组 被动行走轮组 导向轮组 钢丝绳

22、图 2.2 有轨巷道堆垛机功能模块 另外，为保证机器及人员的安全，应有一些辅助安全保护功能： 运动防护功能是有轨巷道堆垛机机械结构中重要的安全功能，该功能部件 由安装于地轨终端的机械缓冲装置构成。该功能部件保护有轨巷道堆垛机在控 制失去作用的条件下，将有轨巷道堆垛机运行的动能吸收，避免有轨巷道堆垛 机发生冲出轨道等恶性事故，终端防护缓冲堆垛机质量和运行速度有关，需要 按照标装置结构设计与有轨巷道准选择。 载货台断绳保护，当堆垛起重机载货台的起吊装置失控、载货台产生加速 度下坠时，应有保护装置对载货台施加制动力，确保机构、货物及工作人员的 安全。 系统总体方案示意图如下： 图 2.3 堆垛机总体

23、方案示意图 1货物 2货叉伸缩机构 3载货台 4司机室 5立柱 6下横梁 7水平运行机构 8起升机构 9钢丝绳 10升降导轨 11顶部滑轮 12上部导轮 2.2.2.2.立柱模块的设计立柱模块的设计 立柱模块主要有立柱、导轨和法兰盘组成，立柱通过法兰盘与下横梁联结， 导轨是载货台沿立柱上下运行的轨道。立柱采用热轧 h 型钢和钢板焊接而成， 在满足刚度和强度的情况下使得重量减轻，节省了材料，而且外形美观。 立柱模块结构如图 2.4 所示： 图 2.4 立柱模块结构及截面图 利用 pro/engineer 软件将其生成三维图如下： 图 2.5 立柱模块 用同样的方法，生成立柱模块的其它零件的三维模

24、型，如图 2.6： (a)导轨 (b)导轨堵头 （c）立柱法兰盘 图 2.6 立柱模块零部件三维模型 2.32.3 行走机构模块行走机构模块 行走机构模块是有轨巷道堆垛机的重要组成部分，它主要有下横梁、主动 行走轮组、被动行走轮组、下横梁导向轮及缓冲器等零部件组成。 下横梁是模块零部件的支撑机构，又是堆垛机的承载构件，因此它要有足 够的强度和刚度。主动行走轮组和被动行走轮组是堆垛机的重要部件，主、被 动行走轮组结构基本相同，主要由行走轮、行走轮轴、轴承等零件组成。通过 减速电机驱动主动行走轮组在地轨上运动，完成有轨巷道堆垛机沿巷道方向的 水平行走；法兰盘固定在下横梁的上部，用来固定减速电机，也

25、是与立柱模块 联结的接口。下横梁导向轮组通过支架固定在下横梁上，两组导向轮组夹在地 轨两端，使有轨巷道堆垛机水平运行时，能够沿着地轨行走不至于跑偏，起到 导向的作用。缓冲器同上横梁的一样，主要用来吸收堆垛机运行到巷道两端时 发生碰撞产生的能量。 (a)下横梁 (b) 直轴导向轮组 (c) 偏心轴导向轮组 图 2.7 行走机构模块零件图 2.42.4 起升机构模块起升机构模块 有轨巷道堆垛机的起升机构模块主要完成堆垛机的载货台的升降运动，起 升机构是由驱动电机、卷筒、滑动轮组和钢丝绳组成，其结构比较简单。 2.52.5 载货台模块载货台模块 载货台是货物单元承接装置，用来支撑货叉装置。通过链条与

26、起升机构模 块连接，通过起升机构模块驱动载货台沿立柱导轨上下运动。 载货台模块主要由载货台、导向轮组等零部件组成。载货台主要用来固定 链条和货叉机构，承受着货叉和货物的重量，要满足强度和刚度要求。载货台 模块包含多个导向轮组，导向轮组主要由导向轮、轴承和导向轮轴组成。导向 轮组主要与立柱导轨接触，使载货台模块与立柱模块连接起来。 根据起重机等安全规范规定，其安全装置除按起重机结构标准设计外，还 应具备如下条件： 应有两根以上的提升用钢丝绳或链条； 应有在提升用钢丝绳或链条断裂时，载货台在下降过程中自动制动的装 置； 提升用钢丝绳或链条的安全系数必须在10以上； 为防止载货台与下梁撞击，应设有防

27、止下降过头的安全装置； 当载货台上装有货叉时，构造上应保证只有在货叉缩回时才能行走。 载货台导向轮如下图： 2.8 载货台导向轮 2.62.6 载货台断绳保护装置载货台断绳保护装置 垛起重机载货台架运行安全可靠，根据jb5319.2一91堆垛起重机安全规范 中5.1.2条规定，当承载钢丝绳断裂时，断绳保护装置应能可靠地动作，断绳保 护装置产生的制动力应不小于被制动部分全部载荷的1.25倍，同时，在安全规 范5.1条中还要求安全装置应具有不依赖其他动力、独立可靠地工作的性能。 目前，钢丝绳提升式施工升降机安全防坠器按制动形式不同，大致分为滑 楔式、偏心轮式及销式三类。 2.6.1滑楔式安全防坠器

28、 滑楔式安全防坠器结构示意图如图2.9所示，它主要由动滑楔、定滑楔及控 制系统组成。其制动原理为：当控制机构将动滑楔向上推动时，动滑楔相对定 滑楔产生水平位移，动滑楔与导轨接触后产生摩擦力，摩擦力阻滞动滑楔随吊 笼一起下滑，而此时动滑楔与定滑楔相对水平位移继续增大，导致动滑楔与导 轨摩擦力也继续增大，直至制动为止。 这类安全防坠器制动快捷迅速，平稳冲击小，但对动滑楔的制作精度、导 轨的直线度和平整度要求较高。 1.滑轨 2.动滑楔 3.定滑楔 4.控制机构 图2.9滑楔式安全防坠器 2.6.2偏心轮式安全防坠器 1.滑轮 2.滑轮架 3.向滑轮 4.钢丝绳 5.偏心轮 6.导轨 7.弹簧 图2

29、.10偏心轮式安全防坠器 偏心轮式安全防坠器结构如图2.10所示，它的制动机构由偏心轮机构组成， 其制动原理为：当控制机构将偏心轮向上旋转后，偏心轮与滑轨接触，产生摩 擦，随着吊笼继续下滑，偏心轮继续旋转，由于偏心的原因，偏心轮对导轨的 正压力增大，摩擦力也继续增大，直至制动为止。这类安全防坠器的制动迅速 平稳，但对偏心轮制作精度、滑轨的直线度和平整度要求较高，加工难度大。 2.6.3销式安全防坠器 销式安全防坠器机构如图2.11所示，它的制动器由销机构组成，其制动原 理为：当控制机构将销弹出后，根部卡在吊笼横梁上，端部卡在塔身横杆上而 制动。这类安全防坠装置制动时间短，结构简单，比较经济实用

30、。但销对塔身 横杆由于消耗重力功和惯性动能而产生很大冲击，故要求滑销、吊笼横梁和塔 身的强度较高。 1.滑轮 2.滑轮架 3.导向滑轮 4.钢丝绳 5.弹簧 6.吊笼横梁 7.卡销 8.塔身横杆 图2.11销式安全防坠器 2.6.4技术指标要求 制动时间与制动距离是安全防坠器最为重要的性能指标，根据施工升降 机规范 ，设定具体的设计指标参数为： 制动时间：t0.5 ；s 制动距离：s0.1。m 在满足以上两个设计指标的同时，应尽量提高安全防坠器的可靠性。同时， 还应该考虑到如何简化机构，使其便于安装调试。 2.6.5安全防坠器总体方案的制定 通过对现有制动形式的研究与分析，这里安全防坠器采用了

31、瞬时式楔块制 动。该安全防坠器主要由驱动机构、传动机构和制动机构三部分组成。 1驱动机构 驱动机构是当提升钢丝绳断裂时安全防坠器动作的动力源。 它的形式有电动、液压、气动，还可以采用弹簧、人工控制形式。对于驱动机 构的设计，应尽量使其结构简单、动作灵敏，并根据实际情况合理地选用驱动 形式。这里采用弹簧作为安全防坠器的驱动机构； 2传动机构 传动机构的作用是实现由发动机构到制动机构之间运动的传 递，其形式有很多种，这里设计的传动机构主要由连杆构成，这是因为连杆机 构具有传动准确、工作灵活可靠，便于安装调试的优点； 3制动机构 制动机构的作用是当升降机发生故障时，在驱动机构的带动 下完成对载货台的

32、制动，安全防坠器制动机构形式的选择取决于提升设备的形 式和布置方式以及轨道的形式。轨道一般分为软性轨道和刚性轨道，软性轨道 主要是钢丝绳。升降机采用钢丝绳提升载货台，轨道采用刚性轨道，材料为冷 拉钢板。由于导轨表面的光滑度，以及导轨与塔身之间的连接板都会影响载货 台的上下运动，因此为了防止载货台在上下运动过程中出现被卡、搁的情况， 将制动楔块做成非封闭的形式。采用双向制动机构，该机构有两个相对的动滑 楔，布置在导轨两侧，两个动滑楔由导轨两侧等距抱紧。动滑楔与导轨表面相 接触，具有承载能力大，制动准确，工作可靠的优点。 结构原理如下： 1滚轮 2动滑楔 3垫铁 4u型螺栓 5拉臂支架 6拉臂 7

33、活动板 8立柱面 9弹簧 10拉杆 11提升滑轮 图2.12 载货台断绳保护装置工作原理示意图 2 27 7 货叉机构模块货叉机构模块 货叉机构是有轨巷道堆垛机主要工作机构，货叉机构安装在载货台上，能 够双向伸出，以便向货格存取货物。货叉机构主要有上叉、中叉、下叉、叉轨、 导向轮组和链传动机构等零部件组成。由于要求在设计货叉时，其本身的长度 要小于堆垛机运行巷道的宽度，以防止小型有轨巷道堆垛机在运行过程中与巷 道两边的货架发生碰撞；在货叉进行存取货物时，货叉的行程又要远远大于巷 道的宽度，来完成货物的存取。因此，货叉在结构上设计成行程倍增结构，来 满足货叉功能要求。通常行程倍增结构采用三级直线

34、差动式货叉机构，传动方 式采用齿轮齿条式或链轮链条式。图2.13是齿轮齿条式传动的货叉机构的结构 图。 这种结构的货叉工作原理是电机驱动齿轮旋转，通过齿轮齿条啮合传动驱 动中叉运动，安装在上叉上的链轮链条机构在中叉的驱动下，推动上叉运动。 由于安装在上叉上链轮链条机构相当于一组动滑轮机构，实现了行程和速度的 倍增。 图 2.13 齿轮齿条式传动的货叉机构的结构示意图 3 3 有轨巷道堆垛机基型产品设计有轨巷道堆垛机基型产品设计 3.13.1立柱模块设计立柱模块设计 目前，在设计堆垛机的立柱时，主要是依据德国工业标准（din15350 1992）中的巷道堆垛机钢结构计算规范，采用此规范中的经验公

35、式来计算、校 核。结合规范的说明和厂家产品的特点，在计算和校核堆垛机立柱强度和刚度 的时候，可以根据下面三个公式来计算。图3.1是堆垛机受力结构简图。 图3.1 堆垛机受力结构简图 图中变量的意义如下： 立柱的质量()： kg 柱 g 货物的质量()：kgq 货叉的质量()： kg 叉 g 载货台的质量()： kg 台 g 起升装置的质量()： kg 升 g 行走电机的质量()： kg 行 g 司机室和断绳保护装置的质量()： kg 司 g 堆垛机的整机高度()：mmh 载货台下边到上横梁的距离()：mmh 两行走轮的之间的间距()：mmb 货叉、货物重心到导轨中心线的间距（）：mm 1 l

36、司机室和断绳保护装置重心到导轨中心线的间距()：mm 2 l 载货台到导轨中心线的间距()：mm 5 l 载货台导轮压力()：np 载货台导轮间距()：mms 立柱的刚度是以载货台满载位于立柱最高位置时，顶端在巷道纵向平面内 的挠度来表征。设计挠度应小于许用值，即， ff （为立柱高度） 。当载货台升至立柱最高位置时，各种载荷 1000 2000 hh f h 位置及结构尺寸如图 3.1 所示。载货台通过一对滚轮作用在升降导轨上的力为： (3.1)n lglglgqs p2650 )( 1 321 台司叉 可以认为，立柱在距顶端截面上受力矩的作用，即hm (3.2)mn lglglgq psm

37、 1325 )( 1 321台司叉 立柱在力矩作用下，端部产生的水平位移主要由三部分组成：mf 在作用下，立柱端部的水平位移；m 0 f 在作用下，下滚轮处截面转角引起的顶部水平位移=；m 1 1 f 1 h 下横梁和立柱联接处截面转角引起的立柱顶部水平位移=； 2 2 f 2 h 即=+。f 0 f 1 f 2 f (1)的计算(图3.1) 0 f 由外载荷弯矩图和单位载荷弯矩图 进行图乘得： p m 1 m =+ 0 f)( 2 1 )( 1 hhhhm ei 柱 3 2 2 1 3 2 2 1 1 2 2 22 1 1 m b b hb b b m b b hb b b ei 梁 =1.

38、35 (3.3) 2 3 2 3 122 32b bb ei mh hh ei m 梁柱 ）（mm 式中 立柱截面垂直纵向平面轴的惯性矩，=22400 柱 i 柱 i 4 cm 下横梁截面垂直纵向平面轴的惯性矩，=11600 梁 i 梁 i 4 cm 材料弹性模量，=2.11011eepa 图中 立柱顶部水平位移的单位力p 立柱截面转角的单位力偶m （2）的计算（图3.2） 1 f 图3.2 堆垛机计算简图 由和单位载荷弯矩图进行图乘得： p m2m =+ 1 )( 1 hhm ei 柱 3 2 2 1 3 2 2 1 1 221 3 2 1 m b b b b m b b b b ei 梁

39、= (3.4) 2 3 2 3 1 3b bb ei m hh ei m 梁柱 ）（ 而=0.32 (3.5) 1 f 1 h 2 3 2 3 1 3b bb ei mh hh ei mh 梁柱 ）（mm (2)的计算 2 f 图3.3 下横梁计算简图 为求，单独取下横梁为研究对象，其计算简图如图3.3，图中为下横 2 f 0 g 梁支承的上部总重量。可用下式表示： (3.6) 升行柱司台叉 ggggggqg 0 由外载荷弯矩图和单位载荷弯矩图图乘可得立柱和下横梁联接面转 p mm 角： 2 = 2 3 2 2 1 3 2 2 1 1 1 10 212 20 21 b b bg b bb b

40、b bg b bb ei 梁 = (3.7)( 3 2 1 2 2 210 bb b bb ei g 梁 而 = (3.8)hf 22 )( 3 2 1 2 2 210 bb b bb ei hg 梁 立柱一般位于下横梁跨中附近，即，加之下横梁的截面设计总尽量 1 b 2 b 避免出现明显的下挠，所以由下横梁变形引起的挠度f2常忽略不计。 载货台升至最高位置时，立柱顶部总挠度可按下式计算： (3.9)mmfff67 . 1 10 3.23.2 行走机构模块行走机构模块 行走机构模块主要包括主动行走轮组、被动行走轮组、下横梁和缓冲器； 基本功能是以一定的速度安全可靠地完成物料在水平方向上的运动。

41、主动行走 轮组和被动行走轮组结构基本相同，因此，主要对主动行走轮模块进行设计。 3.2.1主动行走轮直径的确定 为了选择行走轮，应考虑以下因素以确定其直径：(1)行走轮上的载荷；(2)制 造行走轮的金属材料；(3)轨道形式；(4)行走轮转速；(5)机构工作级别。 行走轮直径主要根据疲劳计算轮压选取，其计算公式为 (3.10) 3 2 minmax cc f rr f 式中 疲劳计算轮压()； c fn 堆垛机正常工作时行走轮的最大轮压()； max rn 堆垛机正常工作时行走轮的最小轮压()； min rn 行走轮许用轮压()。 c fn 表3.1 由车轮转速决定的转速系数值 1 c 转速 m

42、in/r 16012511210080635650 1 c 0.720.770.790.820.870.910.920.94 表3.2 由工作级别决定的的值 2 c 工作级别 13mm4m5m6m79mm 2 c 1.251.121.000.90.8 表3.3 由材料抗拉强度决定的值 1 k 抗拉强度 )/( 2 mmn b 500600650700780 1 k 3.85.66.06.67.2 注：（1）钢制车轮一般应经热处理，在确定许用的值时，仍取材料未经热处理时的。 1 k b （2）当车轮材料采用球墨铸铁时，值按=500选取。 1 k b 2 /mmn 其行走轮疲劳计算轮压计算公式为

43、(3.11) 121 dlkccfc 式中 转速系数(按表3.1选取)； 1 c 工作级别系数(按表3.2选取)； 2 c 行走轮直径()；dmm 行走轮与轨道接触的有效长度()；lmm 与行走轮材料有关的许用接触应力常数(按表3.3选取)。 1 k 选车轮直径=250，工作等级为5，速度为40，轮宽b=100dmmmmin/m ，车轮材料选用65mn，b=735，可知：=0.72，=1.00，=100mmmpa 1 c 2 cl ，=7.0，得mm 1 k =1250004506000，所以安全。 121 dlkccfcnn 3.2.23.2.2 行走轮轴的设计行走轮轴的设计 在零件的定位和

44、装配方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段所需的直 径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，可按照轴所受的扭矩初步估 算轴所需的直径将初步求出的直径作为承受扭矩的轴的最小直径，然后 min d 再按轴上零件的装配方案和定位要求，从而确定各段轴的直径。 对有伸出端的轴（输入、输出轴） ，最小直径为装联轴器的轴头直径。 min d 对中间轴为装轴承的轴颈直径。轴的最小直径的计算分两种情况来考虑。 min d (1)心轴 心轴是仅受弯矩作用的轴，强度计算公式 (3.12) 1 . 0 3 d m w m 式中 心轴计算截面的工作弯曲应力()；mpa 心轴计算截面的弯矩()；mmmn 计算截面的截

45、面模量，；w 33 1 . 0 32 ddw 许用弯曲应力()。mpa (2)转轴 转轴是既受弯矩又受到扭矩作用的轴，按当量弯矩计算，其当量应力为 (3.13) 10 1 3 2 1 2 1 d atm e 式中转轴计算截面的当量工作应力()； e mpa 转轴计算截面的合成弯矩()；mmmn 转轴计算截面的扭矩()；tmmn 轴的直径()；dmm 根据扭转剪应力变化性质而定的校正系数；a 许用疲劳应力()。 1 mpa 对有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径，为了装拆方便，并减少配合 表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。 3.2.33.2.3 行走电机的选择行走电机的选择 堆垛机的自重

46、=30000，货物重量=5000，行走速度 1 wn 2 wn ，滚动阻力系数=0.02，动力传动效率=0.8，行走smmv/67 . 0 min/40 阻力=700。)( 21 wwrn 最高时速时需要动力： =7001/0.8=875，为了安全起见，/rvp w 选用电机功率为2.2。kw 选择电机：yej112m-6 2.2kw 型号功率()kw转速()min/r 转动惯量( ) 2 mmkg yej112m-62.29400.07639 3.2.43.2.4 缓冲器的选择缓冲器的选择 堆垛机在运动过程中控制系统失控时，就会和巷道口的机械装置发生碰撞， 为了减小碰撞时对堆垛机造成的危害，

47、在堆垛机上的下横梁两端安装了缓冲器。 缓冲器主要用来吸收发生碰撞时所产生的能量，缓冲器的缓冲容量按下式计w 算： =(+) /(29.81)=6 (3.14)w 0 g 1 g 0 vmkn 式中 缓冲器缓冲容量()；wmkn 碰撞瞬时速度()； 0 vmin/m 堆垛机自重()； 0 gkg 额定起重量()。 1 gkg 选择：ht3-630 型号 参数 缓冲容量/w mkn 缓冲行程/s mm 缓冲力/ 1 pkn重量重量/ /kn ht3-630ht3-6306.36.31501508888145.8145.8 3.33.3 升降装置的选择计算升降装置的选择计算 3.3.13.3.1升降

48、电机的选择计算升降电机的选择计算 货箱重量=5000，司机室、载货台重量=13000，升降速度 1 wn 2 wn ，传动效率=0.9。最高时速时需要动力：=(+)smv/15 . 0 p 1 w 2 w /=(5000+13000)0.15/0.9=3。vkw 因此，为保证安全，选择升降电机功率为5.5。kw 选择电动机为绕线型异步电动机：yz160m1-6 5.5kw 型号功率()kw转速()min/r 转动惯量( ) 2 mkg 转子绕组开路电 压()v yz160m1-65.59300.12138 yz 系列是最新设计的绕线子电动机，具有过载能力大、机械强度高、效率 高、噪声低、振动小

49、、堵转转矩高、运行可靠等特点，适用于驱动各种类型的 起重冶金机械或其它类似设备的专用产品。 3.3.23.3.2钢丝绳的选择钢丝绳的选择 钢丝绳最大静拉力： =9000 (3.15) max f a f n 钢丝绳破断拉力： =90000 (3.16) 0 f max nfn 式中 钢丝绳的破断拉力()； 0 fn 安全系数。 n 钢丝绳直径： =10 (3.17) max fcd mm 式中 钢丝绳最小直径（）dmm 钢丝绳最大静拉力（） max fn 选择系数（）cnmm/ 选择系数的取值与机构的工作级别有关，按表 3.1 选取。表中的数值是c 对钢丝绳充满系数=0.46，折减系数=0.8

50、2 时的选择系数值。kc 表 3.1 和值cn 选择系数值c 钢丝绳公称抗拉强度mpa b/ 机构工作级别 155017001850 最小安全系数n m1-m30.0930.0890.0854 m40.0990.0950.0914.5 m50.1040.1000.0965 m60.1140.1090.1066 m70.1230.1180.1137 m80.1400.1340.1289 选择的钢丝绳标记为： 18nat67+nf170058.7035.10gb/t8918-1996 3.3.33.3.3 滑轮的选择滑轮的选择 根据钢丝绳直径选择滑轮外径 d=225mm 滑轮标记为： a10225

51、-45 jb/t9005.3-1999 3.3.43.3.4 卷筒的选择卷筒的选择 卷筒上有螺旋槽部分长 =205 (3.18) pz d ah l)( 1 0 max 0 mm 单层单联卷筒长度 =+=345 (3.19)l 0 l 1 2l 2 lmm 式中 卷筒名义直径（） dmm 最大起升高度（） max hm 滑轮组倍率a 卷筒计算直径（）ddd 0 mm 无绳槽卷筒端部尺寸，由结构需要决定 1 l 固定钢丝绳所需长度，3 2 l 2 lp 绳槽槽距p 选择的卷筒标记为： a200345-613-52-左 jb/t9006.2-1999 3.3.53.3.5 联抽器联抽器 最大扭矩：

52、 =110 (3.20) 1 tktmn 式中 联轴器许用扭矩（)； 1 tmn 工作级别系数。k 选择联轴器型号为 tll1 型带制动轮弹性套柱销联轴器。 3.43.4 货叉机构模块设计货叉机构模块设计 堆垛机货叉一般采用 3 级直线差动机构，这种结构形式的货叉由动力驱动 和上、中、底 3 叉以及导向部分构成，底叉固定在载货台上，中叉可在齿轮齿 条(或链轮链条) 的驱动下，相对于底叉向两侧伸出一定距离，上叉在安装于中 叉上的增速机构的带动下相对中叉向外伸出更长的距离，实现向货位内存取货 物。 这种 3 级直线差动机构的特点是上叉相对于中叉伸出的距离为伸出行程的 2/3，而中叉相对于下叉伸出的

53、距离为伸出行程的 1/3，上叉与中叉之间、中叉 与下叉之间均有合适的导向接触长度，保证 3 层货叉伸出时的相对刚度要求。 同时，三层货叉相对运动时，采用了滚轮与滚道的纯滚动摩擦，最大限度地减 小了工作摩擦阻力。 图 3.4 为当堆垛机的货叉上叉运行到最大距离时各叉板的支承结构简图， 其中底叉固定在载货台上，中叉运行到货叉行程的 1/3 距离，此时有 2 个导向 轮支承，上叉相对于中叉运行货叉行程的 2/3，刚好也有 2 个导向轮支承，与 中叉相连。 1 底叉2 中叉3 上叉 图3.4叉板之间的支承结构 3.4.13.4.1货叉挠度的计算货叉挠度的计算 如果货叉伸出作业时，叉端挠度太大，就会影响

54、有轨巷道堆垛机正常作业， 严重时会与货架发生干涉，造成事故。因此，货叉设计的基本原则是在保证货 叉强度的前提下，使其前端挠度尽量小。假设有轨巷道堆垛机在运动过程中立 柱不发生变形，根据货叉的支承结构，做出受力分析简图如图3.5所示。 图3.5货叉机构的受力分析 图中， ， ，和分别是各支点间的尺寸，abcdefghmn ，分别是下叉、中叉和上叉的惯性矩，是材料的弹性模量。=55 1 i 2 i 3 iea ，=45， =16，=45， =8，=100，=61，=69cmbcmccmdcmecmgcmmcmn ，=126，=467.3，=969.5，=467.3，=6000 cmhcm 1 i

55、4 cm 2 i 4 cm 3 i 4 cmqn (包括货叉伸长部分重量和货箱重量在内)，弹性模数=2.11011。epa 上叉挠度计算 货叉在货物的作用下，在上叉处和处的产生支反力上叉受力和挠度变de 形简图如图3.6所示。 图3.6上叉挠度简图 由上图利用受力平衡和弯矩平衡可求得上叉支点、处的支点反力、转de 角微分方程和挠度方程，其公式分别为 = (3.21) d fq d e = (3.22) e fq d de =+ 0 (3.23) i dx d dei eqx 3 2 2 i =+ 0+0 (3.24) dei eqx 3 3 6 i 当=时，=0，=0，所以xd 0 = (3.

56、25) 0 i 3 6ei eqd 将式代入(3.25)带入到式(3.23)得处的倾角为e = (3.26) 1 i 3 6ei eqd 所以载荷在点产生的挠度为qe =(hm)=0.0048 (3.27) 1 3 3ei eqd cm 中叉挠度计算 由于载荷的作用，在支点处产生反力为，设在点的倾角为，挠度b b fc 2 i 为2。(为不变形部分的长度)如图3.7所示。h 图3.7 部分为不变形时中叉挠度简图h 由上图求出、点的支反力及段的弯矩方程分别为：bcbc = (3.28) b fq b n =+ (3.29) c fq b n q = (3.30)m b fxqx b n 则挠度曲

57、线微分方程为： = (3.31) 2 2 dx d 2 ei m bei qnx 2 所以倾角和挠度方程分别为： =+0 (3.32)i dx d bei qnx 2 2 2 i =+0+ (3.33) bei qnx 2 3 6 ix 0 当=时，=0，=0，所以有xb 0 = (3.34) 0 i 2 6ei qnb 把式（3.34）代人到式(3.32)和(3.33)得，当=时的倾角和挠度分别为：xb = (3.35) 2 i 2 3ei qnb =0.0378 (3.36) 2 2 3ei qnhb cm 把段看成刚性，点作为固定端考虑，如图3.8所示，设载荷在中叉产bcq 生的反力为和

58、，这些反力在前叉产生的倾角为和 ，挠度为和。 d f e f 0 i 1 i 0 1 图3.8 c点为固定时中叉挠度简图 产生的货叉前端产生的倾角和挠度为： d f = (3.37) 3 i 2 2 2 )( ei mhpd dei qec 2 2 2 =0.03 (3.38) 3 )(3 6 2 2 2 cmh dei qec cm 其次产生的货叉前端产生的倾角和挠度为： e f = (3.39) 4 i dei qmde 2 2 2 )( =0.26 (3.40) 4 )(3 6 )( 2 2 2 mmh dei qmde cm 下叉挠度计算 假设为不变形部分，则载荷在段产生的作用反力为和

59、，在点 5 lqb b f c fc 产生的倾角为，产生的挠度为，如图3.9所示。 5 i 5 图3.9下叉挠度简图 同理根据受力平衡和弯矩平衡可求得下叉各支点的反力以及各反力产生的 倾角和挠度，其计算公式分别为： = (3.41) b fq ba n = (3.42) c fq ba n q = (3.43) 5 i gei gaabfb 1 6 )( =0.0756 (3.44) 5 h gei gaabfb 1 6 )( h gei qgana 1 6 )( cm 因此，假设载货台和立柱为刚性时，货叉前端的总挠度为货叉上、下、中 叉的总和，分别为 =+=0.33 (3.45) 1 2 3

60、 4 5 cm 即总挠度=3.3，货叉在叉取货物时的最大挠度一般规定不超过mm 15，因此货叉是安全的。mm 3.4.23.4.2货叉机构设计计算货叉机构设计计算 轮齿的受力计算 齿轮齿条传动是齿轮传动的一种特殊形式，它可以完成机构的直线运动。 根据电机输出的功率和齿轮的转速可求出齿轮轴的转矩。 (3.46) 1 1 5 1 105 . 9 n p t 设沿啮合线作用在齿面上的正压力，把正压力分解成圆周力与径向 n f n f t f 力，则有 r f (3.47) 1 1 2 d t ft (3.48) cos 2 cos 1 1 d tf f t n (3.49)tgff tr 其中为齿轮