自动化立体仓库堆垛机设计概要

1、中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 1 目 录 第 1 1 章绪论 . 1 1 第1.1节研究的背景与内容 . 1 1.1.1 概述 . 1 1.1.2有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 . 2 1.1.3有轨巷道堆垛机的类型 . 3 1.1.4巷道堆垛机的特点 . 5 第1.2节设计的目的和意义 . 6 第1.3节设计的内容及要求 . 6 第1.4节设计参数 . 7 第 2 2 章总体设计方案的确定 . 8 8 第2.1节 堆垛机三维运动速度的确定 . 9 第2.2节堆垛机各个部分的方案选择 . 9 2.2.1堆垛机起升机构传动方式的选择 . 9 2.2.2堆垛机行走机构传动方式的选择 . 1

2、0 2.2.3堆垛机机架的设计思路 . 11 2.2.4堆垛机货叉的设计思路. 11 2.2.5堆垛机安全方案的确定 . 14 2.2.6堆垛机电控部分的设计 . 14 第2.3节 堆垛机的技术参数 . 15 第2.4节堆垛机的技术要求 . 16 第 3 3 章堆垛机起升机构的设计 . 2222 第3.1节起升机构的总体选型 . 22 第3.2节卷筒的设计 . 26 3.2.1卷筒部件计算 . 26 3.2.2齿轮连接盘的计算 . 31 第 4 4 章堆垛机行走机构和机架的选型设计 . 3535 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 2 第4.1节 堆垛机行走机构的选型设计 . 35 第4.2

3、节 堆垛机机架的选型设计 . 38 第 5 5 章堆垛机货叉的设计 . 3939 第5.1节 货叉传动装置的总体选型 . 39 第5.2节货叉传动齿轮、齿条的计算 . 39 第5.3节货叉传动链轮、链条的设计计算 . 43 第5.4节制动器的制动容量的设计 . 45 第 6 6 章堆垛机安全装置 . 4747 第6.1节防撞保护装置 . 48 第6.2节钢丝绳断绳保护装置 . 48 第 7 7 章堆垛机电控部分设计 . 4949 第7.1节电器控制系统 . 50 7.1.1可编程控制器的结构及各部分的作用 . 50 7.1.2可编程控制器的工作原理 . 52 7.1.3可编程控制器的主要功能和

4、特点 . 54 第7.2节电器传动系统 . 55 7.2.1常用变速系统 . 55 7.2.2变频器的分类 . 56 7.2.3变频器的特点 . 60 第7.3节电控原理 . 60 第 8 8 章总结 . 6262 参考文献 . 6363 翻译 . 6464 致谢 . 8383中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 1 第 1 章绪论 第 1.1 节研究的背景与内容 1.1.1概述 随着生产力的发展，生产规模的扩大和产品结构的调整，客观上 要求作为工业企业物资供应基地的物资仓库进行改建或扩建。 但由于现 有工业企业的用地受到限制，物资仓库用地难以扩展，所以只能充分挖 掘潜力，有效利用现有库区面积

5、，并向空间发展，向空间要货位。其主要 途径是变单层库房为多层库或立体库。我国自 70年代以来多层库有了 较快的发展，立体库也有一定的发展。根据我国的实际情况 ，从今后的 发展趋势看，多层库和立体库都会继续得到发展。并且，随着企业生产 与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对 企业提高生产率，降低成本非常重要。 自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用率 高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓 库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点，对加快物流速 度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，已开始应用于汽车、 电子、医药、烟

6、草、建材、邮电等许多行业。而堆垛机对立体仓库的出 人库效率有重要影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关 键设备之一。 有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起 重机，是在高层货架的窄巷道内作业的起重机，通常简称为堆垛机。堆 垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备， 可大大提高仓库的面积和空 间利用率，是自动化仓库的主要设备，是代表立体仓库特征的标志。堆 垛机的功能是堆垛机接受计算机指令后，能在高层货架巷道中来回穿 梭，把货物中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 2 从巷道口出人库货台搬运到指定的货位中， 或者把需要的货 物从仓库中搬运到巷道口出人库货台， 再配以相应的转

7、运、输送设备通 过计算机控制实现货物的自动出人库。 在立体仓库中的搬运设备有高位 叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨巷道式单双立柱堆垛机。有轨巷 道式双立柱堆垛机由于效率高， 高度可达30-40 m便于实现无人操作， 行走稳定，载货量大，噪声小，在目前的立体仓库中得到广泛应用。 1.1.2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口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，物流在经济活动中的作用越来越受 到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长。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”。物流实验室的建设正

8、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。 另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的 物流过程，研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法， 许多物 流研究中心业纷纷建立起来。山东大学现代物流控制实验中心是目前我 国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选 控制和机器视觉

9、的综合研究和开发应用方面目前处于国内领先地位。 图 1. 1是研究中心的小型仓储系统中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 3 1.1.3有轨巷道堆垛机的类型 有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分 类，一般可分为以下几种类型： (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，

10、并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平 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运行速度较高的立体仓库中, 其缺点是自重较大。其结构如图1.2所示 图1.2双立柱有轨巷道堆垛机 图1.1小型仓储系统 1中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 4 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

11、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。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。其 结构如图1.3所示。 (2) 按支承方式分类，有轨巷道堆垛机分为悬挂型和地面支承型。 悬挂型有轨巷道堆垛机 悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行， 其运行机构 安装在堆垛机门架的上部。在地面铺设导轨，使门架下部的导向轮以一 定的间隙夹在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹。悬 挂式堆垛机有如下优点：在设计门架时，可以不考虑横向的弯曲强度， 钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小，稳定所需的时间短 ； 其缺点是维修和检查不方便。

12、 地面支承型有轨巷道堆垛机 堆垛机的运行轨道铺设在地面上，堆垛机用下部行走轮支承和驱 动，上部导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动。和悬挂型有轨巷道堆垛机 相比，这图1.3单立柱有轨巷道堆垛机 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 5 种堆垛机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度，因此，需要 加大立柱在行走方向截面的惯性矩。 由于驱动装置均装在下横梁上，容 易保养和维修。 (3) 按其运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛 机。 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速 运行，能够满

13、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。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。 本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱，支承方式为地面支承型， 并且其运行轨迹为直线型巷道堆垛机。 1.1.4巷道堆垛机的特点 由于使用场合的限制，巷道堆垛机在结构和性能方面有以下特 占： 八、 (1) 整机结构高而窄，其宽度一般不超过储料单元的宽度，因此限制了 整机布置和结构选型。 (2) 金属结构件除应满足强度和刚

14、度要求外，还要有较高的制造和安装 精度。 (3) 采用专门的取料装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。 (4) 各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确。 (5) 配备可靠的安全装置，控制系统应具有一系列连锁保护措。 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 6 第 1.2 节设计的目的和意义 仓储自动化建设是一项系统工程，物资储运作业自动化是其重要的 内容。实现仓库物资储运作业自动化，仓储机械设备、设施及管理、信 息、人才系统配套、协调发展是重要的发展趋势。 通过引入计算机、自动控制技术和人工智能等高新技术对仓储机械 的技术该做，仓储机械的技术性能将较大提高。载重量大、机动性强、 操作方便、可维修性

15、好的叉车、无人叉车、牵引车、托盘运输车、堆高 车、堆垛机、码垛机、管道输送机、带状输送机、自动拣选机等先进的 装卸搬运机械设备将广泛应用于仓储系统。 本设计通过设计用于仓储货架的堆垛机，完成堆垛机水平行走机 构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备的设计，能及时、 准确地把物品自动送到指定位置，从而加深对堆垛机的认识与了解。 第 1.3 节设计的内容及要求 有轨巷道堆垛机的内容包括： 第一，分析、论述目前堆垛机堆垛的原理、方法，堆垛机的设计思 路，探讨各种解决途径。 第二，论述本设计采用的方法、原理及可行性，进行结构设计、运 动学计算和强度计算。 第三，堆垛机的工作方式及货物识别控制原理

16、。 第四，绘制堆垛机总装图和主要零部件图及控制电气原理图。 有轨巷道堆垛起重机的设计要求包括： 1, 结构简单、操作方便。 2, 堆垛方式准确可靠。 3, 结构紧凑坚固，使用维护方便，外形美观。 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 7 第 1.4 节设计参数 立体仓库为8巷道16排40列7层 堆垛机总高度：8m总长度：3.1m 总宽度：1m 堆垛机额定起重量300kg 行走最大速度130m/mi n(2.2m/s) 升降最大速度 30m/min(0.5m/s) 货叉速度 9m/min(0.15m/s) 加减速度：升降0.6 m/s2 行走0.6 m/s2 伸缩0.2 m/s2 货架上下7层，

17、层高1100mnm/s2 货架每层40格，格宽900mm 货箱尺寸：长x宽乂高=600 x 500 x 800mm 货格尺寸：长x宽乂高=900 x 600 x 1100mm 宽度方向为货叉叉取方向中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 8 第 2 章总体设计方案的确定 为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出人库，必须满 足以下设计要求：(1)具备三维运动功能，即堆垛机沿巷道来回运动、载 货台垂直运动、货叉沿货架方向双向伸缩；(2)满足一定的定位精度， 重复定位精度误差不能超过 10 mm; (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分的重量，以

18、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。 堆垛机的组成: 图2.1 有轨巷道式双立柱堆垛机 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 9 1.天轨2.天轨导向轮3.上横梁4.立柱5.链轮6.载货台导向 轮7.载货台顶轮8.电器柜9.轮系10.地轨11.下横梁12.电 机13.卷筒14.减速器15.载货台16.货叉17.载货台立板 第 2.1 节 堆垛机三维运动速度的确定 (1) 行走速度的确定：40 x 900=36000mm=36m 行走加速度为 0.6m/s2 最优行走速度为 0. 36 0. 2.324m/ 139.43m/ min，取为 130m/min (

19、2) 升降速度的确定货 架高度为 7X 1100= 7700mm=7.7m 最优升降速度为77 139 = 29.7m / min，取为30m/min,即0.5m/s 36 (3) 货叉速度的确定： 货叉伸缩长度为0.46m=460mm伸缩加减速度为 0.2m/s2 最优伸缩速度为 0.5.0.46 0.2 =0.15m/s =9.1m/min，取为 9m/min 取微升降高度为8mm 第 2.2 节 堆垛机各个部分的方案选择 2.2.1堆垛机起升机构传动方式的选择 巷道式堆垛起重机的起升机构是使载货台垂直运动的机构， 主要由 电动机、制动器、减速器、卷筒或链轮以及相应的柔性件组成。电动机 通

20、过减速器带动柔性件使载货台升降。常用的柔性件有钢丝绳和起重链 两种。链条传动的缺点是自重量大，有可能突然断裂，不安全，因而本 传动机构选用钢丝绳，钢丝绳的优点是质量轻，使用安全，工作噪声低， 便于维护保养等等。 在堆垛机特殊的工作环境下，为了使起升机构结构紧凑，本设计使 用带制动中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 10 器的电动机。这种电动机具有锥形转子，通电时，转子在磁拉 力作用下产生一定的轴向位移，使尾部的锥形盘式制动器同时打开。断 电时，磁拉力消失，制动器在弹簧作用下又重新上闸，使电动机很快地 停住。起升机构的位置布置在堆垛机的下部，位于立柱外侧。 联轴器选用梅花形弹性联轴器，此联轴器

21、是由带突爪的形状相同的 两个半联轴器和梅花形弹性元件组成，将梅花形弹性元件置于两个半联 轴器的突爪之间以实现联结。联轴器工作时，梅花瓣受压。单向运转时 只有半数花瓣参与工作，半数不承载；反向运转时，亦是如此。此联轴 器具有结构简单，零件数少，径向尺寸小，不需润滑；弹性块受压，承 载能力较高等特点。 减速器选用JZQ型减速器，它是特为起重机设计制造的低硬度齿面 的减速器，制造工艺较容易，有很多中小型厂均有现成产品供货。卷筒 为与减速器配合的自制卷筒，通过齿轮连接盘与减速器的低速轴齿轮轴 端相连。此卷筒的特点是卷筒轴不受转矩，只承受弯矩，为封闭式传动， 不易受外界环境干扰。 钢丝绳的一端固定在卷筒

22、上，另一端固定在机架的上横梁上，钢丝 绳通过安装在立柱上的定滑轮导向，带动安装在载货台上的两个动滑轮 使载货台升降。 2.2.2堆垛机行走机构传动方式的选择 堆垛机的行走机构是堆垛机水平运行的驱动装置。一般由电动机、 联轴器、制动器、减速箱和行走车轮组成。本设计选用三合一减速器， 把突缘电动机、盘式制动器和减速器做成整体，选用标准件，提高了系 统的可靠性。采用带平衡架及水平轮的车轮组，平衡架使两个车轮的轮 压相等，车轮为无轮缘圆柱车轮，是为了避免车轮在运行时轮缘啃轨， 同时为了防止出轨在轨道两侧加水平导向轮。 本传动系统为地面支承式，三合一减速器和车轮组安装在堆垛机下 横梁下方起支承和驱动作用

23、，上部用导向轮运行在工字钢的下翼缘上来 防止堆垛机倾倒或摆动。由于驱动装置装在堆垛机下下部，容易维修保 养。 223堆垛机机架的设计思路 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 11 上横梁是由四块钢板焊接而成的箱形结构， 其与立柱间通过焊接联 结在一起。 立柱由角钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面， 具有抗扭、抗弯刚度 大，重量轻，耐磨性好等特点。 下横梁也是由四块钢板焊接的箱式矩形断面， 具有较大的抗扭、抗 弯刚度。下横梁与立柱间通过焊接联结在一起。 2.2.4堆垛机货叉的设计思路 货叉装置是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上。本机构 采用二级直线差动式伸缩货叉，由上叉、下叉及起导向作用的

24、滚针轴承 等组成，以减少巷道的宽度，且使之具有足够的伸缩行程。 由于存取货物时货叉伸出的距离已经超过本身的长度， 所以货叉为 级伸缩装置，下叉固定在载货台本体上，起支承作用，上面的上叉叉取 货物。 货叉的伸缩可以采用齿轮齿条传动或者链轮链条传动， 本设计采用 齿轮齿条传动，齿轮齿条传动具有结构简单，传动关系清晰等优点。 货叉装置采用二级直线式伸缩货叉，叉体体积小、刚性大，且具有 超载保护功能。 货叉主要由电动机、联轴器、减速器、链轮链条传动装置、齿轮齿中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 12 条传动装制、下叉、上叉和滚针轴承等组成。 图 2.1 货叉结构示意图 1.上叉叉板 2.上叉活动导轨

25、 3.上叉支承板 4.上叉挡板 5.上叉齿 条板 6.滚针轴承 7.下叉立板 8.下叉底板 9.轴承支承板 10.传 动轴11链条12.减速器 13.联轴器 14.传动齿轮 15.电动机 16. 下叉挡板 结构示意图如上图2-2所示。上叉由上叉叉板、上叉支承板、上 叉齿条板组成，上叉叉板直接承载货箱，为了防滑选用花纹钢板，上叉 支承板则安装有支承上叉的四个滚针轴承， 使上叉相对于中叉运动，上 叉齿条板下方焊接有齿条，由装在中叉连接板上的双啮合齿轮传递动 力。中叉由中叉活动导轨、中叉连接板、中叉齿条板组成，中叉活动导 轨支承在四个滚针轴承上，四个滚针轴承分别装在下叉立板和下叉支承 板上，中叉连接

26、板则把中叉齿条板、中叉活动导轨和双啮合齿轮连接起 来，中叉齿条板下方焊接有齿条，通过传动轴上的齿轮传递动力。下叉 由下叉支承板、下叉立板、下叉齿条板和下叉底中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 13 板组成，下叉支承板下 部安装有滚针轴承，支承起传动轴，上部安装有支承中叉活动导轨的滚 针轴承，下叉立板也安装有支承中叉活动导轨的滚针轴承，下叉齿条板 的顶部装有齿条，提供与双啮合齿轮啮合的下齿条，下叉底板则是整个 货叉的支承板，其上固定有电动机、减速器、下叉立板、下叉齿条板、 下叉支承板和双向挡板。焊接在下叉底板上的双向挡板则限制货叉的极 限伸缩位置。 整个货叉的传动原理是，电动机通过联轴器、减速

27、器减速把动力传 递给减速器轴端的链轮，轴端链轮通过链条把动力传递给传动轴，传动 轴上的链轮和减速器轴端的链轮一样大，链轮链条传动比为 1。安装在 传动轴轴端的齿轮通过中叉齿条板把动力传递给中叉， 使中叉以一定的 速度相对于下叉运动， 而安装在中叉连接板上的双啮合齿轮以中叉速度 与中叉一起运动，双啮合齿轮下面与下叉齿条板上的齿条啮合，上面与 上叉齿条板上的齿条啮合，下叉齿条板不动，那么上叉齿条板则以二倍 于中叉的速度向前运动。 当电动机反向时中叉与上叉则反方向运动， 从而实现货叉的双向存 取货物。焊接在下叉底板上的双向挡板与焊接在中叉连接板底部的双向 挡板配合使用，当货叉运行到极限位置时上、下双

28、向挡板相碰，从而使 货叉停止运动。联轴器为限力矩联轴器，当力矩超过设定值时，联轴器 内部的钢珠打滑，从而保护货叉受到破坏，提高系统的安全性。 本货叉传动系统除了电动机、联轴器和减速器安装在货叉左侧以 外，基本为对称布置，左半部分相当于左货叉，右半部分相当于右货叉， 这样链轮链条传动布置于货叉中间，从而提高系统的平稳性。 225堆垛机安全方案的确定 为了保护人身、设备和货物的安全，堆垛机必须具有完善的安全保 护措施： （1） 堆垛机在行走、载货台升降和货叉伸缩终端处都设有机械和 电气限位装置。 （2） 货物检测载货台上设有货物超高、超长和超宽检测装置。在 货物进中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文

29、） 14 入载货台时，当检测到货物超过设定高度、长度或宽度时，堆垛 机便停止运行并报警。一般允许误差为 30一 40 mm,检测元件采用对 射或反射式光电传感器。 （3） 载货台上还设有检测货叉是否回位、货叉上有无货物和货位 中有无货物的装置。如货叉没有回位，堆垛机不能水平运行 ；如货叉上 已有货物，则不能再取货；人库时，必须检测货位中有无货物，以避免 发生事故。 （4） 断电保护如载货台升降过程中忽然断电，则通过提升电机制 动使载货台停在当前位置，不会掉落下来。 （5） 载货台断链保护提升链条通过压簧与载货台相连，当链条由 于长时间使用或意外原因忽然断裂时， 弹簧弹开链条，检测装置检测到 链

30、条时，便驱动相应装置使载货台停在当前位置，不至于掉下来，同时 整个堆垛机停止运行。 2.2.6堆垛机电控部分的设计 巷道式堆垛起重机电气设备主要包括电气传动和控制设备。 电气传动设备采用变频调速，具有较好的调速性能。 控制设备采用可编程序控制器，具有可靠性高，抗干扰能力强等特 点。 第 2.3 节堆垛机的技术参数 堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用， 将直接影响到整座立体仓库的运行效率和经济效益。合理的选择各项参 数，将大大提高整个系统的运行效率和经济效益。我国现阶段立体仓库 中，堆垛机技术参数的选用上，和世界先进水平相比，存在着较大的差 别。 （1） 堆垛机的速度参数。

31、与堆垛机的速度有关的参数，主要指水 平运行速度、起升速度和货叉伸缩速度。这三项参数的高低，直接关系 到出入库频率的高低。 （2） 堆垛机的尺寸参数。堆垛机的尺寸参数较多，例如起升高度、 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 15 下降深度、整机全长、最低货位极限高度等。其中最低货位极限高度， 即货叉上表面从最低一层货格的低位到地轨安装水平面的垂直距离。 该 参数涉及合理利用有效空间，增加库容量，亦是评价堆垛机设计水平的 标准之一。目前，国内立体仓库堆垛机的最低货位极限高度普遍偏高。 （3） 堆垛机的货叉下挠度。货叉下挠度，是堆垛机的一项非常重 要的性能参数，直接关系到堆垛机是否能正常工作。因结

32、构型式、材料 及加工热处理工艺的限制， 同等状况下， 目前国内立体堆垛机的货叉下 挠度要比国外大20%30%改进货叉结构，合理选材，提高工艺手段， 是减少货叉下挠度，保证堆垛机工作性能的重要措施。 （4） 堆垛机的噪音。 堆垛机在高速运行和升降中， 特别是在同时 进行时，由于车轮与轨道摩擦和提升链条或钢丝绳的振动、摩擦等，将 产生较大的噪音。标准中规定，堆垛机在工作时，其噪声值不高于 84 分贝。目前立体仓库实际应用表明，对于行走速度不超过 80米/秒的， 还可以保证，超过100米/秒以上的，一般难以保证。 （5） 堆垛机的驱动机构。目前，国内立体仓库堆垛机的驱动机构 中，电机减速机普遍采用德

33、国、日本、意大利的产品，也有少数采用国 内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备、 各项技 术参数和综合性能要求都非常严格，如无故障率应大于 97%停准精度 10mm以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。 因此, 现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，建议选用国外先进的产品， 以保证堆垛机的整机性能。 （6） 堆垛机的起重量和载荷参数。包括额定起重量、总起重量、 堆垛机总重量、堆垛机设计重量和轮压。额定起重量是堆垛机的主要性 能参数、它是堆垛机允许起升的货物和托盘（或货箱）的质量的总和。 总起重量是被起升的货物，托盘（或货箱）、货叉、司机室、载货台、 固定在载货台上的

34、属具（包中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 16 括动滑轮组，起重钢丝绳及其它零、部件） 及人的质量的总和。堆垛机总重量是堆垛机各部分质量的总和（包括机 上电源装置、信号传输装置、控制柜、平衡重和润滑剂在内） 。堆垛机 设计重量是整机总质量中，除去润滑剂的堆垛机质量。轮压是一个车轮 传递到轨道或地面上的最大垂直载荷。按工况不同，分为工作轮压和非 工作轮压。 第 2.4 节堆垛机的技术要求 堆垛机是自动化立体仓库的心脏部分。自动化立体仓库的优越性必 须通过堆垛机才能充分体现出来。为此，堆垛机必须有严格的技术要求。 堆垛机的正常工作条件： （1） 堆垛机正常工作的环境温度范围为-540摄氏度，在

35、24小 时内平均温度不超过35摄氏度。在40摄氏度的温度条件下，相对 湿度不超过50%。温度较低时相对湿度可以高一些 （2） 堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 17 (3) 堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。 (4) 供电电网进线电源为频率是50赫兹，电压是380伏的三相交 流电，电压波动的允许偏差为一 10%。 堆垛机用的金属结构件的材质： 必须按国家规定的行业标准来选择钢材，如上横梁、下横梁、立柱 和载货台等重要构件。对车轮、齿轮、滑轮、卷筒和货叉等重要零件的 材质必须保证。 堆垛机结构件的焊接： 首先要求焊条、焊丝和焊剂必须与

36、被焊接的材料相适应。焊接坡口 应符合国家技术标准。焊接不得有明显缺陷，重要构件的主要受力部件 的焊缝质量等级不得低于 GB/T33231987中的I丨级。 对通用零部件的要求： (1) 对链条链轮的要求 堆垛机载货台频繁地上下运动主要是靠链轮和链条来完成的。 为此 要求采用短节距精密滚子链。要求链轮的齿形和公差应符合 GB/T1243 1997的规定，特别要求链轮的轮齿和凹槽不得有损伤链条的表面 缺陷。此外，必须经常润滑链条和链轮。链条强度许用安全系数不得低 于6。 (2) 对钢丝绳的要求 钢丝绳必须采用GB/T89181996中规定的圆股钢丝绳。绝对不 能把钢丝绳接长之后再用。钢丝绳强度许用

37、安全系数不得小于 6。 (3) 为了防止堆垛机停止时产生冲击和振动，必须采用缓冲器减 振 缓冲器采用橡胶、工程塑料或液压方式。要求缓冲器能承受堆垛机 以70%的额定载荷运行速度的撞击 （4） 对螺栓和螺母的要求 要求主要受力部件所用螺栓性能等级不低于 8.8级，螺母性能等级 不低于8级。要求高强度螺栓性能等级不低于10.9S级，高强度螺母性 能不低于10H级。 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 18 （5） 制造和组装要求 要求下横要求堆垛机上横梁的水平弯曲 f, ： K/1000，K为上横梁全 长。梁的水平弯曲f2 ：B/1000，B是主、从动轮轴距。按照机械工程实 际经验，只允许下横梁

38、向上拱曲，其上拱度 F :：: B/1000。 在制造中必须严格要求按照标准制造堆垛机的每一个零部件。此 外，对组装后的堆垛机框架必须严格检查各种尺寸。 要求导轨之间平行 度误差小于6mm对角线d,和d2的误差小于4mm道轨内侧C值的误差 为_3mm，两道轨同一侧面的平面度公差值在 4mn以内，对角线检测点 在距立柱上、下安装面100mn处，n,和n2之差在3mm之内。 （6） 性能要求 货叉的工作性能 堆垛机工作台升降时，货叉对各货位存取位置和最高、最低工作位 置应满足设计要求。货叉在承载额定载荷条件下，工作行程应满足设计 要求，并且伸至最大行程时，货叉下挠度应小于 20mm货叉伸缩的额 定

39、速度误差不大于-5%，货叉伸缩和复位的停准精度小于 _5mm。为了 安全，要求货叉伸出过程中碰到障碍物，当阻力达到一定值时，货叉离 合器打滑，使货叉停止伸叉运动。 堆垛机的运行性能 堆垛机运行的额定速度应符合设计值，误差应小于 10mm。 载货台升降性能 载货台的升降额定速度应符合设计要求， 误差应小于-5%，在速度 换档时不能有强烈的振动，并有良好的制动性能，其停准精度小于 _10mm o 动载荷试验 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 19 在堆垛机调试过程中，必须进行动载荷试验，试验载荷为 1.25Gn , Gn时堆垛机的额定起重量。在1.25Gn载荷条件下，进行堆垛机运行、 载货台的

40、升降和货叉伸缩试验。要求各部分运动和功能正常。 静载荷试验 对堆垛机除了动载荷试验外，还要进行静载荷试验。静载试验载荷 Pk计算如下： Pk 二 KGn （ 2.1 ） 式中K静载试验的载荷系数 K =1.25 1 : 12 （2.2） 式中:提升载荷系数，按如下规定选取： 理论加速度 a 岂 0.6m / s2 : =1.1 0.0022vn; 理论加速度 a 汨.3m / s2 =1.2 0.0044vn ； 理论加速度 a 1.3m/s2 即-1.3 0.0066vn。 式中Vn- 额定提升（下降）速度（m/min） 静刚度试验 堆垛机的静刚度试验载荷是额定起重量。在载货台升到立柱上限位

41、 置时进行测量，当提升高度不大于10m时，其静刚度值应小于Hn/2000； 当提升高度大于10m时，其静刚度值应小于Hn/1500。Hn为堆垛机全 高。 堆垛机的无故障率S 为了确保自动化立体仓库的正常运行， 要求堆垛机的无故障率大于 97%。无故障率S的计算公式如下：中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 20 瓦Sp 瓦St S p - 100% (2.3) 二 Sp 式中7 Sp - 商定的试验循环作业次数； 7 St在试验过程中发生的故障次数 堆垛机的噪声 要求堆垛机噪声必须控制在 84dB(A)之内。 为了设计和制造出性能优良的堆垛机，堆垛机的设计参考要点如 下： 1. 起吊重力 起吊

42、重力包括吊具重力。额定载荷等于起吊重力减去吊具重力。 2. 水平载量 为求吊具急停时的惯性力，把外框作为杭架结构来分析。为了求出 决定钢结构的变形，必须计算应力和应变。 3. 增加系数 在设计货叉时，为防止特殊载荷条件下货物倾倒， 货叉尺寸应比相 应原设计尺寸增加。 4. 使用循环次数(寿命) 堆垛机工作时间按8h/ 日，300日/年，1个工作循环为100s，开动 率为0.7，寿命按10年计算，则 10 300 3600 8 0.7 /100 = 6 1 05 循环 5. 重复载荷次数中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 21 区分 重复次 数 1级 小于 105次 2级 105 6 汉 10

43、5 3级 5 6 6 汇 10 2 汇 10 4级 206以上 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 22 第 3 章堆垛机起升机构的设计 第 3.1 节起升机构的总体选型 起重量Cp =3 kg，起升速度v=o.5m/s，接电持续率JC=25%起升高 度 H=8m 1. 定机构的工作级别 堆垛机工作级别根据堆垛机使用条件的两个重要数据一一载荷状态和 利用等级来划分，是堆垛机设计的依据，现由设计原始数据和堆垛机实 际运行情况选定三个参数如下： 利用等级T4,载荷情况L2,工作级别M4 2. 计算钢丝绳最大静拉力并选择钢丝绳 采用单联滑轮组，此时：m=n m -滑轮组倍率 n悬挂物品挠性件分支数

44、 起升机构以省力钢丝绳滑轮组作为执行构件， 选取悬挂物品挠性件分支 数n为2，滑轮组倍率m为2 钢丝绳最大静拉力为： Q起升载荷（N），Q=Cpg，g=9.81m/s2 Cp - 起升质量，即起重量（kg） qa滑轮组分支数 q滑轮组倍率 a滑轮组钢丝绳卷入卷筒根数Smax Q qa 0 300 9.81 2 1 0.98 = 1502N (3.1) 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 23 3. 确定最小的卷绕直径 取弯曲频率系数h 2 = 1 ，卷筒的工作级别系数h ! = 16 ，滑 轮的工作级别系数h1 = 18 ， 卷筒最小直径 Ddmin - h|h2d =16 1 6 = 96

45、mm 滑轮最小直径 机构总效率，取为0.98 本机构中q=2,a=1 依据最大静拉力选择6 7型的钢丝绳，钢丝强度极限G=157 MPa 取选择系数C=0.099 钢丝绳直径为 d = C . Smax = 0.。99 1502 =384mm 取 d = 6 mm (3.2) 钢丝绳的最小破断拉力& =8.34KN （纤维芯钢丝绳），钢丝绳的安全系 数为 Snax 1OOO 8.34 = 5.55 4.5 ，满足要求 (3.3) 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 24 Demin =18 1 6=108mm (3.4) 设计采用齿轮连接盘式的单层卷绕单联卷筒 取以绳槽底测量的卷筒直

46、径（即卷筒名义直径） 丝绳圈中心测量的卷筒直径为146mm Dd =140mm，则以钢 卷筒为标准槽形的卷筒，槽距t=7mm则总长 qH 二 6)t=(2 8 1000 飞)7 =287mm 3.1446 (3.5) 取L=300mm满足要求 卷筒槽形的槽底半径R= 3.3mm 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 25 卷筒壁厚 :.=0.02D （6 10） =0.02 140 （6 10） =8.8 12.8 取、=10mm 卷筒强度计算： / F max 6P 其中 Fmax =1502N，A =0.75，-. =10mm，P=7mm 材料为铸造碳钢ZG270-500,则二cp 270

47、 =135MPa p 2 2 二=0.75 =13.4MPa ： ；cp =135MPa，满足要求 10 7 铸钢卷筒应进行退火处理，不得有裂纹，表面上不得有影响使用性能和 有损外观的显著缺陷（如气孔、疏松、夹渣等）。 选择以绳槽底测量的直径为220mn的标准滑轮。 4. 选择电动机并验算制动力矩 选择的是绕线式交流感应电动机 电动机的静功率为 v - 额定起升速度（m/s） 机构效率，初算时近似取 = .85 m 机构电动机个数 选用Y100L1-4型电动机，功率为2.2KW额定力矩为2.3Nm同步转速 为 1430r/mi n (3.6) (3.7) Qv _ 300 9.81 0.5 1

48、000 m 1000 0.85 1 =1.73 KW (3.8 ) 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 26 取M =2.3，对绕线电动机，H=2.1，因此中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 27 制动安全系数取k=1.75 （重要起升机构），效率取,于是 QR 300 9. 81 73 久 Tb 二 k o 二 1.75 1 8. Nm qi 273. 34 1 000 ，满足要求，其中 Tb最小制动转矩 146 R= =73mm R卷筒半径， 2 5. 决定机构的传动比并选择减速器 传动系统的总速比为电动机额定转速与卷筒转速之比 卷筒转速根据起升速度v计算： i = - =21.85

49、传动总速比 65.44 ，选用JZQ标准减速器的第IV档速比 i=23.34， 额定功率为3.1KW,额定转速为1500r/min. JZQ-250型减速器，质量为100kg 6. 联轴器的选择 此联轴器为减速器高速轴使用的联轴器， 而减速器低速轴通过卷筒上的 齿轮连接盘直接与卷筒连接 联轴器采用调节性能较好的梅花形弹性联轴器 2 Qv 1000 2.1 300 9.81 0.5 x 1 2.3 1000 0.85 -1.58KW : Pn -2.2KW ,满足要求 仏二 V 60 1000 二 二 30 1000 3.14 146 = 65.44r / min (3.9) 中国矿业大学徐海学

50、院毕业设计（论文） 28 选用LM3型梅花形弹性联轴器即可，转动惯量为o.oooxg m，能长期 传递的最大转矩为200Nm满足要求中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 29 第 3.2 节卷筒的设计 3.2.1卷筒部件计算 卷筒名义直径 D=140mm螺旋节距t=7mn，卷筒长度 L=200mm壁厚 、=10mm,钢丝绳最大静拉力Smax 502N (1) 卷筒心轴计算 轴的材料为45号钢，调质处理。 通过做草图得到卷筒心轴的支点位置如下图 3.1所示，图3.2为卷筒心 轴的力学计算简图。 255 244 4&5 图3.1 卷筒心轴的支点位置 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 3

51、0 图3.2 卷筒心轴的计算简图 .支座反力 1502(316 -25.5)+1502X46.5 RA 1602N 316 I 1502(316 46.5)+1502 汉 25.5 一“ RB 1402N 316 轴右轮毂支承处最大弯矩 M 广 RB 46.5=1402 46.5 = 65190N mm 轴左轮毂支承处最大弯矩 M 广 RA 25.5=1602 25.5 = 40850N mm 计算选用右轮毂支承处最大弯矩 .疲劳计算 对于疲劳计算采用等效弯矩，选等效系数 ：=1.1，等效弯矩中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 31 Md =ki M =1.1 65190 = 71710N

52、mm 弯曲应力 轴的载荷变化为对称循环 轴的材料为45号钢 况=600MPa;j =300MPa;；j =0.43b =258MPa 许用弯曲应力 也丄 K n 式中n=1.6 安全系数 K应力集中系数， K =Kx Km =1.4 1.15=1.61 Kx =1.4 与零件几何形状有关的应力集中系数 Km =1.15 与零件表面加工光洁度有关的应力集中系数 258 1 故匕 4 100MPa 尬 1.61 1.6 ,，通过 .静强度计算 卷筒轴属于起升机构低速轴零件，其动力系数取为 =1.2 Md 71710 0.1d0.1 313 = 24.1MPa (3.10) (3.11) (3.12

53、) M max = ；2M .广 1.2 65190 = 78230N mm 二 max M、：max 3 78230 3 0.1 31 = 26.3MPa 许用应力 I/. 1 二 二300 =187.5MPa 3 n 1.6 二maxI .，通过 故卷筒轴的疲劳和静强度计算通过 (3.13) (3.14) (3.15) 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 32 （2）选择轴承 由于卷筒轴上的左轴承的内、外圈以同样转速转动，故无相对运动， 可按照额定静载荷来选择。右轴承的外座圈固定，内座圈与轴一同旋转， 应按照额定动负荷来选择 .左端轴承 轴承的额定静负荷 Co - n0P0 （ 3.16

54、 ） 式中Co 额定静负荷 P0 当量静负荷 n0 - 安全系数，取n0=1.04 选用调心球轴承，型号为 1205,轴承的额定静负荷C0=33OON，左轴 承的当量静负荷 P0 二 fdRA=1.1 1602 = 1762N （ 3.17） 式中fd =1.1 动负荷系数 选取 n0P0 =1.04 1762 =1832N C0，安全 .右端轴承 令右端轴承也采用1205,其额定动载荷动负荷 C 1=12000 右轴承的径向负荷 F fdRB =1.1 1402=1542N （ 3.18） 轴向负荷 Fa =0 设轴承工作时数Lh =4000h，查得1205轴承的e=0.27，令旦=0 ：e

55、, Fr 故x=1，y=2.4，当量动载荷 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 33 P 二 xFr yFa=1 1542 2.4 0 =1542N （ 3.19）中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 34 Lh罟(曽)3 60n P 式中Lh - 轴承的寿命，单位为h 轴承内外圈的相对转速，r/min。 轴承的额定动载荷，单位N 故动负荷 C =（C）P =2.481 1542 =3826N ：C，安全 P （3）绳端固定装置计算 根据钢丝绳直径为 6mm选择压板固定装置并将压板的绳槽改用 ；：=40：梯形槽。双头螺柱的直径M6 已知卷筒长度计算中采用的附加圈数 Z=2，绳索与卷筒绳槽间的

56、摩擦 系数 f =0.15。则在绳端固定处的作用力 Smax 1502 fa e 压板螺柱所受之拉力 式中fi压板梯形槽与钢丝绳的换算摩擦系数。当 螺柱由拉力和弯矩作用的合成应力 + M co 3 (3.20) 所以（C）仝哥6。63.6 4000 辽.481 106 (3.21 ) e。154 二=633N (3.22) f f1 0.15 0.198 633=1819N (3.23) 0.15 1 sin 1 fcos ： 0.643 0.15 0.766 0.198 (3.24) 1.3P a = Z - (3.25) 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 35 0.1d Z中国矿业大学

57、徐海学院毕业设计（论文） 36 式中Z= 2 (螺柱数) d! = 4.8mm (螺纹内径) !.3 !8!9 3 4 小 3.14 4.83 2 - 4 MSI=633 H.7279N mm (3.26) 卜 7279 0.1 4.83 2 = 102.6MPa 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 37 螺柱材料为Q-235,屈服极限二$ =240MPa，则许用拉伸应力为 式中取安全系数n2 =1.6 因为er fcr . 所以通过 3.2.2齿轮连接盘的计算 (1) 选择齿轮连接盘材料 齿轮连接盘选用45号钢，调质处理 HBS = 245-275HBS (2) 按齿面接触疲劳强度计算 V

58、 =(0.013 0.022)n3 P/n (3.28 ) 确定齿轮连接盘内齿轮传动精度等级，第 LI公差组7级 齿轮连接盘内齿轮的分度圆直径 齿宽系数按齿轮相对轴承为悬臂布置取为 d = 0.14 内齿轮齿数Z= 40 内齿轮转速与卷筒转速相同 n =65.44r/min二240 =150PMPa 1.6 (3.27) d1d 2KTu 1(ZJZZ；)2 u ( H 1 (3.29) n2 中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文） 38 内齿轮转矩 T1=9.55 X 106P/n = 9.55 X 106x2.2/65.44=3.211 105Nmm 载荷系数K= KA KV Ka K 使用

59、系数KA=1 动载荷系数KV=1.2 齿向载荷分布系数K =1. 齿间载荷分布系数Ka= 1.1 则载荷系数k的初值k=1X 1.2 X 1.1 X 1.1 = 1.452 弹性系数 ZE =189.8 . N/mm2 节点影响系数ZH=2.5 重合度系数Z =0.87 许用接触应力Hl-厂H imLzJZw / SH 接触疲劳极限应力-H lim 二 H|im =570N/mm2 应力循环次数得 N=60njLh=60X 76.7 X 1 X( 8X 300X 8)= 8.8 X 107 则接触强度得寿命系数ZN =1 硬化系数ZW=1 接触强度安全系数SH =1.1 tH 1 = 570X

60、 1X 1/1.1=518 N/ mm2 故d1t的设计初值 ZZH.2 飞飞1 ) 2汽 1.452汉3211001 十1(189.8汉2.5汉 0.87)2 =79 6伽 074 ( 518 =. (3.30 ) (3.31 ) (3.32 ) (3.33) 中国矿业大学徐海学院毕业设计(论文) 39 齿轮模数 m=d1t/Z =79.6/40=1.99 所以取 m=2rn 内齿轮分度圆直径的参数圆整值为 d =Z m=40 2=80mm 因为齿宽系数5 = 0.14 所以齿轮齿宽 匕一打*=0.14 80 =11.2mm 对于正常齿，付=1 , c、0.25 齿顶高 ha =ham =1 2 = 2mm