立体仓库巷道式堆垛机设计

PAGE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日河北工业大学城市学院2009届本科毕业设计论文毕业设计中文摘要立体仓库巷道式堆垛机设计摘要：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：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DesignofarailroadaislestackingcraneinstereoscopicwarehouseAbstractWiththedevelopmentofeconomic,railroadaislestackingcraneisthecoreequipmentofstereoscopicwarehouse,ithasbecomemorewidespreadinrecentyears.Higherdemandsarealsoaskedfortheperformanceandreliabilityoftherailroadaislestackingcrane.Afterthesynthesishascomparedseveralkindofconstructionselevatorsoverallplan,usesthesteelwiretohoistthetype,itsstructuresimple,thestressisclearabout,theusersalsofamiliar.Thesecurityguardsagainstfalling，highlythespacinginstallmenttakestheconstructionelevatorthesafekeepingofsecurityinstallmentwhichcanavoidthefallingofthecagetoassurethepeopleandgoodssafetyassoonastheconstructionhoistmeetsaccident.Thesecurityguardswhichmakeuseofwedgeblockforbrake.Thissafetyanti-fallingdevicehavehighsensitivity，goodreliability，simpleconfigurationandeasytotest，whichcanavailablyavoidthefailingaccidentofthecage.TheForktripwithadoublebodyisathree-tiertelescopicfork,whenforkisrecovered,thelengthofitsownisfarlessthanthewidthofroadway,whenaccessingtogoods,theforkismuchlongerthanthewidthofroadway.Keywords：railroadaislestackingcranethree-tiertelescopicforksecurityguards目次1绪论 11.1有巷轨道堆垛机的发展 11.2有轨巷道堆垛机的类型 11.3有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 32有巷轨道堆垛机总体方案的确定 52.1有轨巷道堆垛机功能分析 52.2.立柱模块的设计 72.3行走机构模块 82.4起升机构模块 92.5载货台模块 92.6载货台断绳保护装置 102.7货叉机构模块 133有轨巷道堆垛机基型产品设计 143.1立柱模块设计 143.2行走机构模块 183.3起升装置的选择计算 213.4货叉机构模块设计 23结论 30参考文献 31致谢 33PAGE341绪论1.1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300)，起升速度高达120货叉伸缩速度达50[4]。1.2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、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。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①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②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。①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，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。②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。1.3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460×460，可承载重量15，定位精度为1。这种小型有轨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有巷轨道堆垛机总体方案的确定2.1有轨巷道堆垛机功能分析有轨巷道堆垛机基本功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：有轨巷道堆垛机总功能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.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2.3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2.4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。2.5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：①应有两根以上的提升用钢丝绳或链条；②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；③提升用钢丝绳或链条的安全系数必须在10以上；④为防止载货台与下梁撞击，应设有防止下降过头的安全装置；⑤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2.6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2.10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。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：t≤0.5；制动距离：S≤0.1。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4．U型螺栓5．拉臂支架6．拉臂7．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2．7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有轨巷道堆垛机基型产品设计3.1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()：货物的质量()：货叉的质量()：载货台的质量()：起升装置的质量()：行走电机的质量()：司机室和断绳保护装置的质量()：堆垛机的整机高度()：载货台下边到上横梁的距离()：两行走轮的之间的间距()：货叉、货物重心到导轨中心线的间距（）：司机室和断绳保护装置重心到导轨中心线的间距()：载货台到导轨中心线的间距()：载货台导轮压力()：载货台导轮间距()：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≤[]，（为立柱高度）。当载货台升至立柱最高位置时，各种载荷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)可以认为，立柱在距顶端截面上受力矩的作用，即(3.2)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：在作用下，立柱端部的水平位移；在作用下，下滚轮处截面转角引起的顶部水平位移=；下横梁和立柱联接处截面转角引起的立柱顶部水平位移=；即=++。的计算(图3.1)由外载荷弯矩图[]和单位载荷弯矩图[]进行图乘得：=+==1.35(3.3)式中——立柱截面垂直纵向平面轴的惯性矩，=22400——下横梁截面垂直纵向平面轴的惯性矩，=11600——材料弹性模量，=2.1×1011图中——立柱顶部水平位移的单位力——立柱截面转角的单位力偶（2）的计算（图3.2）图3.2堆垛机计算简图由[]和单位载荷弯矩图[]进行图乘得：=+=(3.4)而≈≈=0.32(3.5)的计算图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，图中为下横梁支承的上部总重量。可用下式表示：(3.6)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角：==(3.7)而=(3.8)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)3.2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。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)式中——疲劳计算轮压()；——堆垛机正常工作时行走轮的最大轮压()；——堆垛机正常工作时行走轮的最小轮压()；——行走轮许用轮压()。表3.1由车轮转速决定的转速系数值转速160125112100806356500.720.770.790.820.870.910.920.94表3.2由工作级别决定的的值工作级别1－34567－00.90.8表3.3由材料抗拉强度决定的值抗拉强度5006006507007806.67.2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。（2）当车轮材料采用球墨铸铁时，值按=500选取。其行走轮疲劳计算轮压计算公式为(3.11)式中——转速系数(按表3.1选取)；——工作级别系数(按表3.2选取)；——行走轮直径()；——行走轮与轨道接触的有效长度()；——与行走轮材料有关的许用接触应力常数(按表3.3选取)。选车轮直径=250，工作等级为5，速度为40，轮宽B=100，车轮材料选用65Mn，σb=735，可知：=0.72，=1.00，=100，=7.0，得=125000<4506000，所以安全。3.2.2行走轮轴的设计在零件的定位和装配方案确定后，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。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。(1)心轴心轴是仅受弯矩作用的轴，强度计算公式(3.12)式中σ——心轴计算截面的工作弯曲应力()；——心轴计算截面的弯矩()；——计算截面的截面模量，；[σ]——许用弯曲应力()。(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)式中——转轴计算截面的当量工作应力()；——转轴计算截面的合成弯矩()；——转轴计算截面的扭矩()；——轴的直径()；——根据扭转剪应力变化性质而定的校正系数；[]——许用疲劳应力()。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。3.2.3行走电机的选择堆垛机的自重=30000，货物重量=5000，行走速度，滚动阻力系数=0.02，动力传动效率=0.8，行走阻力=700。最高时速时需要动力：=700×1/0.8=875，为了安全起见，选用电机功率为2.2。选择电机：YEJ112M-62.2型号功率()转速()转动惯量()YEJ112M-62.29400.076393.2.4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，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算：=(+)/(2×9.81)=6(3.14)式中——缓冲器缓冲容量()；——碰撞瞬时速度()；——堆垛机自重()；——额定起重量()。选择：HT3-630型号参数缓冲容量/缓冲行程/缓冲力/重量/HT3-6306.315088≈145.83.3升降装置的选择计算3.3.1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，传动效率=0.9。最高时速时需要动力：=(+)/=(5000+13000)×0.15/0.9=3。因此，为保证安全，选择升降电机功率为5.5。选择电动机为绕线型异步电动机：YZ160M1-65.5型号功率()转速()转动惯量()转子绕组开路电压()YZ160M1-65.59300.12138YZ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、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。3.3.2钢丝绳的选择钢丝绳最大静拉力：==9000(3.15)钢丝绳破断拉力：≥=90000(3.16)式中——钢丝绳的破断拉力()；——安全系数。钢丝绳直径：=10(3.17)式中――钢丝绳最小直径（）——钢丝绳最大静拉力（）——选择系数（）选择系数的取值与机构的工作级别有关，按表3.1选取。表中的数值是对钢丝绳充满系数=0.46，折减系数=0.82时的选择系数值。表3.1和值机构工作级别选择系数值最小安全系数钢丝绳公称抗拉强度155017001850M1-M30.0930.0890.0854M40.0990.0950.0914.5M50.1040.1000.0965M60.1140.1090.1066M70.1230.1180.1137M80.1400.1340.1289选择的钢丝绳标记为：18NAT6×7+NF170058.7035.10GB/T8918-19963.3.3滑轮的选择根据钢丝绳直径选择滑轮外径D=225滑轮标记为：A10×225-45JB/T9005.3-19993.3.4卷筒的选择卷筒上有螺旋槽部分长=205(3.18)单层单联卷筒长度=++=345(3.19)式中——卷筒名义直径（）——最大起升高度（）——滑轮组倍率——卷筒计算直径（）——无绳槽卷筒端部尺寸，由结构需要决定——固定钢丝绳所需长度，≈3——绳槽槽距选择的卷筒标记为：A200×345-6×13-5×2-左JB/T9006.2-19993.3.5联抽器最大扭矩：[]≥[]=110(3.20)式中[]——联轴器许用扭矩（)；——工作级别系数。选择联轴器型号为TLL1型带制动轮弹性套柱销联轴器。3.4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3.4.1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，，，分别是下叉、中叉和上叉的惯性矩，是材料的弹性模量。=55，=45，=16，=45，=8，=100，=61，=69，=126，=467.3，=969.5，=467.3，=6000(包括货叉伸长部分重量和货箱重量在内)，弹性模数=2.1×1011。①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、转角微分方程和挠度方程，其公式分别为=(3.21)=(3.22)==－+0(3.23)=－+0+0(3.24)当=时，=0，=0，所以=(3.25)将式代入(3.25)带入到式(3.23)得处的倾角为=－(3.26)所以载荷在点产生的挠度为=－(h－m)=－0.0048(3.27)②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，挠度为2。(为不变形部分的长度)如图3.7所示。图3.7部分为不变形时中叉挠度简图由上图求出、点的支反力及段的弯矩方程分别为：=(3.28)=+(3.29)==(3.30)则挠度曲线微分方程为：=－=－(3.31)所以倾角和挠度方程分别为：==－+0(3.32)=－+0+(3.33)当=时，=0，=0，所以有=(3.34)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：=－(3.35)=－=－0.0378(3.36)把段看成刚性，点作为固定端考虑，如图3.8所示，设载荷在中叉产生的反力为和，这些反力在前叉产生的倾角为和，挠度为和。图3.8C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：==(3.37)==0.03(3.38)其次产生的货叉前端产生的倾角和挠度为：=(3.39)==0.26(3.40)③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，在点产生的倾角为，产生的挠度为，如图3.9所示。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)=(3.42)=(3.43)===0.0756(3.44)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)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15，因此货叉是安全的。3.4.2货叉机构设计计算①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)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力，则有(3.47)(3.48)(3.49)其中为齿轮的分度圆直径，为啮合角，对于标准齿轮=20°。②轮齿的强度计算轮齿的强度设计主要有齿根弯曲疲劳强度和齿面接触强度计算两种，当齿轮传动时，齿根部发产生的应力最大，其齿轮的齿根弯曲疲劳强度的条件为(3.50)即有(3.51)其中为齿宽系数，为齿形系数，应力校正系数。根据计算出的模数值，选取标准值。对于闭式齿轮传动，最常见的损坏形式是轮齿工作表面的点蚀，通常按照齿面接触强度计算，其强度设计的校核公式：(3.52)即有(3.53)根据计算出的节圆直径，求出满足要求的齿宽=20(3.54)3.4.3货叉电机的选择行走速度=21=0.35，滚动摩擦系数=0.03，货叉可动部分重力=700，货箱重力=5000，行走阻力=(+)=171，动力传动效率=0.9(齿轮减速电机)×0.9(链条)=0.81。最高时速时需要动力：，为保证安全，选择货叉电机功率为0.75。选择电机：YEJ90S-60.75型号功率()转速()转动惯量()YEJ90S-60.759100.015142结论在对现有有轨巷道堆垛机的认真研究的基础上，本文从有轨巷道堆垛机的结构和功能出发，完成了对有轨巷道堆垛机的整体的设计。在对现有的安全防坠器的研究基础上，权衡各种型式安全防坠器的利弊，在现有的安全防坠器的基础上，为该堆垛机设计了一台瞬时式楔块制动的安全防坠器。该装置在灵敏度、制动时间、制动距离上与现有的安全防坠器相比有很大的优越性。通过对现有的货叉的研究，完成了三级直线货叉的设计，并对其结构、下挠度进行了计算、校核，其结果完全满足预定的要求。有轨巷道堆垛机的设计，是一个综合性课题，牵扯的内容很多，不仅需要扎实的设计理论基础，还需要丰富的实践经验。由于作者知识水平和时间的限制，本课题还有很大的研究空间，本人以为还有待在以下方面进行完善：1.有轨巷道堆垛机的立柱及载货台依赖于经验设计，未进行结构优化。2.有轨巷道堆垛机的电气控制系统未做研究。有轨巷道堆垛机随着立体仓库及人类的需求在不断的发展，本人能力有限，此课题牵扯的知识面又广，论文的错误不足之处在所难免，敬请大家批评指正。参考文献1[日]吉国宏.自动化仓库堆垛机设计.北京：人民铁道出版社，1979，122郭环，禹永伟．自动化立体仓库中的堆垛机设计．物流技术，2002，3(114)：76~783陈忠阁.有轨巷道堆垛起重机技术现状与发展趋势.物流技术，2000，6：13~144刘浏.步进电机在中小型堆垛机上的应用.物流技术，2002年第6期5杨维梁，董福盛.堆垛机的结构及其维护保养.大众标准化，2005年第7期6甘仲平，金国峰.堆垛机模块化设计研究．起重运输机械，2007，4：85~877程军红.齿轮齿条直线差动行程增倍机构的设计与应用.机械传动，2005：73~748梁睦.堆垛机三层货叉直线差动机构的设计.起重运输机械，2005：41~439董良，王栋生，郝隆誉.堆垛机的失重同步制动机构.2003，6：58~5910Lubomirjanovsky.Elevatormachinedesignprinciplesandconcepts.London：EnglandEllisHorwoodLimited，1987：117~124，128~13111王佳伟.一种新型施工升降机的设计与分析：[学位论文]，哈尔滨工业大学：200612杨长睽.起重机械.北京：机械工业出版社，1982：89~10313濮良贵.机械零件.北京：高等教育出版社，1982：41~4814西南交通大学主编．起重运输机械．北京：中国铁道出版社，1983：32~3315Anon.TeijinSeikiIntroducesED1006ElevatorHoist.ElevatorWorld.v49,n6,June,2004：105~10816马仲安.SS型货用施工升降机防坠安全装置的选择及改进.建筑机械.1998,(7):6~717R.Gouvinhas,J.Corbett.Thedevelopmentofadesignmethodforproductionmachinerycompanies.JournalofEngineeringDesign.1999,4(10)：352~36418陈金玉.立体仓库堆垛机的设计.现代物流，2006，4：48~5019刘广金,程显氓.物料升降机安全保护装置.《机械设计》.1996,7:39~4120Latham,R.W.BasicFactorsofHoistDesign.TransactionsoftheInstitutionofMining&Metallurgy.SectionA.v85,Jan,2003:8~2121李宏,卫晓平,张波.升降机的安全装置.起重运输机械.2001,(6):9~1122张永红.SS型施工升降机断绳保护装置的结构分析.建筑机械化.2005,(12):26~2823方世杰,姜好德.刚性轨道提升机防坠器的设计.起重运输机械.2005,(11):15~1724胡宗武，顾迪民.起重机设计计算.北京:科技出版社，1987：210~212致谢值此论文完成之际，谨向我的导师戴士杰教授表示衷心的感谢！本文是在导师的细心指导下完成的，论文大到构思、关键问题的解决，小到标点符号，字里行间都倾注了导师的关怀和心血，导师不仅以其渊博的学识理论、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力使我在学术上受益匪浅，而且言传身教，以其高尚的人格和强烈的责任心教导我人做事的道理。在此，谨向他的辛勤培养和悉心关怀表示衷心的感谢。另外，感谢和我一块儿设计但做控制系统的王磊，在此次课程设计期间给了我很大的帮助和建议。非常感谢百忙中抽空指导评审论文的评阅老师和答辩委员会的老师们，衷心祝你们身体健康，幸福如意。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究HYPERLINK"/detail.h