机械毕业设计（论文）-垂直回转式立库设计【全套图纸】.pdf

黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 国内外研究现状 . 1 1.2 整体垂直回转立库在现代发展中的重要作用 2 1.3 整体垂直回转立库的特点 3 第 2 章 总体方案设计 . 4 2.1 整体垂直回转式立库的工作原理 . 4 2.2 整体垂直回转式立库的系统构成 . 6 2.2.1 箱斗装置 6 2.2.2 天、地轴装置 . 7 2.2.3 平衡杆及平衡杆导轨 . 8 2.2.4 张紧装置 8 2.2.5 机架、底座与箱体 . 8 2.2.6 电气控制系统 8 2.3 本章小结 9 第 3 章 零件的选择 10 3.1 立库的尺寸确定及安装 10 3.2 箱斗组合机构设计 12 3.2.1 箱斗尺寸 12 3.2.2 箱斗装置及其基本结构设计 . 12 3.2.3 链条选择 12 3.2.4 传动链轮尺寸确定 13 3.2.5 箱斗个数及链节数 .13 3.3 天、地轴设计. 14 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.4 箱斗干涉条件和平衡杆导轨方程建立 . 14 3.5 机架结构设计. 21 3.6 电动机及减速器的选择 . 22 3.7 立库外型尺寸计算 . 23 3.7.1 立库宽度计算 23 3.7.2 立库厚度计算 24 3.7.3 立库高度 . 25 3.8 本章小结 26 第 4 章 零件的校核 27 4.1 箱斗刚度校核 27 4.2 天轴校核 . 30 4.3 地轴校核 . 32 4.4 本章小结 . 33 结论 . 34 致谢 . 35 参考文献 36 黑龙江工程学院本科生毕业设计 i 摘 要 垂直回转式立体仓库属于物流仓储设备中垂直式旋转货架，其减速机将电动机输入扭矩 通过链传动传给地轴， 地轴旋转带动同地轴两端链轮啮合的链条运动。 储物箱斗两端有拉杆， 拉杆端连接在链条之上，随链条一同运动。为保持箱斗在运行示始终保持平稳，在箱斗两端 设计安装由平衡导杆， 导杆一端固定在箱斗上， 另一端装有导轮， 导轮在平衡杆导轨内滚动。 立库的运行操作由计算机控制。在货物存储时，箱斗沿着轨道在上下方向进行垂直和旋转运 动，根据给定的货格指令，将选取货物所在的货格移动至设置的存取货口处。 垂直回转式立库主要是为提高办公、管理自动化及其效率而设计，能够集存取、拣选、 计划、统计和管理于一体，是具有自动化程度高、定位准确、移动迅速、效率高等特点的仓 储设备。可以广泛应用于各行各业以及配送中心等，具有强大的生命力和发展前途。 关键词：立体仓库；仓储设备；垂直式旋转货架；箱斗 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 黑龙江工程学院本科生毕业设计 ii 黑龙江工程学院本科生毕业设计 ii abstract vertical rotation warehouse belongs to the carousel vertical logistics warehousing equipment, the reducer motor input torque to the shaft through the chain, chain motion axis is driven to rotate with the shaft ends of sprocket. both ends of storage hopper with a pull rod, rod end is connected onto the chain, the chain together with motion. in order to keep the box in the operation is always stable, in the box are installed by the balance design of guide rod, the guide rod is fixed on the box, the other end is provided with a guide wheel, guide wheel rolling on the balance rod guide rail. operation of the warehouse is controlled by computer. in storage, the box along the track in the vertical direction is vertical and rotary motion, the prices of goods according to the given instruction, will select the goods where the goods lattice mobile to access goods port. vertical rotary warehouse is designed for improving office, management automation and efficiency, to set access, selection, planning, statistics and management in one, with a high degree of automation, accurate positioning, moving quickly, high efficiency of storage equipment. can be widely used in all walks of life as well as the distribution center, has a strong vitality and development prospects. keywords: warehouse; storage equipment; vertical carousel; hopper 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第1章 绪 论 1.1 国内外研究现状 我国仓储设施一向较为落后，长期以来都是采用传统的人工管理。由于机电一体化的自 动化立体仓库具有占地面积小、库存容量大、出入库频率高、自动化程度高、信息量多、管 理快而准以及安全可靠等优点，近年来在世界范围内发展极为迅速。目前在我国办公管理设 施中，立库尚未得到广泛的应用，对有形文书、文件及货单票据的管理与归类主要是依靠普 通文件柜，占地面积大，工作效率低，基本依赖手工整理完成。虽然计算机管理基本达到普 及，但是未能实现实物与计算机并轨、并网的同步管理，极大的影响着办公自动化管理工作， 达不到国际规范化、标准化的管理水平。特别是文书、文件及货单票据经过多年不断累计的 增加，必须需要一种便利、快捷设备帮助访问与查询。 自动化立体仓储设备于 20 世纪 80 年代。由于社会生产力发展的推动，欧美以及日本等 国家如今已经拥有了系列化的自动仓储设备。我国自 20 世纪 90 年代初开始研制和整机生产 旋转式立库， 上海电气自动化研究所 90 年代初期就在国际竞标中取得了香港中国人民银行地 下金库投标的胜利，生产了 42 台 zgk-3 型旋转式自动柜库，用于存放我国发行的 42 亿港币， 标志着我国的自动化立体仓储设备开始自主设计生产并向前发展。 自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动仓储 sars (automatic storage & retrieval system)，属于物流仓储设备中垂直式旋转货架（vertical rotary shelf）, 是一种用高 层立体货架 (托盘系统) 储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存 取作业的仓库。其的功能从单纯地进行物资的储存保管，发展到担负物资的接受、分类、计 量、包装、分拣、配送、存档等多种功能。 随着我国加入 wto，世界经济一体化在我国进程的进一步加快，国民经济的高速成长以 及与世界经济管理的接轨，工业自动化与办公室文书处理及工作量将成倍增加，由此促进办 公管理系统与计算机联网的自动化信息管理系统的形成，促进办公自动化发展的加速进行， 降低办公管理的运营成本，提高工作管理素质与水平，因而具有极大的社会经济意义。 我国的自动化立体仓库设计生产起步较晚，和日、美、德等国仍有较大的差距。我国 现已加入 wto，国际间竞争将更加激烈，同国际接轨是一项艰巨而复杂的任务。物流的发 展是科技兴国的重要组成部分，尤其是在我国这样一个制造业大国，物流自动化程度的高 低是生产制造水平的重要体现。所以，作为物流仓储设备之一的垂直回转式立体仓库在全 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 世界，尤其是在中国，有广阔的发展空间和市场前景。 1.2 整体垂直回转立库在现代发展中的重要作用 自古以来物流就伴随着人类社会共同向前发展，成为人们生活中不可缺少的组成部分。 物流技术是现代科学技术与工业发展相结合的产物，物流系统的现代化，直接影响先进的 物料流程的实现，也影响生产水平和效率。自动化立体仓库是先进物流系统的重要组成部 分，已成为加快物流、降低成本、缩短生产周期、加速资金周转、提高经济效益的重要手 段。 自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动仓储 sars (automatic storage & retrieval system)，属于物流仓储设备中垂直式旋转货架（vertical rotary shelf）, 是一种用高 层立体货架 (托盘系统) 储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存 取作业的仓库。其的功能从单纯地进行物资的储存保管，发展到担负物资的接受、分类、计 量、包装、分拣、配送、存档等多种功能。 在现代工业生产发展中，自动化立库可以广泛的应用于军工、汽车、电子、银行、保 险、人寿、公安、劳动人事、图书馆、档案、影视业、医药、化妆品以及生物医学等社会 生产生活各个方面。特别是柔性化制造与计算机集成系统形成，自动化工业生产对与之配 套的仓储设备要求越来越高。为了适应当今社会发展中，人们思维多样化、产品个性化、 多品种、多规格、小批量、出入库频繁的工业品生产的要求，规模较小、反应速度快、用 途更广泛的小型自动化立体仓库需求量在不断增加。而自动化立式柜库作为具备这类功能 的主要储存设备，也就随之得到广泛的发展。 垂直回转式立体仓库作为一种新型的机电一体化仓储系统，由于其体积小，在充分地 利用了地面与空间的基础上，实现货物到人、便于有效的组织管理、形成良好的工作环境、 减少存取时间、防尘和安全性高等优点，大大的提高了工作效率，因而受到了越来越多的 关注，在全世界范围内迅速普及开来。 随着科学技术的不断进步，计算机智能化的不断发展，人们生活方式的逐渐转变以及 思维的不断发散，自动化立体仓库在经历了过去几十年不断发展和完善后，必将迎来更广 阔的发展前景： 技术方面，该产品将更加智能化，微机管理系统将更加完善，可实现网络远程控制， 同其他设备联接可构成强大的办公管理系统。工作程序将更加简洁流畅，工作效率进一步 提高。 材料方面，目前立库几乎全用金属材料制成，不但使成本长期居高不下，而且使整机 重量大大增加，给安装带来极大不便，体积庞大，外形受影响。随着技术进步，可用廉价 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 的非金属材料来代替部分零部件，如用刚度较高的非金属材料来制成储物箱斗、导轨等， 用耐火材料制成机体外面板等等。 其他方面，安全检测、保密及报警系统将更加完善，有灵敏的防潮、放火、防尘、防 虫系统，结构设计及布局更加人性化，用途多样化。 1.3 整体垂直回转立库的特点 有别于传统的书架、文件柜和保险柜，自动化立库是能够集存取、拣选、计划、统计 和管理于一体，具有自动化程度高、定位准确、移动迅速、效率高的仓储设备。在计算机 的统一管理下，具备记忆能力、计算货物数量、货号、分析货种的变化以及其他输入、输 出功能，与网络通讯形成完成的仓储管理系统，是自动化生产、流通、管理发展中的现代 化管理设备，可以广泛的应用在各行各业以及配送中心等，具有强大的生命力和发展前途。 本次毕业设计题目是垂直回转式立体仓库，其主要应用于各企事业单位、图书馆、人 事部门、公安部门及其他文档繁多管理困难的部门，在一定程度上缓解文档管理困难、工 作效率低等难题，并在一定程度上改善我国自动化立体仓储设备落后的现状，加快现代化 发展步伐。 垂直回转式立库是机电一体化新产品，其主要特点有： 1 操作使用方便。只要给定所要选取的货位，按动操作键盘的按钮后，货物即可移至 存取货口处（一般为 10 秒） 。 2 货物拣选准确率高。具有自行统计、查找等功能，有效地组织生产、使用与管理。 3 占地面积小，容积率高，存放品种多，能够充分的利用地面和空间高度。 4 内部货架的高度、货架内的格板及是否使用抽屉等可以按照存放货物品种、规格及 尺寸等进行规划设计，以满足不同货物的存储需要。 5 存取物窗口距地面高度 800mm， 完全按照一般成年人取物高度设计， 操作方便舒适。 6 操作安全性能可靠。在存取物口处设有红外检测系统，运动部位有安全保护开关及 紧急制动开关等，最大限度保证了人机安全。 7 单位储存成本低，适用于多品种、少批量高效率的存取。 8. 保密性能好。货物在库内为全封闭状态保存，可以通过计算机系统进行设置一级或 多级密码，未经密码授权人员的许可，无法进行操作。可以装备报警、监视系统，并根据 不同行业的要求添加防火、防盗、防鼠、防虫及防潮等功能。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 总体方案设计 2.1 整体垂直回转式立库的工作原理 垂直回转式立库是一种现代社会广泛应用的机电一体化产品，尤其是中小型回转式立 库，因其方便、安全、美观、高效等特点，近年来越来越受到社会青睐。因此，在对中小 型回转式立库的设计时，除了满足功能要求外，同时还要满足使用方便、安全可靠、经济 合理、外形美观等各方面的要求，使所设计的产品能真正为社会所接受，并拥有广阔的发 展前景。 柜库作为一种新型的仓储系统，在充分地利用了地面与空间的基础上，实现货物到人、 便于有效的组织管理、形成良好的工作环境、减少存取时间、防尘和安全性高等优点，大 大提高了工作效率。典型垂直回转式立库如图 2- 1 所示，其基本工作原理如图 2- 2 所示。 图 2-1 垂直回转式立库 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 由立库工作原理图不难看出，减速机将电动机输入扭矩通过链传动传给地轴，地轴旋转 带动同地轴两端链轮啮合的链条运动。储物箱斗两端有拉杆，拉杆端连接在链条之上，随链 条一同运动。为保持箱斗在运行时始终保持平稳，在箱斗两端设计安装有平衡导杆，导杆一 端固定在箱斗上，另一端装有导轮，导轮在平衡杆导轨内滚动。立库的运行操作由计算机控 制。在货物存储时，箱斗沿着轨道在上下方向进行垂直和旋转运动，根据给定的货格指令， 将选取货物所在的货格移动至设置的存取货口处。 图 2- 3 所示为垂直回转立库的运动模拟图， 可见箱斗在运行过程中始终保持平动，且根据给定指令随链条的运动反复回转。 图 2- 2 立库工作原理 1. 箱斗 2.天轴链轮 3.天轴 4.机架 5.链条 6.拉杆 7.电动机 8.地轴 9.传动大链轮 10.传动小链轮 11.减速机 12.底座 13.地轴链轮 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 2.2 整体垂直回转式立库的系统构成 如图 2- 2 所示，柜库结构主要由以下部分组成： 2.2.1 箱斗装置 箱斗又称为挂斗、存储货架或垂直翻转货架。箱斗架挂在两条传动链条上，随着链条 图 2- 3 垂直回转式立库运动模拟简图 图 2- 4 箱斗装置 尼龙垫块 储物箱斗 平衡导杆 平衡导轮 链条 拉杆 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 的运动作垂直回转运动。箱斗装置是立库最重要的部件，其刚度直接影响立库的工作性能 及安全性，主要作用是存放文档、工具或物料。箱斗装置主要包括箱斗、拉杆及拉杆轴盘 等。 2.2.2 天、地轴装置 天、地轴为上下传动轴，地轴为主动轴，天轴为被动轴。主要承载货物和存储货箱的 重量。轴的两端安装有链轮等传动机构，带动货箱斗进行垂直与回转运动。天轴本身固结 （a） 链轮 天轴 滚针轴承 槽钢 轴承座 （b） 图 2- 5 天、地轴装置 （a）天轴装置 （b）地轴装置 轴承 轴承座 地轴链轮 传动链轮 轴承 轴承座 地轴 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 在机架之上，主要承受径向载荷。地轴通常是一根通轴，一端与传动链轮、电动机的减速 箱连接。地轴一般不固定在机架之上，而是悬浮在传动链条上，这是为保证立库运行中间 传动链条总是处于张紧状态。天、地轴装置主要包括天地轴、传动链轮等。 2.2.3 平衡杆及平衡杆导轨 平衡杆及平衡杆导轨主要用于保持存储斗的水平及平行状态，防止箱斗在运转过程中 发生翻斗现象及货物从存储斗中掉出，因此导轨的形状对立库的工作性能有很大影响。平 衡导杆固定在箱斗两侧拉杆轴之上，两导杆之间存在一定角度（一般为 90o） ，以形成一稳 定的空间三棱体结构，如图 2- 4 中所示，这样可以保证箱斗在运行时始终保持水平。应当注 意平衡杆导轨上非直线段并不仅仅是简单的圆弧，而是包含了几段非圆弧弧线段，该非圆 弧段可通过列方程式求解得出。平衡杆导轨的具体形状可通过计算计算机辅助计算和模拟 运动得出。 2.2.4 张紧装置 垂直回转式立库一般有两套张紧装置，一套用于箱斗传动链的张紧，同地轴轴承座安 装在一起，靠张紧弹簧的作用力使地轴承受向下的推力，从而使箱斗传动链永远处于张紧 状态。由图可见，地轴由两根导杆定位上下浮动。另一套张紧装置用于电机传动链的张紧， 防止链条在重载运行中的变形与伸长而影响传动。 2.2.5 机架、底座与箱体 机架主要作用为天轴与地轴的支撑，在平面上的投影呈 h 型，与底架相联。底座连接 机架和地面，一般由槽钢焊接而成。箱体由四根立柱和四周面板组成，包括存取窗口的翻 门、操作面板、照明装置、文具屉、指示灯以及红外检测安全装置等等。 2.2.6 电气控制系统 控制方式可根据用户要求和用途而定。由于本人在设计中只涉及机械结构部分，对电气 图 2- 6 地轴张紧装置 机架 张紧弹簧 浮动导轨 张紧弹簧导轨 机架 轴承座 地轴 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 控制部分只作简单介绍，具体请参考相关书目，这里不再详述。 2.3 本章小结 本章主要介绍了垂直回转式立库的工作原理以及系统结构，此立库由箱斗装置，天、地 轴装置，平衡杆及平衡杆导轨，张紧装置，机架、底座与箱以及电气控制系统构成，从而能 够达到设计目的，准确的完成设计功能。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 第 3 章 零件的选择 3.1 立库的尺寸确定及安装 立库设计要结合其安装环境和空间来考虑。本次设计的立库属办公自动化管理设备， 设计要结合目前大多数办公间空间尺寸。目前我国办公场所墙体高度一般在 2.7m 以上，由 此可初定整机高度大约为 2.5m 左右。但是立库整机具体尺寸还要取决于箱斗尺寸和箱斗个 数，故立库整机实际尺寸不可能为初定尺寸。 对于箱斗尺寸按客户要求及所盛放物品尺寸进行设计。 取物窗高度要满足一般成人取物的最佳高度。考虑到工作人员的操作舒适性，设计取物 窗窗口最低边在 800mm，同办公桌高度一致，这样工作人员可以坐在椅子上进行操作；取物 窗最大高度可结合工作人员起身操作时最佳高度进行设计。 综上，本设计任务书要求立库总体尺寸如下： 外型尺寸： 高 2.5 m 左右 取物窗高度： 距地面 800 mm 取物窗尺寸： 6001800 mm 货斗尺寸：1800200280 mm 总之，立库的设计要遵循结构紧凑，合理、充分利用有限空间的原则，保证产品的实 用性和经济性。 由于垂直回转式立体仓库体积较大，各零部件几乎全部为金属材料，导致重量很大， 如果产品以装配后的形式出售给客户，不但将导致运输困难，而且给运达目的地后的安装 带来极大的不便。因此，本立库的设计尽量采用活性连接，即各个零部件均采用螺栓连接， 只有少数要求刚性较高的承载部件，如储物箱斗、机架、底座等采用焊接形式。 这样，立 库可分解开来运输，到达目的地后再进行安装。使立库的运输和安装方便、快捷和简便。 该立库的设计计算主要包括箱斗截面尺寸的确定和箱斗刚度的校核；天、地轴尺寸的确 定和刚度、抗扭校核；链条的选取和链轮尺寸确定；箱斗运行干涉条件的确立；平衡杆导轨 计算以及电动机、减速机的选取等等。 该立库所用材料及选用零部件尽量取国家标准规定材料和零件，如钢板、方钢管、槽 钢、螺栓等等，有少数非标准件需要特殊加工。钢板的弯折要求由弯板机完成，弯边以达 到增加刚度和美观的目的。 由于如果立库结构设计不当，在立库的工作中存在箱斗间干涉的可能，而且作为立库 重要部件之一的平衡杆导轨并不是简单的直线段和圆弧段的连接，故在该立库的设计计算 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 中，箱斗干涉条件的建立和平衡杆导轨形状方程的建立是尤为重要的，也是本人在毕业设 计的分析计算中的主要工作之一。为使所建立的干涉条件和导轨方程有广泛的通用性，故 在建立过程中所有参数均为字母代替，这些参数囊括了箱斗设计的所有几何及特性参数， 并利用计算机作辅助计算，大大方便了计算过程，使该条件和方程能广泛、方便地应用于 类似自动化立体仓库的设计。 机架是其最重要、最主要的基础骨架，安装在柜库的基础架之上，上部支承天轴和所 有箱斗及载荷，下部支承地轴和张紧装置，在机架两侧还装置有链条导轨和平衡杆导轨。 所以机架承受了除了柜库除了箱体以外的所有的重量和载荷。由于时间关系本设计对机架 部分只作简单结构说明，不作具体计算校核。 以下从各个方面对立库进行计算分析及说明。 图 3-1 计算流程图 初定整机尺寸（安装空间确定） 箱斗截面尺寸 链条型号选取 箱斗截面尺寸 拉杆尺寸、链轮尺寸 整机高度 箱斗截面尺寸 箱斗个数 建立箱斗干涉条件和平衡杆导轨方程 链轮参数、拉杆尺寸 箱斗截面尺寸 单斗许用载荷、允许连续空斗个数 地轴最大静扭矩 选取电动机、减速机 确定整机尺寸 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 3.2 箱斗组合机构设计 3.2.1 箱斗尺寸 箱斗用来盛放物料，是自动化立库最主要的部分，其设计也占据相当重要的地位。箱斗 的尺寸随所盛物料尺寸的不同有不同的结构和尺寸， 设计任务书要求的立库箱斗基本尺寸为： 长： 1800=lmm 宽： 200=bmm 高： 280=hmm 3.2.2 箱斗装置及其基本结构设计 立库整体设计中箱斗的尺寸非常重要， 只有箱斗尺寸确定后才可以依据总体尺寸， 确定链 条、箱斗个数，进而确定整个立库的实际外形尺寸。 整个箱斗装置由储物箱斗、拉杆、拉杆轴盘、平衡导杆、平衡导轨及链条等组成，这些 零部件的合理设计和布置对于整个立库的刚度、承载、噪音及运行有至关重要的作用。 箱斗可看成是一个细长的盒子，其截面做成图 3- 2 所示： 后箱斗折板 前箱斗折板 加强筋板底板 箱斗通常是由薄钢板折制而成，钢板厚度在 12mm。为了提高货箱斗的刚性，可在货 箱斗底部增加加强筋板。这里选用厚度为=d1.2mm的钢板。箱斗截面呈“l”形，在 l 型的 基础上为了增加刚度， 在其左上端和右端还可以向内翻一个折边如图 3- 3 示： 3.2.3 链条选择 在立库的传动中，通常采用短节距精密滚子链来传递动力。传动链的节距数要根据 图 3- 2 箱斗结构简图 图 3- 3 箱斗折边 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 箱斗的高度初步选取。此时箱斗的高度应包括箱斗箱体高度、尼龙垫板厚度、加强筋板 高度和箱斗之间的间隙高度，如下式所示： hh箱体h尼龙垫板h加强筋板h货箱斗间隙 式中的箱斗高度 h 必须为所选链条节距的整数倍，一般在 69 个节距范围内。 已知 h箱体为 280mm；上、下货箱斗的间隙 h货箱斗间隙一般为 5 mm 左右；尼龙垫块厚 度取 5mm；加强筋板的高度 h加强筋板取 15mm，则： h2805155305mm 考虑到如果链条节距过大，将导致链条尺寸过大，给安装带来不便，同时增加了对 机架刚度的要求，亦将导致运行不平稳和噪音过大，故取箱斗高度 h 为 8 个链条节距。 则通过简单计算可得链条节距为 p38.125mm， 查国家标准选用型号为 24a 的短节距精密滚子链，其节距为 p=38.1mm 3.2.4 传动链轮尺寸确定 由所选链条尺寸,确定链轮齿数,即可求得链轮分度圆直径。链轮齿数不宜过多或过 少。过少将增加传动的不均衡性和动载，增大功率消耗，从而加速链条磨损，另外齿数 少链轮直径小，有可能导致箱斗碰撞天、地轴，造成翻斗；过多则会导致链轮尺寸过大， 进而增加立库尺寸，亦将降低链条使用寿命。考虑到均匀磨损问题，链轮齿数最好选用 质数。又设计要求箱斗运行速度不超过 7m/min，属低速运行。 综上，初定链轮齿数为 z=23。则链轮分度圆直径 )z/sin( p d 180 = （3.1） )/sin( . 23180 138 = 8 .279=mm 3.2.5 箱斗个数及链节数 设计要求整个立库高度在 2.5m 左右，为使立库在运行过程中和停止后保证两边受力 基本一致，要求箱斗个数为偶数。由上述计算知每只箱斗的高度约为 305mm，又由箱斗 工作原理图知当箱斗运行至最高处和最低处有拉杆撑起的一段距离，又考虑到安装间隙， 相较之下取箱斗个数 n14 为宜。 由上述计算知每个箱斗高度占 8 个链节，所设计立库共有 14 个箱斗，故链节数 lp 112。 拉杆是连接箱斗和链条的部件，并支承箱斗随链条运行。其结构尺寸必须满足一定 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 的刚度和结构条件，过长将导致运行不平稳，可能出现翻斗现象；过短则可能导致立库 运行过程中箱斗之间发生碰撞干涉，亦会发生翻斗。要求拉杆尺寸在满足干涉条件和刚 度条件及便于加工的前提下尽可能使两拉杆夹角为 60o。 上述计算中已取箱斗高度满足 8 个链条节距的长度。在安装时，初设两拉杆端跨度 为 6 个节距，若要满足两拉杆夹角为 60o，则拉杆长度 622813866pl=mm 为便于计算和加工，取220=lmm 为使箱斗运行时更平稳，将拉杆轴向箱斗截面几何中心上方偏移一定距离，最终箱 斗装置简及与链条关系如图 3- 4 示： 3.3 天、地轴设计 天、地轴为上下传动轴，地轴为主动轴，天轴为被动轴。天轴不转动，不传递扭矩， 主要是承担径向力载荷，因此一般设计成短轴，并固定在机架顶部，校核时主要进行抗 剪校核，这里可将天轴设计成半轴，便于固定和加工。地轴一端主要是传递扭矩，带动 箱斗作垂直翻转运动，因此地轴必须做成通轴，一般地轴直径较天轴大，可视情况做成 空心轴，极大减轻了地轴重量，亦节省了材料，降低成本，便于加工和安装，地轴要进行 抗扭校核。为保证立库运行过程中承载链条总是处于张紧状态，将地轴轴承座悬空，靠弹 簧力和箱斗及载荷重力使链条永远处于张紧状态。天、地轴长度由安装各零部件决定。 初定天、地轴直径分别为： d天40mm d地60mm 3.4 箱斗干涉条件和平衡杆导轨方程建立 箱斗在运行过程中，由于箱斗连杆 am 与链条连接的 a 点通过 p 点后，绕链轮作圆 周运动，而连杆 bm 与链条连接的 b 点仍然作直线运动。此时，箱斗与连杆的铰接点 m 平衡导杆 箱斗 拉杆 链条 图 3- 4 箱斗装置简图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 不可能绕圆心 o 作圆周运动，而形成一段特殊的弧线，如图 3- 11 所示。 由图可见，当 a 点转过 p 点后进入圆弧运动，此时箱斗支点 m 点的运动既有水平方向的 运动又有竖直方向的运动。但并不是简单的圆弧运动，m 点的速度也由水平方向速度和竖直 方向速度合成，n 点仍然竖 直向上运动。由箱斗运动可知，当 m 点竖直向上的速度小于 n 点竖直向上的速度时，m 点和 n 点的垂直距离会逐渐缩小，设在 t 时间两箱斗竖直方向间隙为零，而在 t 时间内如果 m 点 的水平速度或 m 点相对于 n 点的水平速度增量不足以使两箱斗产生足够的水平间隙， 两箱斗 将会发生碰撞干涉，导致翻斗现象发生。考虑到每个箱斗的拉杆两端（如图中 a、b、c、d 四 点）在箱斗运行过程中分别有不同的运动，故将参考动点的运动过程分成图 3-5 所示的三个 部分，以下对各部分分别作理论分析计算。 图中： m 相邻两拉杆间隔链节数 n每个箱斗两拉杆与链条相连的两端所跨链节数 s链轮齿数 r链轮半径 l拉杆长度 b箱斗宽度 h箱斗高度(包括垫片高度) h1支点到箱斗顶部距离 h2支点到箱斗底部距离 p 链节距 (a) （b） 图 3-5 箱斗各阶段运动分析图 (c) 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 箱斗间间隙 a 点转过弧度。 如图 3- 5 示选取任相邻两箱斗作参考，要使箱斗在运行过程中不发生干涉，可见必 须满足：当两箱斗支点的水平方向距离 e2b 时，必须有两支点竖直方向距离 e1h，或 e2b 时，两箱斗位置已错开，e1无限制，在这个条件下才不至于发生干涉。 由于每节链条都是刚性的，故在严格计算中链轮应看作边数为 s 的正多边形，但在实 际计算中若以圆形计算，不但误差很小可以忽略，而且大大简化了计算过程，故在此计 算过程中以圆形来计算。 当 a 点作圆周运动而 b 点作直线运动时，如图 3- 5（a）所示： 此时，m 点的运动由分别沿 x、y 轴方向的运动合成，而 n 点沿 y 轴向上运动。设 a 点 由 水 平 位 置 转 过 任 意 弧 度 ， 在 如 图 所 示 坐 标 系 中 ， 各 点 坐 标 ： m()yx,、 a()aa sin,cosrr-、b()arnpr+- ,、n（ 22 )2/(npl-，pmnr)5 . 1 (+-a） 。现在来求 m 点坐标： 显然 m 点到 a、b 两点的距离相等，即mbma=，有： 2222 )()()sin()cos(aaarnpyrxryrx-+=-+ 2 )()sin(2) 1(cos2aaaarnpyrnprxr-+-+=- )sin(2 )() 1(cos2 2 aa aa rnpr rnpxr y -+ - = (3- 2) 由于拉杆长度均为l，即lmbma=，有： l 22 )()(arnpyrx-+ 22222 )()(22aarnprnpyyrxrxl-+-+= (3- 3) 将 (3- 2)式代入(3- 3)式，整理，得： 0)( sin )( )sin( 4 )( )sin( ) 2)()(1(cos 21 )sin( ) 1(cos 22 34 2 2 2 22 = -+ -+ - - -+ - + -+ +- -+ + -+ - lrnp rnpr rnp rnpr rnp r x rnpr rnprnpr rx rnpr r a aa a aa a aa aaa aa a 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 此式为一以 x 为变量、 为变参数的一元二次方程，令 a1 )sin( ) 1(cos 22 + -+ - aa a rnpr r b 2 )sin( )2)()(1(cos 2 aa aaa rnpr rnprnpr r -+ +- - c= 22 34 2 )( sin )( )sin(4 )( lrnp rnpr rnp rnpr rnp r-+ -+ - - -+ - +a aa a aa a 由一元二次方程根的解析式，有： a bacb x 2 4 2 - = 对于所设计尺寸，若使得acb4 2 -h 或 e1 a bacb 2 4 2 - （ 22 )2/(npl-）b 时，箱斗间不会发生干涉，否则，结构不合理，可能发生干涉。 由 m 点轨迹方程知该点在这一运行过程中并不是作圆弧运动。 当 a、b 两点绕同一圆弧作圆周运动，而 c、d 两点作直线运动时，如图 3- 5（b): 在这一过程中，a、b、m 三点相对不动，可认为构成一刚体，故 m 点开始作以 o )()( 22 arnprxly-+-= 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 为 圆 心 、 mo 为 半 径 的 圆 弧 运 动 ， ab 所 对 圆 心 角 弧 度 2n/s ， 22 ) 2 sin( 2 cos bb rlrmo-+=，而 n 点仍然竖直向上运动。此过程中，m、n 点坐标： m) 2 cos() 2 sin( 2 cos( 22 b a bb -+-rlr,) 2 sin() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+rlr n（ 22 )2/(npl-，pmnr)5 . 1 (+-a） 同理，当 e1) 2 cos() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+-rlr-（ 22 ) 2/(npl -）b 时，若 e2) 2 sin() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+rlrpmnr)5 . 1 (+ah 或 e1) 2 cos() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+-rlr-（ 22 )2/(npl -）b 时，箱斗间不会发生干涉，否则，结构不合理，可能发生干涉。 当 a、b、c 三点绕同一圆弧作圆周运动，而 d 点仍作直线运动时，如图 3- 5（c）: 此时， m 点仍然在作以 o 点为圆心的圆周运动， 而 c 点则开始重复 a 点最初的运动， 即开始圆周运动，故 n 点坐标可由类似第一种情况时 m 点坐标的求法得出。图中，c 点 相对水平位置转过弧度snm/)(2pag+-=，同理，在此过程中， 令 a 1 )sin( ) 1(cos 22 + -+ - gg g rnpr r b 2 )sin( )2)()(1(cos 2 gg ggg rnpr rnprnpr r -+ +- - c 22 34 2 )( sin )( )sin( 4 )( lrnp rnpr rnp rnpr rnp r-+ -+ - - -+ - +g gg g gg g 则 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 2 4 2 a cabb x + -=, )rnp()rx(lyg-+-= 22 m、n 点的坐标分别为： m()cos()sinr (lcosr 222 22 b a bb -+-，) 2 sin() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+rlr) n ( 2 4 2 a cabb+ -, )()( 22 grnprxl-+-) 当 e1) 2 cos() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+-rlr-（ 2 4 2 a cabb+ -）b 时，若 e2) 2 sin() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+rlr-)()( 22 grnprxl-+-h 或 e1) 2 cos() 2 sin( 2 cos 22 b a bb -+-rlr-（ 2 4 2 a cabb+ -）b 时，箱斗间不会发生干涉，否则，结构不合理，可能发生干涉。 当 m 点开始向下运动时，将沿同其上升时类似的运动轨迹作反方向运动，其防止干 涉的条件和其上升时的条件相同。由于以上对 m 点上升时的运动轨迹已进行了分析，故 不再具体分析其下降的运动。 对于平衡导杆轨道，由于平衡导杆一端固结在箱斗端，在箱斗运行过程中保持平动， 故导轨形状同箱斗支点运动轨迹一致，由平衡导杆滚轮同箱斗支点之间的关系（如图 3- 6 （a） 示） 可得到导轨相对支点轨迹的具体位置： 水平距离qsindx =， 垂直距离qcosdy = 箱斗两端平衡导杆以图示方式固结于拉杆轴，其于竖直方向夹角为 （一般取 45o角） 。 这样的安装方式为了形成一个稳定的空间三棱体（如图 3- 6（b）示） ，保证箱斗在任意时 刻处于水平位置，防止翻斗现象的发生。在导杆另一端安装有材料为含油尼龙的滚轮， 滚轮内部一般装有一滚针轴承。滚轮在平衡导轨内滑动，保证箱斗运动平稳。 上述计算可以得出箱斗支点轨迹和平衡导轨的方程式，同时通过借助于模拟箱斗运 动的手段，可以得到箱斗支点运动的轨迹和平衡导轨形状。现以本次设计的箱斗为例， 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 其支点运行轨迹和导轨形状及两者之间位置关系如图 3- 7 示，箱斗各尺寸数据如下： b=200mm，h=305mm，d=120mm，s=23，r=140mm，p=38.1mm n=6，m=2，=45o， 由以上计算分析不但可对箱斗间是否干涉进行理论分析，同时各出了箱斗支点的轨 迹方程，依此方程也可得到平衡杆轨道的方程，进而精确设计出轨道。但是以上计算公 式形式极为繁琐，给计算带来极大不便，如果借助计算机，则可使计算问题得到解决， 而且也增加了以上公式的通用性。另外，当拉杆尺寸不合理时，还有可能导致箱斗在运 行过程中同天、地轴发生碰撞，也将导致翻斗，这种情况可通过适当调整拉杆长度加以 2 d （a） （b） 图 3-6 平衡导杆与箱斗关系及其空间结构 导杆轨道1 导杆轨道2 支点轨迹 rcos rsin 图 3-7 箱斗支点运行轨迹及其与平衡导轨关系 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 解决。 3.5 机架结构设计 立式柜库的机架是柜库的最重要、最主要的基础骨架，安装在柜库的基础架上，上： 支承天轴和所有箱斗及载荷，下：支承地轴和张紧装置；在机架两侧还装置有链条导轨 和平衡杆导轨。所以机架承受了除了柜库除了箱体以外的所有的重量和载荷。 轻型柜库的机架由左、右立架和支撑架组成的机架。机架结构设计的要求是：强度 要好，刚度要高，重量要轻。因此机架一般均采用异型长方钢管和加强钢板焊接而成。 再从图 3-15 侧视图中可以知道，立架的里侧是链条导轨和平衡杆辊轮导轨的安装底板 处，而且是左右手的，这是由于平衡杆导轨单偏所决定的。所以立架都是成双的，而是 左右手的。 综上所述，机架结构设计应该满足如下的功能。 1) 能满足柜库运行中最大承载载荷的要求； 2) 能满足天轴、地轴、箱斗、连杆、张紧装置自重以及附加力的要求； 图 3- 8 立架结构图 图 3- 9 立架结构俯视图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 3) 刚度要高，重量要轻，能满足压杆稳定性要求，特别是在最大偏质量状态下运动 的要求； 4) 要有足够的空间，能有不干扰箱斗的运行的空间； 5) 能有安装链轮导轨和平衡杆辊轮导轨的位置和空间，满足箱斗水平运行的条件。 6) 能有张紧机构安装的空间和位置，使地轴能够自由的上下浮动，保证柜库平稳运 行。 7) 能与柜库基础架以及箱体立柱结成一体性，使柜库更稳固，箱体板安装更方便、 更美观，并减少噪音。 8) 能够满足方便安装调试、维护保养及维修的要求。 3.6 电动机及减速器的选择 由上述计算知地轴负担扭矩 t1157.2nm 设计要求箱斗上升速度不大于 7m/min，已知链轮直径 d280mm 则链轮转速 967 280143 107 3 . .d v n= = p r/min (3.4) 为方便计算取 n8r/min。 地轴右端传动链轮与减速机输出轴端链轮构成的一级传动，取传动比3 1 =i，则减速 机输出转速 n出=i1n24r/min。 (3.5) 综合立库的工作环境、状况及停电时立库如何工作等条件，选择蜗轮蜗杆减速机。 73385 1 . i t t= 输出 (3.6) 取链传动效率10.95,减速机效率2=0.65 则，电动机功率 21 9550 hh nt p = (3.7) =1.57kw 综上，选择上海迈特传动设备有限公司生产的 n 系列斜齿蜗轮减速机，选择型 号：n a f72- y1.5- 4p- 61- l- 270o减速机性能参数如下： 功率：po1.5kw 输出转速：no23r/min 黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 输出转矩：to448nm 传动比：io61 减速机外形及安装尺寸见该公司产品说明书。 减速机采用立式安装，便于停电时能用手动操作。电机为特制，尾端带一短轴，用 于安装摇把。另外选用蜗轮蜗杆减速机的另一好处是其有自锁功能，当有连续空斗存在 时，其自身产生自锁，保证工作安全。 地轴转速： min/6 . 7 3 23 1 0 r i n n= 箱斗实际运行速度 d n vp= =7.63.14280 =6.68m/min ymax2 所以用 ymax1校核。显然，即使箱斗承受三倍的载荷，有 ymax实际3 1max y 0.48mm 1000/l 故，所设计箱斗满足刚度要求。 4.2 天轴校核 已定天轴直径 d天40mm，外伸长度 l155mm，受力简图如 3- 5 所示： p l 单个天轴承受载荷 ql/8 2 ql/2 ql/2 l 4- 5 均布力下箱斗刚度计算简图 图 4- 6 天轴受力简 黑龙江工程学院本科生毕业设计 31 2/gp = 2/128 . 9100= 5880=n 天轴截面如下图示： -0.5r r r z y 极轴惯性矩 - -= r r dzzrzi 5 . 0 222 2 ) 32 3 6 ( 4 -= p r 4 mm33.75037= (4.8) 取材料弹性模量 e210gpa，则载荷下天轴挠度 ei pl f 3 3 天轴 (4.9) 3 3 10 33.750732103 555880 - = mm02. 0= 天轴 fl/1000=0.055mm 所以天轴刚度满足校核。 - -= r r dzzra 5 . 0 22 2 (4.10) 2 2 4 3 3 r r += p 2 mm592= 横力弯曲的梁截面上既有弯矩又有剪力，所以横截面上既有正应力又有剪应力。在 中性轴上剪应力为最大值，有 2 max 3 4 r p p t= (4.11) 图 4- 7 天轴截面 黑龙江工程学院本科生毕业设计 32 6 105923 58804 - = gpa24.13= t 所以天轴满足抗剪校核。 4.3 地轴校核 由于地轴较长，达两米左右，将地轴设计成空心轴，初定直径 60mm，壁厚 8mm， 长 1800mm，两端各焊接一