自动化仓库机械移动装置的设计

1前言随着世界经济的持续发展和科学技术的突飞猛进以及经济全球化的趋势的加强，各国面临着前所未有的机遇和挑战。在这种大形势之下，现代物流作为工业化进程中最为经济合理的综合服务模式和管理技术已被越来越多的企业所重视。随着全球物流事业的快速发展，物流系统的进一步改善和合理性对优化资源配置、提高企业生产率、降低生产成本起着至关重要的作用。因此，自动化立体仓库系统也越来越受到青睐。其核心设备机械移动装置则是代表自动化立体仓库的标志，对立体仓库的出入库效率有重要影响。本文从移动装置的应用特点入手，着重就其的结构设计进行初步的研究。 21自动化仓库背景及发展趋势1.1 研究背景及意义自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统。它是在不直接进行人工干预的情况下由移动装置实现货物的存储和取出，整个过程由计算机网络管理和自动控制系统完成。自动化立体仓库最早诞生在美国，进入 20世纪 80 年代，在世界发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业，它的出现标志着现代工业技术步入了一个加速发展的阶段。自动化仓库技术的研究对优化资源配置、提高企业生产率，降低生产成本有着非常重要的意义。移动装置是自动化立体仓库中最重要的其重堆垛设备，它能够在仓库巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者从货格里取出货物运送到巷道口。我国于 1973 年开始研制，据不完全统计，我国目前已建成 300 多座立体仓库。目前我过的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。但同世界主要工业发达国家相比，存在着一定的差距。总结经验，查找不足，勇于创新，不断交流改进，相信我们在该项技术的研究上一定回取得突破性的进展。1.2研究的内容及设计思路矿在移动装置设计中将做以下工作：（1）移动装置的门架的设计计算；（2）移动装置的货叉伸缩机构的设计计算； （3）移动装置的行走机构的设计计算；（4）移动装置的升降机构的设计计算为使移动装置能够准确、快速、安全、自动搬运货物出入库 ，必须满足以下设计要求：(1)具备三维运动功能，即移动装置沿巷道来回水平运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方向伸缩运动；(2)满足一定的定位精度 ，重复定位精度误差不能超过 10mm；(3)在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小其各部的重量，以减小提升功率和行走时的摩擦阻力；(4)保护仓库环境，避免货物污染受损。 31.3 研究的发展趋势以品种多、数量少、频率高供给方式下的物流环境为背景，对于自动化立体仓库的效能提出了越来越高的要求。早期的移动装置，在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门柱，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。但通常由于立柱高度的限制，它的作业高度不能太高，而如今的移动装置沿货架仓库巷道内的轨道运行，使得作业高度提高。采用货叉伸缩结构，可以使巷道宽度变窄，提高自动化立体仓库的利用率，它适用于各种高度的高层货架仓库，可以实现半自动、全自动和远距离高集中控制。1.4 机械移动装置所受载荷的简化方法机械移动装置的机架有立柱、上下梁组成，整机结构高而窄。其工作时，将受到载货台、货物的铅垂作用，行走、制动和加减速的水平惯性力作用以及起吊时的冲击载荷作用；某些特殊环境下，还要受到风力的作用。其每完成一个工作循环，以上载荷将重复出现一次。因次，它所受的是交替变化的载荷。为了保证移动装置安全可靠的工作，其钢结构部分的强度与刚度计算是必不可少的。在此，就其所受载荷简化的基本方法作一一说明。1）起重重量 LP实际起重重量包括货叉、附件重量和额定重量之和，用 表示。考虑到货物正常起LS吊时的动载冲击作用，则设计起重重量 LLP式中， 称为冲击系数，与移动装置分类分类有关：1 类 2 类 3 类 4 类 .5.1.16.12）水平载荷 HS机械移动装置沿水平方向加减速行走或制动时，其自身质量及起生质量必然会产生与其加速度有关的水平惯性力。即 式中， 称为动载荷系数，由于加速度SH的不确定性，一般用额定速度 v 来确定。水平行走时 05.3）风力载荷 WS风力载荷 为风压力 q 与受风面积的乘机，即 AqSW机械移动装置工作时，风压力 47.12h 4非工作状态，风压力 式中， 为吊具高度，单位取 mm41.8hq4)起升冲击载荷 RS在正常情况下，起吊货物的加速度可能很大，这时的冲击载荷很大，设计时应另行考虑。5）载荷状态机械移动装置工作时，其承载能力是上述各种载荷与自重 S 的不同组合：GA 正常工作状态： HLGSSMB 特殊工作状态： WC 起升工作状态： HLGD 停止： WS以上各式中，M 称为作业系数，与其分类有关：1 类 M=1.0； 2 类 M=1.05； 3 类 M=1.1；4 类 M=1.20 52机械移动装置的整体结构设计方案参考国内外有关分类和型号，结合移动装置的具体工作环境，本次设计的有轨巷道式机械移动装置主要用于起重量在 0.5t1t 之间，起升高度不大于 9 米的自动化立体仓库里，采用此设备便于实现仓库的综合机械化、自动化。2.1移动装置的主要结构组成图 2-1 升降机构Fig. 2-1 Elevating mechanism （1）升降机构有电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳组成。升降机构的工作速度一般控制在 1525m/min，最高可达 45m/min，设计时选取 20m/min.（2）行走机构有电动机、联轴器、制动器、减速器和行走轮组成。在其顶部设置导向轮沿固定在货架上弦的上轨道导行。下轨道设置两个行走轮沿敷设在地面上的单轨运行。为防止移动装置出现脱轨或侧翻现象，在其车轮两侧装有侧面导向轮。行走机构的工作速度依据巷道长度和物料出入库频率而定，正常工作速度控制在 50100m/min，最高可达到 180m/min,设计时选取 80m/min.本移动装置将采用交流变频调速方式。（3）货叉伸缩机构是移动装置的取放物料装置，它有上叉、中间叉、固定叉、滚动 6齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在 15m/min，最高可打 30m/min，设计时选取10m/min.于震源力的作用，在震源弹性介质区域里，岩石发生形变，介质产生振动，连续质点互相影响，在震源周围的广阔区域里形成振动，这种振动向外传播的过程形成震波。2.2 自动仓库机械移动装置的特点由于使用场合的限制，本移动装置在结构和性能方面具有以下几个特点：（1）由于机架采用单立柱结构，整机重量小，结构紧凑，但由于载货台和货物对单立柱的几矩作用可能会造成立柱的扭曲和变形，使整机刚性较差。（2）本移动装置沿着巷道上下轨运行,其作业具有三个方向动作。水平行走为 x-x方向，能把货物送到任意一列；垂直升降为 y-y 方向，能把货物提升到任意一层；货叉伸缩为 z-z 方向，能存取货物；（3）金属结构件除应满足强度和刚度要求外，还要有较高的制造和安装精度。（4）采用专门的叉取货物的装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。（5）各传动机构应同时满足快速、平稳和准确的要求。2.3 移动装置的机架结构机架是机械移动装置的主要承载构件，主要由立柱和上、下横梁联接而成。立柱上附加导轨，使载货台沿导轨上下升降，同时还能够靠地上和顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯矩。在机架上安装有升降、走行等机械装置。下部支承式的集中放在机架的下部。由于载货台与货物对单立柱的力矩作用，以及走行时起动、制动及加减速产生的水平惯性力的作用，对立柱会产生动、静方面的影响。机架在通道的纵向发生挠曲，整个机架成为振动体，其柱端的振动较大。同样，在通道的直角方向，立柱由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲，使伸长的伸缩叉的前端的挠度增大。当柱端振动和货叉前端的挠度一超过极限，就成为其自动定位的障碍，所以机架应满足足够的强度和刚度要求。本次设计中采取立柱下部支承式，采用优质钢材焊接而成牢固结构。当拼装成型后必须调整立柱的垂直度，以补偿在货架顶部载货时造成立柱的弹性变形。2.4 移动装置伸缩货叉的结构设计伸缩货叉是移动装置存取货物的执行机构，本设计中采用了 3 层伸缩式直线差动机构。主要由固定叉、中间叉、上叉、链条、链条、链轮等组成。 7图 2-2 货叉结构图Fig. 2-2 Goods fork structure drawing1.上叉 2.中叉 3.链轮 4.驱动链轮 5. 固定叉 6. 链轮1. On fork 2. Fork 3. chain wheel 4. drive sprocket 5. Fixed fork 6. Chain wheel固定叉 5 侧面装轴承固定在载货台的台架上，其上安装有固定链轮和原驱动 4，在电机的驱动下，带动电机上的驱动链轮 4 使得中间叉在链条传动下向前伸出，在中间货叉2 两端设置有 2 个可转动的链轮。与左端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的右端，与右端链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的左端。当中间货叉 2 水平运动时，通过链轮链条传动，上叉 1 就以中间货叉 2 倍的速度与行程沿滚轮中心运动方向平移。这样，当链条驱动水平行走 1/6 固定货叉长度的行程时，中间货叉 2 相对于固定货叉 1 水平移动1/3 固定货叉长度行程；而上叉 1 相对中间货叉 2 水平移动了 2/3 固定货叉长度行程；相对固定货叉 5 水平移动了 1 个固定货叉长度行程。2.5起升机构的整体设计为了使机械移动装置上货物的存取机构做升降运动，需要设计一个升降机构，用以满足该功能要求。起升机构主要包括：原动机、减速器、制动器、卷筒、柔性件、导轨组成。起升机构的运转是通过减速装置使卷筒转动，使柔性件卷入卷筒，柔性件机架立柱顶部的定滑轮与载货台相连，因此柔性件牵引载货台上升，当到达指定的货格位置时，制动器动作，使载货台平稳、准确地停住。2.5.1 柔性件的选取在移动装置的起升机构里需要靠柔性件来来起吊货物。目前，起重机常用的柔性件主要有钢丝绳和链条。钢丝绳与链条相比，其优点在于：强度高、承载能力大，弹性好，能承受较大的冲击；自重较轻；工作可靠，在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散。因此容易发现和更换，安全可靠，及少骤然折断；成本较低；高速运转时工作平稳、无噪音等。综上所述，通过分析比较，设计中确定选用钢丝绳作为起升机构的柔性件。 82.5.2 卷筒的选取为了卷绕和容纳钢丝绳，通过对钢丝绳的收放，需要设置卷筒装置来实现该功能。在起重机械中，主要采用圆柱形的钢丝绳卷筒。按钢丝绳在卷筒卷绕层数的不同可有以下两种备选方案。方案一：单层卷绕卷筒方案二：多层卷绕卷筒方案对比：单层卷绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽，钢丝绳依次排列其内，绳槽节距比钢丝绳直径稍大，绳槽半径比钢丝绳半径梢大，这样增了钢丝绳与卷筒的接触面积，防止卷绕过程中相邻钢丝绳间的相互摩擦。从而可以延长钢丝绳的使用寿命。但当起升重物量增加，需要较长的钢丝绳时，卷筒的长度和直径都将有所增加。多层卷绕卷筒虽可以减少卷筒的长度，但由于钢丝绳所受的挤压力大，相互摩擦力大，使钢丝绳的寿命降低。此外，如果卷筒卷速不变，由于钢丝绳每层卷绕半径不等，钢丝绳的卷绕速度或作用卷筒上的外力矩就随卷绕层数变化，运转起来不平稳。综上所述，结合移动装置具体使用场合和性能要求，本设计中选择单层卷绕圆柱型卷绕卷筒。2.5.3 原动机的选取一般工厂里都有交流电网提供三相交流电，其成本低，启动、制动、调速方便，机械活动范围广，故选取电动机作为起升机构的原动机。按电动机转子绕组结构不同可有以下两种备选方案。方案一：绕线式异步电机方案二：鼠笼式异步电机方案对比 ：绕线式异步电机的转子电阻可以调节，因此起动电流不是很大，通常不会超过额定电流的 22.5 倍，而且也便于调速。鼠笼式异步电机的构造简单，超纵方便，价格也较便宜，但起动电流较大，达到额定电流的 46 倍，调速性能差，不能承受较频繁的起动，通常只用在起动不频繁、功率甲小的工作机构中。根据具体工作环境，移动装置的启动负载大，启动、制动、换向频繁，要求有较高的工作稳定性。综合以上两种方案的对比，本设计中选用允许有较大振动和冲击，转动惯量小，过载能力大的 YZR 系列绕线型起重用三相异步电动机。 92.5.4减速器的选取在电动机和卷筒之间需要设计一个传动装置用以传递运动和作用，并藉以改变运动的形式、速度大小和转矩的大小。本设计中采用减速器作为起升机构的传动装置。.传动方式的选择起重机械中常有以下四种备选方案。方案一：二级圆柱齿轮减速器方案二：蜗轮减速器方案三：行星齿轮减速器方案对比：二级圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，现已标准化，因而使用范围普遍；蜗轮减速器虽然结构尺寸小，传动比较大，重量轻，但效率低，寿命较短，在长期连续使用时就显得不经济，一般只用于小型起重机；行星齿轮减速器的结构紧凑，传动比也较大，但价格比较昂贵。综上所述，从产品的成本、性能和具体使用场合考虑，本设计中选取二级圆柱齿轮减速器。.输出（入）轴的配置根据机械设计手册输出（入）轴有以下四种备选方案。方案一：展开式。特点：结构简单，但齿轮相对与轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度，高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形和轴在弯矩作用下产生的弯曲变形可部分的相互抵消，以减缓沿齿宽分布不均匀的现象。用于载荷比较平稳的场合，高速级一般做成斜齿，低速级一般做成直齿。结构简单，应用广泛。方案二：分流式特点：结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载较均匀。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。方案三：同轴式特点：减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量都较大，且中间轴较长，刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用。方案四：同轴分流式 10特点：每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只承受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。综上所述，对比四种方案的特点，从移动装置本身的工作场合考虑，本设计最终确定选用展开式二级圆柱齿轮减速器。. 输入、输出端的形式输入端采用带专用联轴器的输入轴，输出轴为空心轴，用联轴器与卷筒相连。.润滑方式的选择因为浸油润滑具有结构简单，润滑可靠，成本较低的优点，因此本设计中采用浸油润滑的润滑方式。2.5.5 制动器的选取移动装置在工作过程中，为了使存取的重物的升降运动能够停止或者支持重物并使其保持在空中，需要在起升机构中设置一个制动器来保证其工作的安全性和可靠性以及实际工作特点的要求。一般规定，提升装置的制动器的制动转矩应为相当于额定载重量的货物被吊起时的最大转矩值的 1.5 倍以上。通常情况，制动器按其构造形式可有以下三种备选方案。方案一：带式制动器方案二：块式制动器方案三：盘式制动器方案对比：带式制动器结构简单、紧凑，制动力矩较大，但是制动时制动时轴上产生较大的弯曲载荷，制动带磨损不均匀；块式制动器工作可靠，两个对称的瓦块磨损均匀，制动力矩大小与旋转方向无关，制动轮轴不受弯曲作用。但缺点是制动力矩较小，与带式制动器相比其结构尺寸较大；盘式制动器制动平稳，制动轮轴不受弯曲作用，可用较小的轴向压力产生较大的制动力矩，使移动装置的机构布置很紧凑，目前应用也比较广泛。综上所述，也同时为了满足升降机构必须要有足够的制动转矩的要求，本设计中选用常闭盘式制动器。2.6 行走机构的整体设计 要满足移动装置能够在自动化立体仓库的货架巷道里来回穿梭运行，实现货物的存取要求，需要设计一行走机构。主要包括：电动机、减速器、制动器、行走车轮。 112.6.1 驱动方式的选取方案一：地面驱动式行走机构安装在下横梁上，行走轨道铺设在地面上，移动装置靠下部的车轮支承和驱动，上部的导向轮用以防止移动装置的倾倒或摆动。这种驱动方式的优点在于：驱动装置由于装在下横梁上，容易保养维护，使用方便。起重范围大，应用比较广泛，适合于各种高度的立体仓库。方案二：上部驱动式该驱动方式又可分为悬挂式和支承式两种结构形式。行走机构安装在移动装置门架的上部，在地面上也没有导轨，使门架下部的导轨以一定的间隙夹持在导轨的两侧，从而防止移动装置运行时产生的摆动和倾斜，其升降装置也安装在门架的上部。这种驱动方式的优点在于：在设计机架（即：金属结构）时，可不考虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性和摆动小，稳定静止所需的时间就短。但是由于行走、升降等驱动装置都安装在移动装置上部，保养、检查与维修必须在高空作业，既不方便也不安全，而且立体仓库的屋顶要承担移动装置的全部移动载荷重，从而增加了屋顶结构和货架的重量。综合以上两种方案的对比，结合设计题目的要求，本设计中的驱动型式采用“下部支承地面驱动型” 。2.6.2 车轮的的设计为使移动装置能够在轨道上平稳运行，因此必须依靠车轮来实现这一运动。通常，车轮的形式有带轮缘和无轮缘+两种。因为本设计中将采用货叉作业，这样将会产生啃轨现象。严重时使车轮与轨道剧烈磨损，并且大大增加附加载荷，使移动装置运行扭摆。发出响声，影响其正常工作，甚至出现开不动和脱轨现象。因此，在设计中，在下轨道上设置圆柱形（无轮缘）车轮（设计 2 个行走轮） ，并在下轨道侧面安装 2 个侧面导向轮。上轨道设置 2 个有轮缘车轮作为导向轮，从而保证移动装置的安全稳定运行。2.6.3 电动机的选取本设计中，行走机构的电动机确定选用允许有较大振动和冲击，转动惯量小，过载能力大的 YZR 系列绕线型起重用三相异步电动机（具体内容见 2.5.3） 。 122.6.4 减速器的选取从移动装置本身的工作场合考虑，本设计最终确定选用展开式一级圆柱齿轮减速器（具体内容见 2.5.4） 。2.6.5 制动器的选取移动装置在运行过程中，为了满足能够减速停车的要求，需要在运行机构中设置一个制动器以便控制制动力矩的大小，从而实现其功能。同时考虑移动装置能平稳工作，本设计中确定选用盘式常开式制动器。在走行方面的制动转矩值的大小一般为电机额定转矩的 100%即可。2.6.6 轨道的设计与安装本设计采用地面驱动式（前面已作介绍，具体内容见 2.5.1） ，需要设计上、下轨道来支承起移动装置的全部自重，并能使移动装置在其上顺利运行。目前，常用的轨道主要有以下三种：起重机钢轨、铁路钢轨和方钢。综合移动装置的具体工作场合和性能要求（刚度强度的要求） ，并进行市场调查进行成本考虑，上轨道可采用工字钢，其具有良好的抗弯强度，常选用含 C、Mn 较高的钢材轧制而成（典型型材 U71Mn） 。下轨道可采用铁路钢轨中的轻轨，常选用普通碳素结构钢的镇静钢和半镇静钢。其顶部做成凸状的，底部具有一定宽度，具有良好的抗弯强度。移动装置轨道安装的好坏直接影响到移动装置的运行质量。常用的安装方法有：压板固定法、钩形螺杆固定、焊接和螺栓联用固定。轨道的接头采用焊接方式，其顺序是由上而下，先轨底后轨腰、轨头，逐层逐道进行堆焊，最后修补周围。焊接时应注意以下问题：1）在施焊前，固定钢轨接头时，2 根钢轨端头之间所留间隙是上宽下窄，以轨底间隙为准，一般控制在 1518mm 之间。2）当钢轨端头焊接完成后，应采取热处理来消除其应力，可以用气焊喷嘴围绕轨头、轨腰、轨底反复进行加热。2.7 移动装置的控制装置自动运行的移动装置控制系统必须具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、货叉控制、自我诊断故障的功能等多种控制功能。1.位置功能位置控制就是确定移动装置停止在作业位置的功能。自动化立体仓库一般都采用高层货架结构，以 X、Y、Z 坐标表示货架的行、列、段的方向，用三维坐标表示货物的位置。为了自动确定位置，也就是为了在某一位置发出 13减速指令使移动装置减速，在规定位置发出停机信号，就必须检测现在的位置。本设计中位置的检测可由在个坐标轴上按一定的间隔装设的传感器来进行检测。2.速度控制速度控制包括对提高作业效率有关的高速度,防止货物倒塌以及不致于使移动装置发生冲击的加速度和减速度,以及为便于高精度定位的最终稳定微速度等的速度控制.3.货叉控制根据移动装置出库和入库作业,伸缩货叉向左侧或右侧进行叉取操作的顺序控制功能. 143 移动装置机架的结构设计计算3.1机架立柱的尺寸设计 移动装置机架的设计计算参数如下：Q 上梁及附件重量；Q 货台、货物、附件及搭乘人员的总重量；Q 电气控制盘的重量；Q 卷扬装置的重量；q 柱的单位长度的平均重量；L立柱的高度；E弹性模量， （依材料而定） ；许用应力；移动装置的立柱应具有足够的强度和适当的刚度，因此，为解决该类问题，本设计中按强度设计准则来设计截面尺寸。设计时，初取横截面的长、宽之比为 b：h=1：2，初选截面为矩形的槽钢作为立柱材料。移动装置的受力分析如图所示。图 3-1 移动装置的受力分析Fig.3-1 Shifter stress analysis立柱可以简化为简支梁来计算，立柱的设计应满足强度设计准则：= （3-maxWM1）自重 q 引起的弯矩 mKNql 96.5106.812 15载荷（包括 Q1， Q2， Q3， Q4）引起的弯矩 mKNLQhLhLQhMQ 9.18101010 443322因此立柱中央截面的总弯矩 MQq 5.29.85.总抗弯截面系数 （3-326bhW2）将（3-2）式带入（3-1）式得：33618.9012bmh=2b 218mm3.2 机架的上、下横梁设计设计时初选槽钢 ，I=8360 ，q=22.637kg/m73204cm对其进行刚度校核，上、下横梁应满足刚度设计准则 max许用转角；将上、下横梁简化为简支梁进行计算 324qlEI满足刚度要求，因此最终确定选用槽钢 。73203.3 框架结构的设计数据框架结构的设计数据如下：上下梁（槽钢 ，I=8360 厘米 ） 73204立柱（290 7.9 矩形钢管，I=19014 厘米 ） l=9m h =9m h =8m h =3m h =1m Q =100kg Q =1500kg Q =300kg 1234123Q =200kg q=58.9kg/m 4移动装置总重量（自重+载重）=3000kg载重增加 25%作为试验载荷，为 1000*（1+25%）=1250kg根据 1.4 的讨论，关于载荷的补加系数，对移动装置的冲击系数 =1.4，作业系数M=1.1。则载荷组合为 。HLGSM 164 移动装置伸缩货叉机构的设计计算4 .1 伸缩货叉的扰度与强度伸缩货叉各尺寸表示如图所示：图 4-1 伸缩货叉的结构尺寸Fig.4-1 Expansion goods forks structure size所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分,应以厚度尽量薄,同时货叉前端的扰度控制在最小,作为设计的目标.货叉各参数如下:W: 载荷I ,I , I : 分别为下叉 中叉 上叉的重力方向的惯性矩123E: 材料的纵弹性系数4 .1.1 下叉的受力分析计算如图所示 17baxl12图 4-2 下叉受力分析Fig.4-2 Next fork stress analysis进行受力分析时，在 AC 段内取距 A 端为 x 的任意截面为研究对象，则该截面上产生的反力 P =W l /b 12a x l 时的弯矩方程为：0M= - P (x-a)01lb用积分法求得起其转角为：i = i - dx= i - +(x-a) (4-1)10xEIM1012EIp03lbx2挠度为：= i x- dx= i x- +(x-a) (4-2)0xI101bIp03lx3当 x= 0 时,A 端的截面转角 i = - ( +b) (4-3)016IEabpl当 x=l 时，将式（4-3）代入式（4-2）和式（4-1）中，分别算得在 c 点处的转角和0挠度。= - = - l1i016)(lEIabp1016)(EIabp34.1.2 中叉的受力分析计算如图 6 所示：因载荷 W 的作用，在 b 间产生反力 P ,P ，12 18baxl12图 4-3 中叉受力分析Fig.4-3 Fork stress analysis进行受力分析时，在 BF 段内取距左端为 x 的任意截面为研究对象当 时，可算得其转矩方程为：0lxaM= P x= x 1bW2用积分法算出其转角为：i= = - +i (4-4)dxbEIWl20挠度为：= - + i x+ (4-5)bIl2360当 x=b 时，B 端的截面转角i = (4-6)026EIWl当 x=b 时，将式（4-6）代入式（4-4）和式（4-5）中，分别算得此段的转角和挠度i = - = -223EIbWl223Ibl如图 4-4 所示：将 b 段作为刚性,c 点作为固定端（即视为悬臂梁）考虑,并设由于 W在中叉产生的反力为 P 和 P ,而由这些反力作用在货叉前端产生的扰度为分别为 和 , 34 34 19cdel2x图 4-4 受力分析Fig.4-4 stress analysis转矩方程为：M= - P (x-d)+ P x34以固定端 E 视为坐标原点，算得：P = W 3de以固定端 D 视为坐标原点，算得： P = W4)(用积分法算出其挠度为：= - dx = - P x - P (x-d) （4-xEIM02261I4337）当 x=l 时，代入式（4-7）算得：1= - (e+d) l -e(l -d) 3dEIW26132i = - dx= - （4-4xM02dI2 22)()(xdexe8）当 x=l 时, 代入式（4-8）算得： i = - -e(l -d) +(e+d)l 1 4dEIW21221所以 = i (l -l ) 431 204.1.3 前叉的设计分析计算载荷 W 在 d 区间产生的反力有 P , P ，在 E 点的倾斜角为 i ，挠度为 ，受力分34 55析如图所示：图 4-5 前叉受力分析Fig.4-5 Front fork stress analysis转矩方程为：M= x deW用积分法算出其转角为：i= = - +i (4-9)dxEIe320挠度为：= - +i x+ (4-10)dIeW360当 x=d 时, D 端的截面转角 i = (4-03E11)当 x=d 时,将式（4-11）代入式（4-9）和式（4-10）中，分别算得此段的转角和挠度：= - = - (l -l )5i3EIeWd53EIeWd1因此，设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总扰度为总= + + + +12345注：当托盘货架进深为 110 厘米时， 值应控制在 1015 毫米。 214.2 货叉各参数的选择a=65cm b=40cm c=20cm d=40cm e=15cml =100cm l =60cm l =75cm l =120cm0123故可取上叉、下叉、中叉长为：L = l =2 5=110cm L =b+c+d+2 5=110cm L = l -c+ 2 5=110cm1023上叉为板状，并取其宽也为 110cm，厚度取 10cm,其余数据见装配图上标注。因各数据取值都较大，故能满足条件。 225 移动装置行走机构的设计计算5.1 行走机构电动机的选取行走机构的电动机所需的功率为可按下式计算：（KW） 10vFPj（5-1）式中 行走阻力； v行走机构的运行速度jF行走机构的总效率，一般可取 0.85-0.95由上式可知，现须确定行走阻力的大小，可按下式计算：（N） （5-fQj kDdGF)2()(2）式中 移动装置的额定起重量和自重之和；GFQ轴承摩擦系数，查表选取 0.1；f车轮滚动阻力系数，查表选取 0.3；D车轮直径；d轴径；阻力摩擦系数，查表选取 1.5；fk将相关数据带入式（5-2）中，算得： =20050 N，并将其结果带入式（5-1） ，最后jF算得所需电动机的功率 P=29KW，因此选择型号为 YZR225M6，转速为 957r/min,额定功率为 34KW，效率为 90%且 34 90%=30.6 ，可选。安装代号选取 1M1003，国际基KW29准机座号为 160M。5.2 移动装置行走轮的设计计算行走轮有主动轮和从动轮 1 个，采用轮轴直接连接的驱动方式。 23行走轮的允许载重量等各参数间有下列关系式：P =KD （B-2r） （kg） （5-3） K= （kg/cm ） vk2402（5-4）式中，P 允许载重量（kg） D 车轮的踏面直径（cm） B钢轨宽（cm） r钢轨头部的圆角半径（cm）K许用应力系数（kg/cm ） v走行速度（m/min）2k许用应力（球墨铸铁的许用应力为 50） （kg/cm ）2首先确定 B=6.4cm，r=0.2cm, k=50 kg/cm , v=80m/min2则 K= = =36.3（kg/cm ）v240905P = =100+1500+300+200+60.06 =3180kg qlQ2431 92将以上数据带入式（5-3） ，式（5-4）中算得：D =8.5cm行走轮的轮压主要根据疲劳计算轮压选取，其计算公式为：= （5-0P3minax25）式中， 疲劳计算轮压（N） ； 工作时最大允许载重量（N） ；0Pmax正常工作时最小轮压（N）min又根据车轮直径的计算公式：（5-120LKCPD6）式中， 转速系数； 工作级别系数； 接触应力常数1C2 1首先确定 =6.0, =0.82, =1.25,l=30mm，代入式（5-5） ，式（5-6）K1中算得：D=350mm车轮的转速为：=212.3r/minDn109车轮的轴径为 d =14mm，为满足选择合适的轴承，取 d=15mm3min/PC 24轴上的轴承选取型号为 6202，基本尺寸为：d=15mm，D=35mm，B=11mm5.3 行走机构减速器的选取行走机构中的减速器可根据机构的传动比从标准中选用。行走机构的传动比由下式确定：（5-nim7）式中 电动机额定转速； 车轮的转速mn代入相关数据到式（5-7）中算得： =4.482.13957i可选取减速器的标准型号为 ZDY160（低速级中心距为 160） 。5.4 行走机构联轴器的选择联轴器的具体规格根据载荷情况、计算转矩、轴直径和工作转速来选择。计算转矩有下式确定：（5-TKAc8）= =nP9509572mN8工作情况系数 取 2.3,则 2.3 289=664.7AKcT由设计手册选取弹性柱销联轴器 TL8。它的许用转矩为 710 ，半联轴器材料为钢时，许用转速为 3000r/min。 256 移动装置升降机构的设计计算6.1 升降机构零部件的设计计算6.1.1 钢丝绳的计算 起升机构中钢丝绳的直径按最大静载荷来确定。钢丝绳中最大静拉力可根据式（6-1）来确定：（N） （6-BQaFSmx1） 式中， 最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量） ；QF滑轮组倍率，根据公式算得 a 为 2；a滑轮组总效率；B代入相关数据到式（6-1）中估算得钢丝绳中最大静拉力 =7653NmaxS可根据式（6-2）确定钢丝绳的直径：（mm） （6-maxinSCd2）式中， 钢丝绳最小直径；mindC与工作级别有关的选择系数，本设计中选取 0.093代入相关数据到式（6-2）中算得 =8.14mmmind则根据钢丝绳的最小直径在其产品性能中选取型号为：6W（19）9.2155光右交 GB110274 的钢丝绳。其公称直径为 9.2mm,公称抗拉强度为 1550MPa。 266.1.2 卷筒的相关尺寸计算卷筒的直径可根据式（6-3）进行计算：（6-hdDmin13）式中， 卷筒的最小卷绕直径；min1Dh与工作级别有关的选择系数，本设计中选取 14；d钢丝绳的直径；代入相关数据到式（6-3）中算得：128.8mm。设计中取 =130mm。min1Dmin1D卷筒的壁厚可根据经验公式（6-4）进行计算：（6-802.4）=0.02 130+8 11mm卷筒的转速可根据式（6-5）进行计算：（6-Dvn1065）式中 v起升速度；D卷筒卷绕直径，D= +d；min1带入相关数据到式（6-5）中算得：卷筒的转速 n=45r/min. 6.2 升降机构传动装置的选取6.2.1 电动机的选择 要将载货台、货物、附件及搭乘人员以 20m/min 的速度提升时，所选取的电动机的功率可根据式（6）进行计算：（6-106VFPQ6）式中 最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量） ；QFV起升速度，设计中选取 20m/min；机构总效率，设计中取 0.9；代入相关数据到式（6-6）中算得：P=5.6kW 27再根据机构的工作级别、作业特点以及电动机的工作特性，所选择的电动机的额定功率应满足式（6-7）：（kW） （6-PKJ7）式中 电动机的额定功率；JP稳态负载平均系数，查表选取该值为 0.80；JK代入相关数据算得：电动机的额定功率 =4.48kWJP由此，选择型号为 YZR280S10，额定功率为 27kW，转速为 582r/min，效率为92%，且 27 92%=24.844.48kW,可选。安装代号选取 1M1003，国际基准机座号为 280S。6.2.2 减速器的选择升降机构中的减速器可根据机构的传动比从标准中选用。升降机构的传动比由下式确定：（6-nim8）式中 电动机额定转速； 卷筒的转速mn代入相关数据到式（6-8）中算得： 12.93458i可选取减速器的标准型号为 ZLY180（低速级中心距为 180） 。 287 结论本次“自动化仓库机械移动装置的设计”属于工程制图设计，从机架设计以及移动装置的几个主要组成机构的结构设计着手，分析了移动装置的运行机理。论文首先从移动装置的特点及主要结构的叙述开始，接着根据其具体的工作要求和工作环境给出了移动装置的整体设计方案。然后分析门架的受力情况及依据强度和刚度设计准则，最终设计出了满足承受重载，高而窄的单立柱门架；在货叉伸缩机构的结构设计中，首先分析货叉的受力图，并推导出弯矩挠度公式，设计出货叉的外部结构尺寸，接着又设计校核了货叉内部零件的尺寸，最终设计出了满足条件、灵活、适用、简捷、方便的货叉结构。然后介绍了移动装置的行走机构和升降机构的设计计算，并确定了主要零部件的尺寸及电动机、减速器的选取；最后，设计出了一种体积小、灵敏度高、动作可靠、带有安全保护装置的单立柱有轨巷道式移动装置。由于能力有限，不足之处还需改进。 29致谢能顺利完成本次毕业论文设计，首先与我的指导老师康文龙老师的悉心教导分不开的，在此，我先向刘老师致以我深深的谢意！本次论文设计从论文的选题、撰写、修改直到打印完成自始自终都是在康老师的悉心指导和不断勉励下完成的。康老师渊博的学识、严谨的思维使我受益非浅；康老师一丝不苟的钻研精神，严谨求实的治学态度，执着忘我的工作作风，独树一帜的思维方式，无时无刻不在影响着我，定将让我终身难忘。他的言传身教，将会永远指导着我今后的学习和工作中勇往直前。在此，还要感谢机械工程学院的各位老师，在大学四年里给我专业知识上的教导以及进行毕业论文工作中所给予的帮助，他们的不倦教诲和点拨定将成为我今日点滴知识的来