双立柱巷道式堆垛机的传动设计毕业论文.doc

北华航天工业学院毕业论文19双立柱巷道式堆垛机的传动设计毕业论文第1章 绪论近年来，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。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。1.1 堆垛机简介堆垛机是一种安装了起重设备的有轨或无轨小车。堆垛机上装有电动机，带动堆垛机移动和托盘的升降，一旦堆垛机找到需要的货位，就可以将零件或货箱自动推入或拉出货架，堆垛机上有检测横向移动和起升高度的传感器，辩认货位的位置和高度，有时还可以阅读货箱内零件的名称以及其他有关零件信息。1.2 堆垛机的发展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（立柱），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，通常称之为桥式堆垛机。1960年左右在美国出现了巷道式堆垛机。这种堆垛机是在地面上的导轨行走，利用上部的导轨防止倾倒；或者相反，在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。其后，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，到目前为止，堆垛机的高度可达40m，事实上，如果不受仓库建筑和费用的约束，堆垛机的高度可以不受限制。有轨巷道式堆垛机替代桥式堆垛机主力地位的原因如下：（1） 与巷道堆垛机相比，自重很大，必须用比较坚固的建筑结构支持。（2） 为使堆垛机的大梁通过，在仓库顶部与货架之间要有很大的空间。（3） 堆垛机的通道宽度大，作业范围要受大梁的跨度的限制。与巷道无轨堆垛机相比，有轨巷道堆垛机在结构上有很大的不同。它采用钢轮在钢轨上运行，而巷倒无轨堆垛机则采用轮胎，因此在轮压不同时会产生不同的变形量；有轨堆垛机采用立柱，无轨堆垛机采用多级门架，当门架伸出时，由于门架间的间隙，货叉尖的水平和垂直位移会随门架升降高度的变化而变化。凡此种种因素都对巷道无轨堆垛机的货叉在垂直和水平方向上的定位精度产生影响。 1.3 有轨巷道式堆垛机1.3.1 有轨巷道式堆垛机的特点有轨巷道堆垛机的主要用途是在高层货架的巷道内来回运行，将位于巷道口入库台上的货物存入货位；或者将货位内的货物取出送到巷道口的出库台上。（1） 整体结构高而窄。由于采用有轨巷道堆垛机的高架仓库货架很高，而巷道很窄，堆垛机的宽度一般只与所搬运的单元货物的宽度相同。（2） 结构的刚度和精度要求高。堆垛机的金属结构设计除需满足强度要求外，结构的静刚度，动刚度是一项非常重要的指标。制动时，机架顶端水平位移一般要求不超过20mm，结构振动衰减时间要短。载货台在立柱上的升降导轨的不垂直度一般要求不超过3-5mm。（3） 取物装置复杂。堆垛机配备有特殊的取物装置，常用的有伸缩货叉，伸缩平板和可对物料箱或特殊形状货物作业的机器手，工作时，能对两侧货架作业，存取货物。（4） 堆垛机的电力拖动系统要同时满足快速，平稳和准确三个方面的要求。即要求堆垛机的工作速度高，启，制动快，尽量缩短作业周期；还要求平稳性好，启，制动要平稳，以防货物单元在载货台上发生滑移或使装在托盘上的货物发生倒塌，并减少结构的动载荷；同时要求具有较高的停车准确性，能保证载货台停在指定的货位，停车的精度在510mm。安全要求高。特别是有升降司机室的堆垛机。1.4 堆垛机的结构设计综述1.4.1 堆垛机结构的组成和形式堆垛机一般由升降机构，运行机构，载货台及取货装置组成。下面对本设计的双立柱堆垛机各机构做出介绍。 1 运行机构运行机构是堆垛机水平运动的驱动机构。一般由电动机，联轴器，制动器，减速器和行走车轮组成。按运行机构所在位置的不同分为地面运行式，上部运行式，中间运行式等，本处采用地面运行式。这种方式用四个车轮，沿设在地面的单轨运行。堆垛机的顶部有两组水平轮沿固定在上横梁的工字钢导向，上横梁用螺栓和立柱连在一起。下横梁用槽钢和钢板拼焊，行走驱动机构，主从动车轮，电器柜等都装在它的上面，下横梁的两侧还装有缓冲器，防止堆垛机在巷道两端因失控而产生很大的碰撞力。如果堆垛机要走弯道，还可对导向轨道做一些改进，本设计简化这方面的要求不考虑。2 升降机构升降机构是使载货台垂直运动的机构。一般由电动机，制动器，减速器，滚筒或轮以及柔性件组成。常用的柔性件有钢丝绳和起重链两种。除一般的齿轮减速机外，由于需要比较大的速比，因而采用蜗轮蜗杆减速机和行星减速机。起重链传动装置多数装在上部，常配有平衡重块，以减小提升功率。为使起重机构结构紧凑，常使用带制动器的电机。钢丝绳通过上横梁两侧的定滑轮与载货台上的动滑轮联接。垂直升降的支撑部件为立柱，立柱为一抗扭曲的箱形结构，而导轨就装在立柱的两侧，立柱上还装有上下极限位置开关等部件。 3 货叉机构货叉机构是堆垛机存取货物的执行机构，装在堆垛机载货台上，可以横向伸缩以便向两侧货格送入或取出货物。一般按叉子的数量分为单叉货叉，双叉货叉和多叉货叉。其中多叉货叉多用在特长货物的堆垛。货叉多采用三级直线差动式伸缩货叉，由上叉，中叉，下叉及起导向作用的滚针轴承等组成，以减少巷道的宽度，且使之具有足够的伸缩行程。货叉按结构形式分有两种：齿轮-齿条方式和链轮-链条方式。货叉的伸缩原理是下叉安装在载货台上，中叉在齿轮齿条或链轮链条的驱动下，从下叉的重点向左或向右移动约自身长度的一半，上叉从中叉的中点，向左或向右伸出比自身长度一半稍长的长度。上叉由两根滚子链或钢丝绳驱动，链条或钢丝绳的一端固定在下叉或载货台上，而另一端固定在上叉上。1.4.2 堆垛机的自动控制系统总述本巷道堆垛机自动控制系统由控制器（此处选用PLC可编程序控制器）、通讯接口（此处选用总线）、执行机构（此处选用变频器+异步电动机）、传感检测系统（此处选用光电开关）、速度位置控制系统（此处选用旋转编码器连高速计数器）、控制软件（此处即根据选用的PLC厂家提供的编程语言编辑）构成。其中位置检测与控制系统是堆垛机自动控制系统中解决停位问题的关键部分（由于停位的不准确而引起的反复起停以及过早减速而无法充分利用最高速运动都使堆垛机的利用效率降低，直接影响自动化立体仓库的工作效率，而效率问题就是现代物流取胜的关键），在控制方式上，根据控制要求，对各机构采用闭环控制系统，实现对堆垛机高速、高精度定位控制。闭环反馈的传感检测设备不采用传统的光电认址检测设备，而采用先进的高精度检测设备：旋转编码器。为了能对速度进行无级控制，采用了先进的变频调速控制技术。1.5研究背景及意义自动化立体仓库是物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。近年来，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的发展非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格；或者相反取出货格内的货物运送到巷道口。世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性。在堆垛机方面，我们应当看到和世界发达国家的差距，总结经验，找出不足，打破传统思路，推出新的外形和更高性能的堆垛机。相信，通过我们的不断努力，必能设计出高速、安全、可靠性能高的堆垛机，为增强我国综合国力，为我国填补一分科技空白。1.6研究的内容在堆垛机设计中将做以下工作：(1) 堆垛机的门架的设计计算；(2) 堆垛机的货叉伸缩机构的设计计算；(3) 堆垛机的行走机构的设计计算；(4) 堆垛机的升降机构的设计计算；(5) 堆垛机的安全机构的设计计算。第2章 堆垛机门架的结构设计计算门架是堆垛机的主要结构物，有单柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分为安装在货架上的上部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）的货合。升降台沿立柱升降，同时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。在门架上安装有卷扬、走行等机械装置，以及配置有电气控制开关、控制装置、配线等。下部支承式的集中放在门架下部。 由于走行起动、停止及加减速时产生的惯性力，门架在通道的纵向发生挠曲，整个门架成为振动体，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，使伸长着的伸缩叉的前端的挠度增大。柱端振动：和货叉前端的挠度一超过极限，就成为堆垛机自动定位的障碍，所以门架应具有足够的强度和挠度小的适当刚度。 本次毕业设计选取双立柱下部支承式门架进行结构计算。2.1 框架的弯矩和挠度堆垛机的矩形门架是超静定结构。这里按角变位移法解如下： 堆垛机门架的设计计算参数： 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 作用在门架上的惯性力：H=（/g）Q及 qh/g (:减速度，g =9.8米 /秒) hh下梁中心线分别到Q Q的中心高度 l立柱的中心距I立柱AB、DC的断面惯性距上梁与下梁端部的偏转角 R因构件两端变位产生的弯距 E：纵弹性模量 C由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项。K= I/ h立柱的刚度 K=I/l 上下梁的刚度 n=K/ K刚度比 M弯距作出作用于框架结构的惯性力图解：图2-12.1.1 有叉取作业产生的弯矩由于货叉作业，在门架上及与走行方向成直角的方向增加了弯矩，产生了扰度。但是，此弯矩相比前两种相差很大，而且不会在货叉伸出的情况下走行，所以可以认为最大弯矩为M和M合成的弯矩。 2.2 设计数据计算校核图2-2上下梁（槽钢360*320*16，I=8360厘米） 柱（400*13矩形钢管44角钢，I=19014厘米） l=3m h=20m h=18m h=2m h=1m a=0.5mQ=350kg Q=2300kg Q=400kg Q=400kgq=0.85kg/cm /g=0.1 H=0.1Q堆垛机总重量（自重+载重）=8000kg载重增加25%作为试验载荷，为1500*（1+25%）=1875kg关于载荷的补加系数，查阅资料对堆垛机的冲击系数=1.4，作业系数M*=1.1，校核合格。2.2.1 各部分的弯矩n=K/K=Ih/Il=2.73固端弯矩：C=24.9Nm C=28.6 NmC=57.4 Nm C=34.5 NmR=R+R=0.0018+0.00075=0.00255走行停止时产生振动的立柱上端的线变位： =17800.00255=4.54cm(注：值容许范围一般在2.55cm,符合要求)由水平载荷产生的各部分的弯矩：M=M*（M+M）=1.1（186.5+76.5）=289.4 Nm M= M*(M+M)=1.1(170.7+73.4)=266.1 NmM= M*(M+M)=1.1(178.2+73.4)=276.8 Nm M= M*(M+M)=1.1(176.2+75)=276.3 Nm由走行轮的反力产生的各部分的弯矩:V=M*(8000-2300-2300)/2=4906kg固端弯矩: C=490645=220. 8Nm因此:M=87.4 Nm M=28.2 Nm M=133.4 Nm最大弯矩:M= -289.4+87.4= -201 Nm M= -266.1+28.2= -237.9 Nm M=266.1-28.2=237.9 Nm M=276.8+28.2=305.0 Nm M= -276.8-28.2= -305.0 Nm M= -276.3-87.4= -363.7 Nm M=276.3+133.4=409.7 Nm M=289.4-133.4=156.0 Nm2.2.2 结构构件的弯曲应力上下梁的断面系数Z=498 cm,柱的断面系数Z=789cm则:= -2560N/cm = -3010N/cm =4780 N/cm =613 N/cm = -3870 N/cm = -4610 N/cm =8230 N/cm =2870 N/cm随着堆垛机往复运动,这些应力交变出现,在下梁A和D点产生最大应力振幅.如用应力比法,则K= -2870/8230= -0.35,按切口分类为a,可查出疲劳许用应力为12500 N/cm.故能满足上述弯曲应力条件.第3章 堆垛机伸缩货叉机构的设计货叉是堆垛机中最主要的部分, 所设计的货叉,是三节伸缩式货叉,即由上叉、中叉、下叉以及导向滚子等构成的货叉. 它主要由电机、减速器、链轮、链条、下叉、中叉、上叉、等组成.如图所示.3.1 伸缩货叉的扰度与强度图3-1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、E: 材料的纵弹性系数3.1.1下叉的受力分析:如图a,假设l为不变形部分的长度. 图3-2P=W l/b ,ax l时的弯矩为M= - P(x-a)3.1.2 中叉的受力分析因载荷W的作用,在b间产生反力P,P,设点的设点的倾角为i,扰度为 M= Px=x = -= -i= -+i-(4)= -+ ix+-(5) 因x=b时, =0, =0 则i=-(6)将(6)代入(4),求x=b时的倾斜角i= - = -把b段作为刚性,c点作为固定端考虑,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叉子前端产生的扰度为和,则 M= - P(x-d)+ PxP=W P=W= -dx= - Px- P(x-d)在x=l时 = -(e+d) l-e(l-d)其次i= -dx= -当x=l时, i= -e(l-d)+(e+d)l所以 = i(l-l)3.1.3 前叉的设计分析载荷W在d区间产生的反力有P, P，在E点的倾斜角为i，扰度为,受力分析如下： 图3-3则 M=x = -= - i= -+i-(7) = -+ix+-(8)当x=d时, =0, =0 , i=-(9)将（9）代入（7），当x=d时 i= - = -(l-l) 因此，设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总扰度为 =+（注）当托盘货架进深为120厘米时，值应控制在1015毫米。 3.2 货叉各参数的选择a=65cm b=40cm c=20cm d=40cm e=15cml=100cm l=60cm l=75cm l=120cm结合上节导出的公式故可取上叉、下叉、中叉长为：L= l=25=120cm L=b+c+d+25=120cm L= l-c+ 25=120cm上叉为板状，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。 3.3 货叉内部零件的选取与校核3.3.1 轴承的选取校核设计选取货叉伸缩机构的工作速度为10m/min则每个轴承所承受的压力为F=150010/4=3750N转速为n=10000r/d (r/min), 取C=110 则 d=C=110 d=16.2mm取d=20mm, 则n=10000/20=159.2r/min 查表7-2-52，选择深沟球轴承，代号为6404其基本参数为：d=20mm D=72mm B=19mm c=31.0KN c=15.2KN 径向载荷 F=150010/4=3750N轴向载荷F=0N F/ F=0e=0.26查表得x=1 y=0 P=x F+y F= F=3750N又查表得：f=1.1 f=1 f=0.485 f=2.29 f=1C= P=3750=19.4KN31.0KN= c轴承的额定静载荷P=0.6 F+0.5 F=22503750N因P F 故取 P= F=3.75KNh=6000h 故轴承寿命满足条件。则轴承选取合适。3.3.2 链轮、链条的选取校核 设轴径d=80mm，链传动比i=1，链速n=V=159.2r/minP=0.11. 选择链轮齿数：初步确定Z=242. 定链的节距 取K，齿数系数K，多排链系数K 所需传递功率为 由此，可选取满足条件的10A链，P=12.7mm 3. 定链长、中心距 初定中心距a=40p，则链节数 L=101节 链长L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m中心距a=508mm 中心距调整量 实际中心距4 求作用在轴上的力 工作拉力F=1000P/V=1500N 作用在轴上的压力F=1.2F=1800N轴径 取d=16mm 取轮径D=80mm 计算结果总汇：中叉与下叉之间用链条10A-1*200节，中叉与上叉之间的传动用板式链LH0823*200第4章 堆垛机行走机构的设计计算首先，堆垛机的驱动型式设计成“下部支承下部驱动型”，该型式的走行装置安装在下梁上，通过减速装置驱动走行轮，走行轮支承堆垛机的全部重量，在单轨上走行。4.1 堆垛机走行轮的设计走行轮有主动轮与从动轮各1个，由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会对走行轮产生侧压，为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行现象，需安装侧面导轮驱动轮的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式：P=KD（B-2r）（kg） 且K=（kg/cm）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） k许用应力（球墨铸铁的许用应力为50）（kg/cm）首先确定B=6.4cm，r=0.2cm, k=50 kg/cm, v=90m/min则 K=36.4（kg/cm） P=()/4=(350+2300+400+400+0.85+350)/4=7200/4=1800kg则代入上式可得：D=8.2cm，则车轮的轴径为d=11.2mm取d =50mm,车轮直径可适当取大为D=100mm则走行轮的转速为n=901000/100=287r/min轴上的轴承选取型号为61810，基本尺寸为：d=50mm, D=65mm, B=7mm.4.2 走行装置的电机、减速器的选取 走行装置在额定速度下必需的功率为：P=（KW） 其中，式中，走行阻力 d走行轮轴的直径 摩擦系数 f滚动摩擦系数 Q堆垛机的总重量由此，求得P=则可选取电机型号为Y200L1-2，转速为1400r/min,额定功率为30KW，效率为90%，且3090%=27，可选安装型式选取B3，国际标准机座号为200L55。为此，减速器的传动比为i=18.6，则可选取减速器标准型号为WUD30DD-B14.1 ZBA 90B4B020。第5章 堆垛机升降机构的设计计算 升降机构采用钢丝绳卷筒装置结构，用钢丝绳作柔性件，质量轻，工作安全，噪声小，其传动装置一般装在下部。卷筒为带沟的圆筒，钢丝绳在沟内缠绕的方向与缠入沟内的钢丝绳方向之间的角度不超过4度。 升降机构的设计传动链：电机-联轴器-减速器-卷筒-钢丝绳-货台。5.1 升降机构零部件的设计计算定滑轮的轴径与轮径的设计计算：则对定滑轮n=100020/3.14d, p=(1500+2300)10/4=9500N则 mm选取滑轮的轴径d=50mm，轮径D=280mm则滑轮的转速n=127.39r/min选取卷筒的直径为D=412mm,卷筒的轴径取为d=220mm则卷筒的转速n= nD/ D=63.7r/min每根钢丝绳所承受的拉力为F=(1500+2300)10/4=9500N=9.5KN则手选钢丝绳为第二组619（a）类。选取钢丝绳公称直径为6mm，公称抗拉强度为1570MPa钢芯钢丝绳的最小破断拉力为20.10KN9.5KN,满足要求。5.2 升降机构的电机减速器的选取将载荷W+货台的自重G以速度v米/分提升时的功率为：=KW由此，选取电机型号为Y315S-10，额定功率为55KW，效率为92%，转速为1400r/min,选取安装型式为B3，国际标准机座号为315S75。则减速器的传动比为i=59减速器的型号为WUD30DD-B14.1 ZBA 90B4B020。5.3 制动器的制动容量的设计 在堆垛机上使用的制动器，在走行装置上作走行减速与停止之用。在升降方面用来使运动中的载荷减速并在停止后保持安全，必须有足够的制动转矩。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，但一般在走行方面的制动转矩值为电机额定转矩的100%即可。结 论本次“双立柱巷道堆垛机的设计”从门架设计以及几个主要重点机构的结构设计着手，分析了堆垛机的运行机理。论文首先从堆垛机的特点及组成形式开始，接着分析门架的受力情况及推导出门架的弯矩及挠度关系式，再设计出数据进行校核，最终设计出了满足承受重载，高而窄的双立柱门架；详细重点设计了货叉伸缩机构的结构设计，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，并选取出适宜的电机、减速器；介绍了堆垛机的升降机构和行走机构的设计计算，并确定了尺寸及电机、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、带柔性装置的堆垛机安全机构的设计方案，并给出详细尺寸及夹轨原理。本次设计，囊括了大学四年所学知识的方方面面，是我在以后的学习工作之前，对各个学科课程的一次深入的综合性的练习，锻炼了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力，并为以后的工作学习打下良好的坚实的基础。本次设计是对四年以来学习的总结，并锻炼了总体设计的能力。由于本人能力有限，以及时间上的仓促，设计中难免有考虑不周与设计不正确的地方，希望各位老师能够给予谅解，并提出您的宝贵建议，我将不胜感激！ 致 谢 能顺利完成本次毕业论文设计，首先与我的导师魏彩乔老师的悉心教导分不开的，在此，我先向魏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魏老师的悉心指导和勉励下完成的。魏老师渊博的学