堆垛机结构设计

1、堆垛机的结构设计摘要关键词刖言1. 绪论1. 自动化立体仓库的起源与发展 1.2课题的提出及主要任务 1.2.1 课题的提岀 122课题的主要任务 1.3堆垛机的分类1.3.1巷道式堆垛机的分类.1.3.2巷道式单立柱堆垛机.1.3.3双立柱巷道堆垛起重机1.3.4桥式堆垛起重机1.4.1单立柱堆垛机的结构.1.4.2单立柱堆垛机的优点.1.5单立柱堆垛机的工作方式 2. 堆垛机的运动循环和各部分速度计算 2.1堆垛机的运动循环 2.2堆垛机各个部分运动速度计算 2.2.1走行速度2.2.2升降速度2.2.3 货叉的伸缩速度2.2.4 额定数据表3. 堆垛机各部分的结构设计和力学分析 3.1堆

2、垛机的外载荷计算 3.2沿巷道纵向平面受力分析 3.3 . 1单立柱堆垛机静态刚度分析 3.3.2 弯矩放大系数 3.3.3 立柱结构临界载荷 3.4堆垛机的设计计算3.4.1 主动行走轮直径的确定 342 行走电动机的选用 3.4 . 3升降电动机的选用 344 伸缩运动电动机的选用 3.5验算运行速度和实际所需功率 结论参考文献【附表1】【附表2】致谢立体车库堆垛机结构设计摘要自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作，半自动操作和全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横

3、梁，下横梁，立柱），水平行走机 构，载货台，货叉及电气控制系统构成。本文主要是通过对一套实验室教学装置为基础，以实际为参考而建立的虚拟自动化立体仓库堆垛机系统，作者主要对堆垛机的分类进行简要的介绍，对堆垛机的各个部分的结构进行详细的研究首先对不同堆垛机简介和描述，然后通过巷道堆垛机进行整体分析并设计各个部分的结 构，完成对各个部分的受力校核。关键字：立体仓库堆垛机 结构 受力校核冃U言随着经济的发展和技术的进步，企业物资仓储的手段在不断地改善，自动化立体仓库己成为当今企业发展的强劲趋势。近年来，随着物流内涵的不断扩展，物流管理手段、技术都在不断地改善和提高，缩短物流时间、节省物流费用、提高物流

4、效率、使物流组织合理化是经济发达国家 物流发展的共同特征，目前已拥有了现代化的物流业基础设施自动化立体仓库系统是现代物流系 统的一个重要组成部分，广泛应用于各行各业中。目前，它已经成为企业生产和管理信息化的标志之一。本次毕业设计主要以三维立体车库为研究对象主要从车库的机械结构方面展开对自动化立 体仓库的研究。首先从机械式立体仓库的总体结构，了解三维立体仓库堆垛机的主体钢架，升降机构，横移机构及旋转台等组成部分的结构及运行原理，分析仓库的关键结构部件的堆垛机的种类及其特点，重点完成不同堆垛机的结构原理及其适应场合。这些任务的完成要求我们熟练掌握和运用所学过的机械以及控制部分的知识，对我们进一步巩

5、固和加强专业知识和培养专业技能有很重要的实践意义。1绪论自动化仓库是近代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，具有节约用地和人力，作业迅速准确，提高保管效率以及降低储运费用等许多优点。随着物流系统的进一步合理化，采用电子计算机连线控制的自动化仓库，已经发展成为连接生产与消费的重要环节，即不仅具有高效率储存的功能，而且兼有控制生产或销售活动的功能。堆垛机是自动化立体仓库中重要的起重设备，本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。1.1 自动化立体仓库的起源与发展立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后产生和技术发展的结果。50年代初，美国岀现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初岀现

6、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。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很

7、高的空间利用率、很强的入岀库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成 为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。1980年，我国第一座自行研制的自动化立体仓库开始投产以来，在汽车、化工、电 子、烟草等行业的应用逐年增长。其中，最具典型意义的是我国家电龙头企业海尔集团 国际物流中心的立体仓库，该仓库高22米，拥有18056个标准托盘位，包括原材料和产成品两大自动化物流系统，全部实现了现代物流的自动化和智能化。近几年我国计算机自控技术的飞速发展，为我国自动化立体仓库的发展提供了重要的技术支持。自动化立体仓库不仅具有节省和减轻劳动强度、提高物流效率、降低储

8、运损耗、减少流动资金积压等优势，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们可以真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。1.2 课题的提出及主要任务1.2.1 课题的提岀使用巷道式起重堆垛机的立体仓库（或称自动化仓库），由于能节约劳动力， 作业迅速准确，提高保管效率，降低物流费用而问世。 并且只要需要，课满足在规定的时间内把指定的物品进行 自动收集和分发的要求，因而受到产业的重视自动化立体仓库的优点主要有以下方面：1 由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库（一般是单层仓库的 4-7倍）

9、。目前，世界上最高的立体仓库可达40多米，容量多达 30万个货位。2仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省 人力，减少劳动力费用的支岀，另一方面能大大提高作业效率。3.采用计算机进行仓储管理，可以方便地做到“先进先岀“，并可防止货物自然老化、变质、生锈，也能避免货物的丢失。4 .货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业的自动控制，而且能够进行信息处理。5能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境的要求。例如，胶片厂把胶片卷轴 存放在自动化立体仓库里，在完全黑暗的条件下， 通过计算机控制可以实现胶片卷轴的自动岀入库。6 采用托盘或货箱存储货物，货物的破损率显著降低。

10、1.2.2课题的主要任务本次毕业论文需要完成的主要任务如下：1、研究堆垛机的结构，了解堆垛机的分类，结构特点以及各自适合的不同场合2、分三个部分进行功能模块设计：行走机构，升降机构，货叉的伸缩机构，并详细阐述每 部分设计要点与设计过程。3、对堆垛机的各个部分的材料，连接 方式，电机进行选取。4、对堆垛机的各个部分受力进行分析。1.3堆垛机的分类1.3.1巷道式堆垛机的分类按用途分：单元型，拣选型，单元一拣选型三种按控制方式分：手动，半自动和全自动三种按应用巷道数量分：直道型，转弯型和转轨型三种按照金属结构的形式分：单立柱和双立柱两种图1-1巷道式单立柱堆垛机1.3.2巷道式单立柱堆垛机单立柱结

11、构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。立柱多采用较大的 H型钢焊接制作，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。该设备的参数如 下所示。主要性能：仓库高度 624m,最大40m运行速度：标准型 80m/min、 高速型200m/min ；起升高度：标准型 Hmax = 20m/min、高速型 Hmax=50m/min；货叉伸缩速度： Vmax = 12m/min（标准性）、50m/min（高速型）。1.3.3双立柱巷道堆垛机机机架由两根立柱和上横梁、梁组成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管，方管兼做起升导轨， 圆管需附加起升导轨。1-2双立柱巷道堆垛1.3

12、.4桥式堆垛起重机主要由桥架、大车运行机构、小车运行机构、电气设备等部分组成。其工作原理可参考第五章桥式起重机部分。操纵司机室有单独的起升机构，保证司机有良好的视野，同时司机室还安装有安全装置，保证了操纵者的安全。起重机还装有多种安全装置，保证了起重机的安全工作。图1-3桥式堆垛起重机1.4.1单立柱堆垛机的结构如图4-1和图4-2所示，单立柱堆垛机是有下横梁，立柱和带货叉的载货台组成。装在下横梁上的行走轮在固定于地面上的轨道行驶，立柱顶端装有导轮，它行走在巷道顶部的工字钢中下横梁上装有行驶机构，主，从动行走轮，电机，通信，控制部件等。立柱为一箱形结构。匚砂丄3i 14 Attfr6 -mv?

13、 MH戦金"*o 3忡IM*I图1-4单立柱堆垛机示意图单立柱堆垛机主要由以下几个部分组成：1.上横梁，2.上水平导轮，3.货叉机构，4.载货台，5. 松绳过载安全装置，6司机室，7断绳安全装置，8立柱，9.起升机构，10.电气控制柜，11. 运行机构。图1-5单立柱堆垛机结构图（proe ）142单立柱堆垛机的优点单立柱堆垛机的优点主要集中在以下几点：结构简约节省材料从而节省投资，简单实用，故障率低，维护方便。运行高速150米/分和45米/分，货叉在超长超高巷道满载运行时，运行和升降速度分别最高可达到 叉取速度最快达到 30米/分。操作简单人机操作界面（HMI）采用西门子触摸屏；取

14、消大部分按钮、旋钮和表示灯，仅保留电源开关和急停按钮。操作非常简单和方便；多重冗余操作模式：联机自动/单机自动（地面设置操作站时可在地面操作）/手动（自动定位）/维修（点动），且在操作界面上一键切换：；HMI帮助可 指导用户轻松完成各部件的日常维护工作。高安全性运行、升降和货叉机构设有多重机械安全保护装置和电控安全保护功能，总计达到19种之多，确保堆垛机设备安全平稳工作和货物的安全储存与传送。高可靠性2万小时以上电控器件全部采用国际知名品牌，关键器件无故障工作时间达到高智能化当运行过程中发生自动接收、分析和执行指令；自动记录并上传所有状态信息和故障数据; 各种异常时，能瞬间自动停止运行并报警。

15、现今，越来越多的商家把注意力集中在单立柱堆垛机上。单立柱堆垛机以其结构简单， 重量轻 巧著称，但其受力情况比较复杂， 在设计时，必须 对各个部分进行优化设计，避免自重过大。1.5单立柱堆垛机的工作方式巷道单立柱堆垛机共有三中运动，在轨道上 的运动为行走运动， 将其视为丫轴向运动。在竖直 方向为载物台的升降运动，将其视为Z轴向运动。载物台上的货叉进行存储作业的运动为伸缩运动, 坐标系，图4-3是堆垛机正常作业的示意图。将其视为X轴向运动。可将三个运动建立三维图中：1.立柱；2.货叉机构；3.载物台；4.导轨；5地面导轨；6提升机构；7钢丝绳；8滑轮;9上部导轨图1-6堆垛机正常工作示意图。2 堆

16、垛机的运动循环和各部分速度计算2.1 堆垛机的运动循环为了合理运用自动化立体仓库以及分析堆垛机的运动特性，必须掌握正确的岀入库能力,即堆垛机的运动循环。在这里来讨论一个回流是仓库，它的岀入库口设在货架的同一侧货架全怪出入库台C3展合箱环E3单一循环图2-1垛机的运动循环图由堆垛机的运动循环图可知堆垛机的运动分为以下几种：1 入库（空载）一一任意货位一一出库（荷载）2 入库（荷载）一一任意货位一一出库（空载）3 入库（荷载）一一任意货位一一空载运转一一任意货位一一出库（荷载）4 入库（空载）一一任意货位一一荷载运转一一任意货位一一出库（空载）2.2 堆垛机各个部分运动速度计算加速度时容易是货物倒

17、塌。载人堆垛机的加减速度一般在0.30.5米/秒2。不容易产生货2物倒塌的箱式托盘等减速度在1米/秒 以下，走行停止前得爬行速度（即微动速度）宜为46米/秒2 （爬行行程因堆垛机总质量不同而异，约为0.30.6米）。现在趋向于采用更快的最高速度。另一方面，为确保货台的停位准确，停止前得升降微速希望在5米/分以下。2.2.1 走行速度Vx05丄bxvx0.530 0.4=1.732m/s通过对【附表1】选择走行速度为 100m/min式中 Vx 堆垛机的走行速度（米 /秒）：b x 堆垛机的走行加速度（米/秒2）；L最大走行距离（米）10%选择的速度如果显著少于这即使选择的速度超过这个数值，作业

18、周期的缩短也少于 个数值，作业周期就要大大增加2.2.2 升降速度VwH VZLVw6 1.6730=0.334m/s通过对【附表1】选择升降速度为 20m/min。式中V w堆垛机的升降速度（米 /秒）：H最大走行距离（米）10%勺值即使超过这个速度，作业周期的缩短一般也远远少于2.2.3货叉的伸缩速度VzVz工bz2Jl.5 0.22=0.273通过对【附表1】选择升降速度为 16m/min。式中 V z堆垛机的升降速度（米 /秒）：2 bz堆垛机的伸缩加速度（米 /秒）;Z最大伸缩距离（米）2.2.4额定数据表 通过上述计算堆垛机各部分数据如下表所示表2-1堆垛机额定数据表走行速度1 0

19、0米/分走行加减速度0.4米/秒2升降速度20米/秒升降加速度0.3米/秒2货叉伸缩速度16米/分货叉伸缩加速度0.2米/秒2货架规格30000*12000*2000单元货架规格1000*1200)*2000货架层数10货架行数30堆垛机各部分的结构设计和力学分析3.1.1堆垛机外载荷计算1.载物台滑轮压力由图3-4,3-5和3-6所示载物台在 OYZ平面内载荷图,艺m = 0得正滚轮压力(Q + G5)L1 + G1L2 + G6L3有：P1KN (3-1)图2-3堆垛级载货台载荷受力图图2-2堆垛机载荷受力图图2-2和2-3中G:立柱重量 G1 :货叉电机驱动系统重量G2水平驱动系统重量

20、G3 :垂直驱动系统重量G4 :电机柜重量G5货叉系统重量G6 :载物台重量 P :滚轮压力 Q:额定载荷内载物台结构图2-4 OYZ平面内堆垛机结构由图2-6立柱在XOZ平面受力图，艺m = 0得侧滚轮压力有：P2 (Q G5)LS由式3-1和3-2得滚轮压力：p= Jp2 E2KN (3-2)KN(3-3 )Q+&图2-6 XOZ平面受力图2 总提升力由受力分析可得艺Fz = 0，得：T = Q G5G6G1 KN（ 3-4）3 立柱顶部作用力利用图3-8表示的堆垛机载物台卷扬机系统的力学简图，由此可确定立柱顶部上横梁上的作用力F,即立柱的轴向受力。（1）起升载荷T = (Q G5

21、 G6 G1) kn (3-5)-为动力系数，是由最大起升加速度决定的(2) 滚轮摩擦力(3-6)Ff = 2(R + F2)fkn式中f为滚动摩擦系数。载货台T+FfT1图2-8提升绳的受力简图(3) 提升绳的张力T FfnKN(3-7)式中为提升系统效率(3) 立柱顶部压力根据式3-7有:F = 3T1G滑轮+ G上横梁KN(3-8 )其中G滑轮和G上横梁分别为顶部滑轮和上横梁的重量。通过以上分析可知，立柱在两个平面内分别承受外载荷的作用，但在XOZ平面的力只有在堆垛机停稳，货叉伸岀存取货物是才存在，所以，对立柱只进行YOZ平面的受力分析。3.2.1沿巷道纵向平面(YOZ平面)受力分析当载

22、物台满载位于最高位置，以最大加减速度启制动，立柱受力处于不利情况。此时的YOZ平面结构计算简图如 3-1.图3-1 YOZ平面受力简图图中H和B分别为堆垛机总高与行走轮间距，PH:水平惯性力，h:上滚轮距离顶端距离，bl和b2立柱距离两边距离。立柱横向力矩为：M 正=T S KN/M(3-9)将4-1式代入上式有:M 正=(Q+q)Li +0合 L2KN/M(3-10)立柱横向力平、Ph用下式计算:PH MaS kn(3-11 )式中a式最大加速度 m/s , M为各个部分质量换算的等效质量。3.3.1单立柱堆垛机静态刚度分析立柱的静态刚度是以载货台位于立柱的最高位置时，顶端在巷道纵向平面内的

23、挠度来表 征，要求设计挠度应当小于许用值，即ff。端部产生的水平位移主要有三部分组成：1.在M作用下，立柱端部的水平位移f0；2.在M作用下，下滚轮处截面的转角1引起的端部水平位移f 仟'1h；3.下横梁和立柱连接处截面转角'2引起的立柱顶部水平位移f2 2比(1)fo的计算 图4-10为结构受力简图WpIMJ图3-2堆垛机刚度计算简图其中由外载荷弯矩M p和M1计算有:_小2 门、HabM 2HbMM(H -h )厂P =3B30 2 22EI 柱 2 + l 梁2二 M(H2-h2) MH (a+ b)一+ 3BEI 梁 式中：I柱为立柱截面垂直纵向平面的惯性距；i梁为下横

24、梁截面垂直纵向平面的惯性距;E 为材料的惯性模量。(2)fl的计算 由外载荷弯矩图Mp和M2计算有:HabM 丄 Hb2MM(H2-h2) + 石厂二-2EI柱EI梁M (H2 - h2) MH (a+ b)2EI 柱 + 2BEI 梁(3-12)(3-12)F1 hFiMh( a+b)3EI 梁 B+hm( H-h)EI柱3-3(4-14)下横梁的计算(4) f2的计算 求f2要单独取下横梁为研究对象，4-11为其计算简图，GO为下横梁支撑上部重量。G0 = Q G GG2G3G4G5G6件 13)由图3-11计算得：f 2 h“ GOHab(b- a) f 23EIB由上述计算可见，下横梁

25、的因素引起的立柱顶端挠度与立柱的高度成正比，所以，增强横梁对改善结构系统的刚度很重要，在设计下横梁的时候，总是尽量避免岀现明显的下挠，所以，由下横梁的变形而引起的挠度常忽略不计。3.3.2弯矩放大系数由图4-9中YOZ平面内，立柱承受轴向压力F,横向力Ph和横向力矩 M正的共同作用,是压弯构件，它可以简化认为：轴向压力始终平行于 Z轴，并在顶湍作用有弯矩， 因而立拄弯 曲 变形可用图4-12表示。图中f 0是由横向载荷 Ph与M正的作用在顶端产生的挠度。 在轴向力F 的作用下，挠度由f 0增大为f ，根据弹性分析。图3-4结构挠曲变形示意图称为挠度放大系数。F1式中，Fk是立柱中心受压的临界载

26、荷。由图3-12立柱任意截面 z的弯矩为:Mz - F（f -y） Ph（H -Z） M正Ph H_ _ _令 Z M 正=M X （Z）MX（z）为横向弯矩，则有M（z）二 F（f - y） M X（z）当z=0，y=0，立柱根部有最大弯矩maxi y=O,x=O=MX+Ffmaxi y=0,x=0MxFfomaxi y=0,x=0=xM式中X333立柱结构临界载荷图3-5立柱承受临界载荷分析示意图当立柱顶端作用有临界力Fk ，产生侧位移S时，下端由于下横梁的抗弯刚度阻碍其截面自由产生转角，因此下横梁是立柱的弹性支座，弹性转角为是支座截面上作用单位载荷时引起的弹性变形。根据压杆稳定计算的基本

27、假定，从图3-13可得立柱任意截面（图示的Z截面）上的力学平衡方程:（3-1 ）平衡微分方M（z）Fk（y）y'' ny' = n式中Elx通解：y = Acos(nz) Bsin(nz) (3-2)边界条件：z = 0 处y = 0 ，得A = 0z = 0 处 y，='' = - 1F ,得：2nB -Fk = nB -n Elx = 0(3-3)z = H 处 y ='，得：Acos(nH) Bsin(nH)二 0边由和。以表示求解以 A、B、S为未知数的三元一次方程组的系数行列式，该方程组是由界条件确定的。为了确定值，先计算下横粱和立柱连

28、接处截面产生单位转角的力矩。根据位移法,于节点单位位移引起的附加约束反力矩M r等于节点各杆由于单位位移产生的杆端弯矩之i1 、i2分别表示两段下横粱的线性刚度，ilEI2Xbii2EI2X(3-4)Mr 二 3i1 3i2Mr3El2x(b b2)(3-5)Db2由M r和的物理含义可得如下关系式：_db2- 1 一3El2x(b + d)cob - b1b?3EI2x(b1 b2)(3-6)式中I 1x和I 2x分别是立柱和下横梁截面X方向的惯性力矩，而定的常数。C值确定后公0式的cot e。确定e 0值后由n00可得立柱中心受压临界力：HFk 二 n0EI1X（3-7）式中E是结构材料的

29、弹性模量。在计算Fk时，可在假设下横梁的刚度比较大，发生的变形很小时考虑，立柱下端可当作固定端，则由压杆稳定性条件计算2ei1X4H3.4堆垛机设计计算3.4.1主动行走轮直径的确定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：KD'（B- 2r） Kg且：240KK kg/cm240 V式中，G 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

30、用应力系数（kg/cm 2） 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 2 ）首先确定 B=6.4cm， r=0.2cm, k=50 kg/cm 2 , v=100m/min则有：240K240 V/24070K 二240 100K = 35(Kg/cm2)G =2000/2=1000kg则代入上式可得：D ' =7.2cm ，=10.32mm则车轮的轴径为:Dmin取d =15mm,车轮直径可适当取大为D=100mm轴上的轴承选取代号为6310，基本尺寸为：d=50mm, D=100mm, B=27mm。3.4.2行走电动机的选用有轨巷道堆垛机的运行机构的电动机的功率，是根据堆垛机满载稳定运行时的静阻力进行计算。按照运行静阻力、运行速度计算机构的静功率。静功率（kw）