自动化立体车库堆垛机设计

自动化立体车库堆垛机设计

目 录

第1章 概述 ..................................................................................................................................... 1 1.1 自动化立体仓库的重要意义 .............................................................................................. 1 1.2当今立体停车库简介 .............................................................................................................. 2 1.3机械式立体停车库的主要类型 ............................................................................................. 3

1.3.1升降横移类(PSH)立体停车设备................................................................................ 3 1.3.2垂直循环类(PCX)立体停车设备 ............................................................................... 4 1.3.3垂直升降类(PCS)立体停车设备 ................................................................................ 4 1.3.4巷道堆垛类(PXD)立体停车设备 ............................................................................... 4 1.3.5水平循环类(PSX)立体停车设备................................................................................ 5 1.4机械式立体停车库的特点 ..................................................................................................... 5

1.4.1经济效益显著、投资成本低、运行费用小 ............................................................. 6 1.4.2安全性好、效率高、自动化停取 ............................................................................. 6 1.4.3形式多样、适应性强、对环境的副作用小 ............................................................. 6 2.1 巷道堆垛式立体车库的结构组成 ...................................................................................... 7

2.1.1双立柱结构的堆垛机 .................................................................................................. 7 2.1.2单立柱结构的堆垛机 .................................................................................................. 7 2.2堆垛机在巷道式立体车库中的作用 ..................................................................................... 7 2.3有轨巷道堆垛机的运行轨迹 ................................................................................................. 7

2.3.1直线运行堆垛机 ........................................................................................................... 8 2.3.2曲线运行堆垛机 ........................................................................................................... 8 第3章 巷道式立体车库车辆搬运堆垛机设计 ............................................................................ 9 3.1堆垛机的技术参数对车库存取效率的影响 ........................................................................ 9

3.1.1堆垛机的货叉下挠度 .................................................................................................. 9 3.1.2堆垛机的尺寸参数 ...................................................................................................... 9 3.2 堆垛机的方案分析 ............................................................................................................... 9

3.2.1立柱组成 ..................................................................................................................... 9 3.2.2货叉装置 ....................................................................................................................... 9 3.2.3载货台 .........................................................................................................................10

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3.2.4上横粱 .........................................................................................................................10 3.2.5起升装置 .....................................................................................................................10 3.3传动方案的设计 ....................................................................................................................10

3.3.1机械传动 .....................................................................................................................10 3.3.2液压传动 .....................................................................................................................10 3.3.3 电传动 ........................................................................................................................10 3.3.4结论 .............................................................................................................................11

3.3.4.1钢丝绳传动特点： .........................................................................................11 3.3.4.2链传动特点： .................................................................................................11 3.3.4.3齿轮传动特点： .............................................................................................11 3.3.4.4带传动的特点： .............................................................................................11

3.4传动计算 ................................................................................................................................12

3.4.1提升电机、链条、链轮的选择 ................................................................................12

3.4.1.1计算提升电机的额定功率： ........................................................................12 3.4.1.2链轮的选择 .....................................................................................................13 3.4.1.3提升链轮设计 .................................................................................................13 3.4.2齿轮的设计 .................................................................................................................14

3.4.2.1按齿面接触强度设计 .....................................................................................15 3.4.2.2齿根弯曲强度计算 .........................................................................................16 3.4.3减速传动链轮及链条的选择 ....................................................................................17 3.4.4齿轮上轴承的选择 ....................................................................................................18 3.4.5行走车轮、轴承及电机的选择 ................................................................................19

3.4.5.1车轮的选择 .....................................................................................................19 3.4.5.2车轮轴上的轴承： .........................................................................................19

3.5结构设计和强度校核 ............................................................................................................20

3.5.1导向轮的设计 .............................................................................................................20 3.5.2提升平台设计 .............................................................................................................20 3.5.3强度校核 .....................................................................................................................21

3.5.3.1车轮轴的校核 .................................................................................................21 3.5.3.2立柱设计与校核 .............................................................................................23

第4章运动控制方案 ......................................................................................................................25

4.1控制系统选型 ........................................................................................................................25 4.2立体车库堆垛机控制的设计 ...............................................................................................26

4.2.1立体车库的电器控制 ................................................................................................26 参考文献 .......................................................................................................................................27

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第1章 概述

1.1 自动化立体仓库的重要意义

自动化立体仓库集成了通信技术、自动控制技术、检测技术、数据库技术和优化调度技术于一体,是现代物流的重要组成部分。由于自动化立体仓库空间利用率高、管理方便及自动化程度高,其应用也越来越广泛。随着红外线、高性能的PLC、高性能的变频器及激光测距等新技术的广泛普及和应用,立体仓库堆垛机的运行速度有了明显的提高,原有的控制技术已经不能满足新型自动化仓库的需求,必须做出相应的调整。体现堆垛机性能高低的主要指标有:运行速度、平稳性、振动与噪音、认址精度、提升速度以及货叉的速度等。城市用地分配有其合理的比例，根据城市地理学与城市经济学的研究证明，城市本身在一定的技术条件下有其理想的再打就会产生规模不经济，而分配给交通运输系统使川的土地包括道路与停车场也是有一个合理的比例，一般在总土地面积的10％~20%比较合理，因此科学的城市发展规划是非常重要的。当前，一些城市规划中的停车场大多书留在面型，单位面积的泊车数量受到极大限制，泊车位增量缓慢，根本满足不了汽车保有量迅速增长的需要。如何在有限的土地上建设较多且经济的停车位，来满足汽车迅速增加后产生的“停车难\的问题，世界发达国家的经验—发展立体停车库应是值得我们借鉴的。

市区的停车要达到近1000个，而且目前城区可使用的泊车位不足1200个，泊车难、路边和人行道乱停车等违章泊车的现象越来越严重。乍看起来好像尽是汽车乱停乱放的交通问题，但其深层次的社会影响是不合忽视的。城市机动车保有量的迅速增长与城市停车场建设滞后的矛盾逐渐凸现，路边停车、人行道停车造成城市交通阻塞，城区道路拓宽对改善交通状况的效果未能得以真正的体现，该问成为影响和制约城市建设和经济发展的一个重要因素，随着经济迅速发展，这一问题已经大市向中小城市拓延开来，以长三角区域经济很发达的中小城市绍兴市为例它是海国际大都市为中心的长三角经济圈1 0个发达城市之一，200 2年市区人均(GDP为5200美元，中国轻纺城坐落地绍兴县人均GDP为7600美元，轿车的购买力强盛，目前，绍兴市的汽车保有量约15万辆，其中绍兴市区的汽车保有量近3万辆，加上绍兴县的约3万辆汽车约三分之一在市区行驶，除交通拥挤外，市区的泊车足，按照畅通工程B类城市的要。 随着我国经济发展度的加快和城市化水平的提高人均GDP超过4500美元城市队伍不断扩大，家庭轿车购买力不断提升，国家发展和改革委员会起草的《汽车产业发展政策》和《汽车消费政》的出台，更将促进汽车市场及消费坏境有较大的改善。据国家统计局统计，到2003年底我国机动车保有量已达到10000多万辆。比上一年增长25%，其中，四人轿车保有量达500万辆，

年增长率超过50％，2004年我国轿车产量在300万辆左右，比2003年增长约45%左右，轿车保有量达到800多万辆，按照目前的增长速度2005年我国汽车保有量将达到1600万辆，其中轿，轿车保有量将达到1200万辆，到2010年我国轿车保有量将达到3000万辆。汽车大批量进入个人家庭，并且绝大部分的轿车集中在大、中城市，停车难、行路难成为困扰城市交通的难题，如何解决停车难也成为网络热点话题之一。几年来我国的房地产业呈现一种飞速发展的势头，但是增增加容积率的同时却少有与之相配套的现代化的停车库方案，房地产开发和商业地产开发在建筑中大多采取较原始的自走式的车库设计占用土地较多，容纳车辆有限，很难满足停车需求。如今的城市街头、住宅小区，因为缺少足够的停车位，日趋拥挤的马路停车成为普遍现象。据中国协会停车设备工作委员会理事长任伯淼介绍，目前我国静态通基础设施，严重落后于动态交通基础设施，全国停车位缺口平均在65％以上，全国供轿车停车的停车位缺口在500万个以上，而近几年新增轿车每年在240万辆左右，按停车位与轿车数直逼为1:1.5计算，每年需新增停车位340万个才能满足新增轿车停车的需求。在许多城市停车难的问题的凸现，不同程度上已经影响到私人的轿车购买欲望。

1.2当今立体停车库简介

目前在日本生产机械式停车设各的公司约l 00多家，比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。从90年代起同本本每年投入运行的机械停车泊位都在1 O万以上。目前全日本已经投入使用机械式停车位超过300多万个，在日本，1987年以 前以垂直循环类为主，之后则以升降横移类占主导地位，至1995年仅这两类车库 共完成991万个泊车位。目前日本建造的立体停车库及技术优势在多层升降横移 类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。在欧美，1920 年美国就建成第一座机械升降汽车库，德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开 发和生产也比较早，较好的公司有：意大利Sotefin、Interpark、德国Palis等。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用不是很多。产品形式多数为巷道堆垛式，多层升降横移式产品应用也很好。德国和意大利等 欧洲国家的停车库优势在巷道堆垛类产品上。韩国机械停车设备技术是日本技术 的派生，产业从20世纪70午代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在30％左右。目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段。

亚洲的停车设备技术起源日本，日本从20世纪60年代开始从事机 械停车设备的开发、生产、销傅和服务，至今已有四十几年的历史。中国机械式停车设备早期发工作是

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从20世纪80年代初开始的，1989年推出了第1台双层式停车设备。近1O年来智能化机械式立体停车库发展较快，到2003年底全国已经有31个省、自治区、直辖市的56个城市兴建了机械式立体停车库，共879座，82764个泊车位，我国的北京、上海、广东、江苏、浙江发展较快。停车设备在中国得到了快速发展，通过技术引进与自主研发，制造能力及产品质量等方面，已接近国外先进水平，年产量已达1万个停车位以上，预测表明，到2010年我国年需求机械式立体停车库将达30到50万泊位。但受思想认识、城市规划、收费标准、管理体制、投资融资、政策法规等多种因素制约，拥有巨大潜在市场的停车设备业仍未进入高速发展时期，而日本、德国及韩国产品的相继进入，已形成与国内还不发达的机械式立体停车库企业一争天下的局面。因此，发展机械式立体停车库不仅是解决城市交通与停车难最有效的途径，而且也是拉动停车产业占领国内市场应有份额所必需的条件。 机械立体停车是解决大都市停车难问题的有效方法，土地资源紧张是大都市的现状，在亚洲各国大城市表见的尤为突出，所以机械式立体停车在亚洲的应用比较广泛。

1.3机械式立体停车库的主要类型

机械式立体车库是停车设备的一种，属特种设备产品之一,按其结构分为升降横移式、垂直升降式、平面移动式、垂直循环式、简易升降式、多层循环式、巷道堆垛式机械式等。由于机械式立体停车库具有上述诸多优点，所以，国土资源紧张的国家注重发展机械化停车设备，所谓机械化停车设备就是指汽车搬运或存放到泊车位使用的机械设备的总称，主要有钢结构、传动系统、控制系统等几个部分组成。将地面停车向空问发展，形成立体停车模式。其主要类型主要有以下几种常见形式： 1.3.1升降横移类立体停车设备

采用载车板作升降或横移来存取车辆。此类停车库将载运和存放汽车的载车板与专用升降机等升降装置组合在一起使用，构成立体存车的方式，依照汽车的前后方向(纵向)或左右(横向)来设置存车室又分为纵向式和横向式两种。升降横移式机械式立体停车库多为中、小型车库，停放车辆数目从几辆至几十辆不等，一般采用2—5层结构。多层升降横移式机械式立体停车库由两层升降横移式机械式立体停车库扩展而成，它的顶层只升降，底层只横移，而中间层既升降又横移。它既有两层式构造简单、便于安装组合、容易控制等优点，又比两层式节省几倍的土地。其他如安装调试、消防、地基及外装修方面的投资很少，因此它广泛应用于住宅小区、公共场所和机关单位等各类场合。

1.3.2垂直循环类立体停车设备

采用一个垂直循环运动的_二位系统来实现存取车，根据汽车驶入存车装置位置的不同分为下部驶入式、中部驶入式和上部驶入式三种形式。一般情况下既有把存车装置组装在独立的塔形构造内，也有将存车装置组装在大楼等建筑物内某个部分的构造形式。垂直循环式塔形机械式立体停车库的主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在呈圆形或长圆形配置的托盘上，由做垂直循环运动的链条带动，在平动机构控制下保持车位水平。这种车库由单一大电机驱动，电气控制系统简单，但其平动机构也存在导轨易磨损的问题。垂直循环式塔形立体停车库停车数量受驱动电机功率及结构等因素限制，一般可停车1 0—40辆。该种机械式立体停车库的最大优点是运动关系和电器控制简单，但它的缺点也很明显，传动噪音大，结构易变形，存取车速度慢，由于停车室狭小、环境差，能耗高，因此呈逐步淘汰之势。 1.3.3垂直升降类立体停车设备

用升降机将车辆提升到指定层，并用存取机构存取车辆。它像电梯那样，把车提升到一定高度，再用横移机构把车存入泊位中。这种车库有几十米高，每层有2个或几个泊位。它要求升降速度快，结构刚度好。一般采用工业计算机或高档可编程序逻辑控制器构成其自动控制系统，实现存取车自动控制、自动计费等功能，也可实现无入化操作。其地皮利用率高，但对地基、消防、工作可靠性和安全性等要求高，单车成本高。受存取车的时间等因素的限制，5层以上的多层升降横移式车库成本显著增加。若用多层垂直升降式(电梯式)替代，它的单车位成本甚至比5层以下的多层升降横移式还要低，它的存取时间比多层升降横移式少。与同规格的竖腹循环式相比，结构刚度好，存取车效率高，底层存取车室环境好，功耗低，噪音小。由于其土地利用率高，因而是繁华地带和商业中心首选的形式之一，是发展前景较好一种机械式立体停车设备。 1.3.4巷道堆垛类立体停车设备

机械式立体停车库的种炎较多，一些技术含量高、附加值较大的车库类型逐步受到用的青睐。2008年我国升降横移类车库占新建车库总量的81％，泊车位占总量的84％，降横移式和垂直升降式机械停车设备是国内的主流库型。

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用巷道堆垛机或桥式起重机，将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到泊车位并用存取机构存取车辆，巷道堆垛式机械式立体停车库是由停车位与升降装置立体组合而成的停车设备，升降装置可横向移动或升降装置的搬运器可横向移动，停车位设在升降装置升降道的两侧。这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，为电梯附加行走机械而成，其容车数量一般在100辆以上，从升降装置向停车室运送车辆的方式也有由车自行和由运送装置自动运送两种方式。德国这类停车库实现了单侧并行存放两辆车得结构，大大提高了库容率。

1.3.5水平循环类立体停车设备

采用一个水平循环运动的平位车位系统来实现存取车，根据其运动形态环分为圆形循环式和箱形循环式。水平循环类机械式立体车库的主体结构为一水平放置的链式输送机，车辆停放在链式传送带的托盘上，随着车辆的出入库，所有车 辆同时按固定次序作循环运动，整套系统由一大型电机单独驱动。水平循环式机械式立体停车库外形狭长，通过采用两层停车结构，可以有效地提高狭长地段的土地利用率。由于整个车库只有一个水平循环动作，因此电气控制系统简单，便于维护。但是由于其平动机构导轨易于磨损，因而增加了维护工作量。水平循环式机械式立体停车库停车数量受到单一驱动电机功率和结构限制，一般在十几辆左右，可以通过组合，来达道所需的停车数量。

1.4机械式立体停车库的特点

机械式立体停车库是近十多年才得以迅速发展的新形式的停车设施，与其它停车库(场)相比机诫式立体停车库能够得到迅速发展和广泛采用是由于它具有许多特点，可概括为如如下几个方面：

1.4.1经济效益显著、投资成本低、运行费用小

当前城市土地是寸土寸金，前述占地少、地基无特殊要求、模块优化及标准化设计使机械式立体停车库的建筑投资规模相对较少，分析表明垂直升降式机械式立体停车库的每个车位建造费用约为自走式停车场的67％，多段升降横移式为自走式的30％。而机械式立体停车库运行只需要很少的管理人员，存取过程的能耗也小，其周围墙壁还可以作广告创收，因此投资回收的年限较短。对制造企业而言车库的利润可达到l5％-20％，被认为是汽车相关工业的新的经济增长点。 1.4.2安全性好、效率高、自动化停取

存取过程没有驾驶员及其它人员的介入，现场可视性好，因而减少了车场的犯罪概率。 通过电脑程序控制移动和升降动作使车辆存取时间达到最小，也避免了人工操作可能造成的各种失误。普通机械式立体停车库的存取平均时间不超过2分钟。在技术方面，机械式立体停车库采用钢架结构，强度、刚度及稳定度设计有足够的裕量，还具有车身超长检测、上限位保险、机械定位锁定等控制功能，从而全面保证车库的操作安全性并具订足够的抗风抗震能力。

1.4.3形式多样、适应性强、对环境的副作用小

新型的机械式立体停车库多采用模块化设计、标准化系数高、互换性好、对地基无特殊要求，能根据用户要求方便地进行拼装和改型。机械式立体停车库的形式多样，适应于如建筑物地下层、地上层、商业闹市区、住宅小区等不同的环境，可与市区景观融合设计。

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第2章巷道堆垛式立体车库

2.1 巷道堆垛式立体车库的结构组成

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。但无论何种类型的堆垛机，一般都由不平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。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。有轨巷道堆垛机的结构形式从结构形式上区别，目前立体仓库中堆垛机有双立柱结构和单立柱结构。 2.1.1双立柱结构的堆垛机

双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上横梁、下横梁组成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管。方管兼作起升导轨，圆管附加起升导轨。双立柱堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，并且运行平稳。一般对于起重较高、起重较大和水平运行速度高的立体仓库堆垛饥多采用双立柱结构。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机导轨作升降运动。由于链条牵引载货台或配重装置，受空间尺寸限制，传动和布置较复杂，但定位较准确。 2.1.2单立柱结构的堆垛机

单立柱结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，但刚性较差。由于载货台及货物对立柱的偏心作用，以及行走、制动时产生的不平惯性力作用，使单立柱堆垛机在使用上有局限性。不适于起重重量大和水平运行速度高的堆垛机。单立柱堆垛机的起升机构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升钢轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。

2.2堆垛机在巷道式立体车库中的作用

堆垛机是自动化立体车库的主要搬运设备。它在高层货架的巷道内来回穿梭运行，负责车辆的存取。使立体车库更加易于实现控制，单车存取时间缩短，效率提高。

2.3有轨巷道堆垛机的运行轨迹

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。一般采用两个承重车轮，

沿敷设在地面上的轨道(通常亦叫做地轨)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(通常亦叫做天轨)运行辅助导向。按其运行轨迹形式区别，有直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。 2.3.1直线运行堆垛机

直线运行型堆垛机只能在巷道内直线运行，不能自行转换轨道。只能通过其他输送设备转换巷道，如堆垛机转运车。直线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。 2.3.2曲线运行堆垛机

曲线运行堆垛机车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，即可以走曲线，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。此种堆垛机通常亦叫做转轨堆垛机。曲线运行堆垛机在使用上有局限性，而且转弯时速度特别慢，不能满足出入库频率高的立体仓库作业。

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第3章 巷道式立体车库车辆搬运堆垛机设计

3.1堆垛机的技术参数对车库存取效率的影响

合理的选择各项参数，将大大提高整个系统的运行效率和经济效益。堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用，将直接影响到整座立体仓库的运行效率和经济效益。与堆垛机的速度有关的参数，主要指水平运行速度、起升速度和货叉伸缩速度。这三项参数的高低，直接关系到出入库频率的高低。 3.1.1堆垛机的货叉下挠度

货叉下挠度，是堆垛机的一项非常重要的性能参数，直接关系到堆垛机是否能正常工作。因结构型式、材料及加工热处理工艺的限制，改进货叉结构，合理选材，提高工艺手段，是减少货又下挠度，保证堆垛机工作性能的重要措施。 3.1.2堆垛机的尺寸参数

堆垛机的尺寸参数较多，例如起升高度、下降深度、整机全长、最低货位极限高度等。其中最低货位极限高度，即货叉上表面从最低一层货格的低位到地轨安装水平面的垂真距离。该参数涉及合理利用有效空间，增加库容量，亦是评价堆垛机设计水平的标准之一。

3.2 堆垛机的方案分析

根据对堆垛机类型优缺点的分析和本设计的要求，我选用了双柱轨道堆垛机，提升时采用链条驱动方式。堆垛机主要由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等部分组成。 3.2.1立柱组成

立柱主要由立柱、拖链支板、及配重等组成，还包括上下导轨和法兰，它是由工字钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面并采用冷拉扁钢作为起升导轨，抗扭、抗弯刚度大、耐磨性好。立柱与上横梁之间通过法兰由高强度螺栓联结。 3.2.2货叉装置

货叉装置是堆垛机存取货物的执行饥构，装设在载货台上。本机构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。

3.2.3载货台

载货台由导轮架、载货台体、导向座、支撑轮装置、及链轮组等组成，其上装有货叉装置、断链保护装置、起升的主侧导向轮、升降认址装置、货物位置异常检测装置。 3.2.4上横粱

上横梁主要由上横梁、上导轮支架、上导轮及滑轮等组成。上横梁是由钢焊接的开口断面，其与立柱间通过法兰，高强度螺栓联结。 3.2.5起升装置

主要由电机、电机支座等组成，用于驱动载货台升降运动，并通过电机支座用螺栓固定在立柱下端。

3.3传动方案的设计

传动系统功能：输送与传递动力，使行走框架行走和平台运行。机械式立体车库工作传动方式一般有机械传动、液压传动、电传动三种方式。 3.3.1机械传动

特点：结构简单，加工制造容易，成本低，但传动系统扭振和冲击载荷大，影响传动系统的寿命。 3.3.2液压传动

优点：工作液体可以用管道方便地输送到任何位置，能实现无级变速，且变速范围大，并可实现微动。控制方便，易于实现自动化。运动部件具有良好的润滑条件。液压元件与系统易于实现“三化”便于实现集中控制、远程控制和程序控制。

缺点：工作效率低、适用的温度范围小。液压元件对工作介质的污染较敏感，且泄露会污染环境，石油类液体有发生火灾的隐患。系统的刚性较差，元件制造工艺要求较高，成本高。系统的故障诊断比较困难。 3.3.3 电传动

优点：可在较宽的范围内实现无级调速，使发动机的功率得到充分的利用。牵引性好，速度快，省去了传动系统中易损害的零部件。检查方便，维护简单，工作可靠而持久，动力传动平滑。

缺点：启动与制动时负荷小，电机设备重量大，惯性大，工作时稳定性差

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3.3.4结论

比较了上述三种传动方案的优缺点，结合本车库的工作强度、工作环境、运行状态要求及工作平稳性等因素，我选择了机械传动。械传动包括带传动、链传动、齿轮传动、钢丝绳传动等常用方式： 3.3.4.1钢丝绳传动特点：

强度高，自重好，弹性好，工作平衡，但其只能承受拉力。 3.3.4.2链传动特点：

结构紧凑，无弹性滑动和打滑现缘，能保持准确的平均传动比，传动效率高，轴上径向压力小，与齿轮传相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本低廉，在远距离传动时(中心距十多米)，其结构轻便的多，但在两根平行轴间尽能用于同向回转的传动，运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作有噪声。 3.3.4.3齿轮传动特点：

效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，但制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。 3.3.4.4带传动的特点：

结构简单、传动平稳、造价低、缓冲吸振等优点，但带是挠性体。在传动中存在差弹性滑动，因此不能保证固定的传动比，传动效率低，传动处廓尺寸较大，不够紧凑，带的寿命短，轴轴承受力较大等缺点

综上所述：根据设计要求，我选用了链条传动方式。主要组成：电动机、链条、 链轮、齿轮等。

提升部分传动示意图如右图所 示：

1、电动机 5、7提升链轮 2、传动链轮 3、换向齿轮

4、6

行走部分传动示意图如下所示：

1、电动机 2 、轴 3、车轮

3.4传动计算

3.4.1提升电机、链条、链轮的选择 3.4.1.1计算提升电机的额定功率：

计算负载功率P1，根据负载功率选择电机的额定功率及其他参数。 负载功率计算： P1 = F V 电动机的功率：P = P1/η F —额定提升重量，单位 N V —额定提升速度，单位 m/s η —传动机构效率，

载车板重量： M = Vρ = 6 × 2.5 × 0.005 × 7.8 × 1000 =585 kg 取M = 700 kg , 伸缩叉为 600 kg

因为车重 1700 kg ，所以 F = 700 + 600 + 1700 = 3000 kg 效率参数：?1 — 组合链条的机械效率

?2 — 链条的机械效率

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?3 — 减速齿轮箱的机械效率

注：为了保证工作可靠，效率值均取最小值来计算。

P1 = FV = 3000 × 10 ×20 / 60 =10 kw

?1 = 0.95 ~ 0.99 ?2 = 0.95 ?3 = 0.98

P = P1 /η

= 10 / ( 0.95 × 0.95 ×0.98 ) = 11.31 kw 3.4.1.2链轮的选择

按不同的链条可分为：传动链、输送链、 起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，一般的机械传动常用传动链。因为是搬运机的提升运动，所以这里选用了起重链。

Fp ：破断载荷 Fmax ：链条最大载荷 S ； 安全系数

单根链条的起重载荷：Fmax = 2500 ×10 / 2 = 1.25 ×104 N

Fp ? Fmax × S = 12500 × 4 =5 × 104 N

查《机械设计手册. 机械传动》表8-1-73，选用TG190链条公称节距P = 19.05 mm双排链。

3.4.1.3提升链轮设计

取齿数Z = 40

中心夹角半角? = 180 / Z = 4.5?

链轮节圆直径d = P / ( sin0.5? ) = 19.05 / sin2.25? =242.8 mm

d??252.34mm??55?1.5?53.5???

r1 = 6.03 mm dr = 11.91 mm M = 0.8 × 11.91 X sin53.5? = 7.66

56??16.6? T = 0.8 X 11.91 X 6.03 = 15.56 ? = 18?40?r2?0.8?11.91?6.03?15.56

r3?11.91?(1.3cos15.4??0.8cos16.6??1.3025)?0.5= 8.48 mm

64???17?15.4? OO12?0.8?11.91?9.528 mm

Z?bc?11.91?(1.3sin15.4??0.8sin16.6?)?1.387 mm

W?1.3?11.91?cos4.5??15.44 mm

V?1.3?11.91?sin4.5??1.215 mm

提升链轮如图所示：

3.4.2齿轮的设计

由于两边的链条在提升载车板时要同时上下，所以在链轮之间安装一对齿轮，材料选用45号钢（调质）硬度为240HBS。按机械设计第七版设计

已知输入功率：P1?20???20?0.99?19.8kw 转速：n = 5 r / min 设齿轮齿数为Z = 100

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3.4.2.1按齿面接触强度设计

由下面的公式进行计算，即：

2KtT(??1)ZEdt??2.32?3 2??[?H]确定公式内的数值： 选定载荷Kt=1.3

由表10-7选取齿宽系数?d=0.7

由表10-6查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa

由图10-21d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限?Hmin=550MPa 由10-13计算应力循环次数：N=60njLn=60×43×1×2×8×300×1=1.9×108 由图10-19查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.90

计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得

12[?H]=KHN1?Hmin / S = 0.9×550MPa=495 MPa

262KtT(??1)ZE1.3?3.57?10?2?189.2计算dt??2.32?3=2.32?3?2389.15mm 2??[?H]0.7?495?495取dt = 300 mm

计算圆周速度：V =?dtn/60?1000?3.14?300?4/(60?1000)?0.63m/s 齿宽：b = ?d?dt?0.7?300?210 齿宽与齿高之比b/h ： m = dt /Z =300 /100 = 3 mm

齿高：h = 2.25mt= 2.25×3 = 6.75 mm 所以，b / h = 210 / 6.75 = 31.11 mm 计算载荷系数：

根据V = 0.63 m / s , 7级精度，由图10-8查得动载荷系数Kv = 1.1 ,直齿轮，假设?d?dt?0.7?300?210mtKAFt/b?100，由表10-3查得KH??KF??1.2

由表10-4查得7级精度，齿轮作悬臂布置时：（1+6.7?d2）×?d2+0.63KH?=1.12+0.18+×10?3×50 = 1.252

由b / h = 22.2, KH?= 1.252,查图10-13得KH?= 1.21 K = 10?3KAKVKH?KH?= 1.5×1.1×1.2×1.252= 2.48

按实际载荷系数矫正所得的分度圆直径，由式10-10a得： d = dt?3k2.48?300?3?372.06mm kt1.3m = d / z = 372.06 / 100 = 3.7 mm 3.4.2.2齿根弯曲强度计算

由弯曲强度公式：m?32kTY1FaYSa 2?dZ[?F]查得齿轮的弯曲疲劳强度极限?FE=500MPa 由图10-18查得，弯曲疲劳强度系数FFN= 0.88 取安系数S = 1.4，由公式10-12得[?F]?KFN?FE2.65?1.58?= 314.3 S1.4K = KAKVKF?KF?= 1.5×1.1×1.2×1.35 = 2.673 由表10-5得，齿形系数YFa =2.65，应力矫正系数YSa = 1.58

YFaYSa2.65?1.58??0.0133 [?F]314.362?2.673?3.57?10?2.65?1.58m?3?3.31mm

0.7?100?100?314.3圆整m = 3.5

Z = d / m = 300 / 3.5 = 85.7,取Z = 86 d = m Z= 3.5×86 = 301 中心距a = 300 mm

齿宽b = ?d?d= 0.7×301= 210.7mm 验算：Ft?

2T2?1984.5??63.752 d3011N00mm/

KAFt1.5?63.752??1.5N3mm/?b62.5因为齿顶圆直径大于160mm小于500mm，所以选用辐板式结构，结构及实体建模图如下：

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3.4.3减速传动链轮及链条的选择

n = 53 r / min ，取小链轮Z1?18，

P?22??联??齿=22?0.99?0.9=19.6kw

查《机械设计手册.单行本.机械传动》表8-1-73，选用TG190链条，公称节距P=19.05mm，双排链。

180?44.45d1?p/sin??109.7

186.281齿顶圆直径：da?d?(1?1.6)p?d?118.32mm 11?60??51.67? ， r1?0.5025?11.91?0.05?6.03mm dr?11.91mm ， ??55?18?OO12?0.8?11.91?9.528mm ，M?0.8?11.91?sin51.67?7.47mm

T?0.8?11.91?cos51.67?=5.9 ，r2?0.8?11.91?6.03?15.56

??18??56?/18?14.89? ，??17??64?/18?13.44?

r3?11.91?(1.3cos13.44??0.8cos14.89??1.3025)?0.05?8.7mm

bc?11.91?(1.3sin13.44??0.8sin14.89?)?1.15mm

w?1.3?11.91?cos10??15.25 ， v?1.3?11.91?sin10??2.69

dh?19.05?(ctg10??1)?0.8?88mm 传动链轮图如下：

3.4.4齿轮上轴承的选择

轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，我们用的只要是滚动轴承。而滚动轴承又可以分为向心轴承、推力轴承、向心推力轴承三大类。考虑到这些轴承的优点，我选用了圆柱滚子轴承。d =70 mm ，查得轴承代号为N214E尺寸：D = 125 mm ,B = 24 mm

Da?114mm，rs?1.5 ， ras?1.5 ， da?79mm

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3.4.5行走车轮、轴承及电机的选择 3.4.5.1车轮的选择

搬运机的总重量取M = 5000 kg，运行速度为40 m / min ，参考《机械设计手册.单行本.机械传动》，我选择了无轮缘车轮，取D = 200 mm 。

3.4.5.2车轮轴上的轴承：

G = M g = 5000?9.8 = 49000 N

每个轴承上所承受的力为G1 = 49000/4 = 1.2?104 N ，满足代号为N212E圆柱滚子轴承额定静载荷的要求。

3.5结构设计和强度校核

3.5.1导向轮的设计

导向轮安装在立柱上，和载货台相连，起导向作用。使载货台不会发生倾斜。导向轮尺寸如下图所示：

3.5.2提升平台设计

提升平台的功能：它与起重链条相连，利用提升电机的驱动链条来带动它的上下移动。载车板在上，以准确的把车送到车位上。它采用Q235。尺寸如下图所示：

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3.5.3强度校核 3.5.3.1车轮轴的校核

车轮轴的尺寸如下图所示：

d = 45 mm ,受力时的应力、剪力如下图所示：

剪切强度：弯扭组合强度

车轴横截面上的最大弯矩为：M均=(M?M)

则横截面上的最大弯曲应力为：?max?M/Wz [?] =160MPa

2y122zM均=430N.m T = 122.5N.m

?r4?M2?0.75T2/Wz?430?430?0.75?122.5?122.5/0.00004239?104.5MPa?[?]

校核结果满足要求。

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3.5.3.2立柱设计与校核

高度H = 6 m 宽度W = 0.4 m 厚度b = 5 mm M =?V = （4002?3902）?6000?7.8?103?10?9369.72kg 立柱弯矩校核： 横梁重为 M1=100k g

T1?M1gL1100?9.8?3?2904N.m

载重弯矩：T2?M2g?0.16?3000?9.8?0.16?5880N.m 链轮弯矩：T3?M1g?0.16?45.6?9.8?0.16?89.376N.m

T?T1?T2?T3?2940?5880?89.376?8909.4N.m

?max=（MW）max?[?] [?]?60M0Pa zbh22003?1903Wz???45.2?103666mm

?max=8909.44.52?104?10?9?197.1?600MPa

校核结果符合要求。 立柱稳定性校核： 受力分析如下图所示： F=F1?F2?1000?456?30000?31456N

?2临界载荷：F?EICR(?l)2 bh340043904I?12?12?12?2.1?108mm4 A?4002?3920?立柱的惯性半径：i?I2.1?108A?7900163.1mm 立柱柔度：???l6i?2?0.163?73.62 - 24 -

79m0m02

??F31456?4?104Pa，由???图得，相应于?=73.62的折减系数为?4A7900?10?1?0.552，所以立柱的稳定性许用应力为：

[?st]??1[?]?0.552?160?106?3.3?107Pa??

满足要求。

第4章运动控制方案

4.1控制系统选型

现代机械公称机械中，控制系统可以采用微机控制、PID控制、PLC控制等等，我所设计的立体车库采用的是PLC控制。PLC以微机处理为核心，综合了计算机技术，自动控制技术以及现代数据通讯技术，为设备控制以及实现过程自动化提供了重要手段。自从可编程控制器问世以来，随着微电子技术、计算机技术、通信技术、数字控制技术的分苏发展，它们的数量、型号、品种以异乎寻常的速度发展。目前最主要的产品有欧洲的代表西门子，日本的三菱和欧姆龙、美国的AB和GE。PLC的发展趋势主要体现在以下几个方面：

（1）速度更快，体积更小。 （2）工业控制技术的集成。 （3）开放性及与主流计算机的结合。 （4）仿真软件的开发。 （5）实现远程控制。 PLC具有以下优点：

1.可靠性好，由于PLC采用了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源屏蔽、稳压保护、故障诊断等技术，所以可以在工业控制现场中可靠的运行，平均无故障时间超过5万—10万小时。

2.功能完善、模块丰富、指令个功能强大。主要功能如下：

逻辑运算、计时和计数、四则运算、矩阵运算、函数运算、步进控制、中断控制器、定位控制、PID控制、高计数控制、排序及查表、监控和容错、自诊断及报警、高级语言编程及报带、比例、积分、微分功能、跳转、I / O控制、A / D和D / A转换、数据格式转换、数据比较和传送通讯及联网、人机对话。

3.编程简单，梯形图语言易学易懂。

4.在线编程，可以使用手持编程器或笔记本电脑对PLC进行编程。

5.安装容易，由于采用模块化结构，现场安装简单。

4.2立体车库堆垛机控制的设计

堆垛机在巷道中运动，对汽车进行存、取与转移，来完成入库、出库及倒库功能。堆垛机在高层立体车库中主要有以下运动：堆垛机主体延巷道前后方向的运动；位于立柱上的升降台延上下方向的运动；升降台上的旋转机构转动以存取两边车位上的汽车。 4.2.1立体车库的电器控制

设计了三种操作方式—全自动、半自动、手动。正常情况下使用全自动方式，这时，只需要工人在计算机上输入出库与入库单，其余的工作都由控制系统自动完成。当系统线路故障或上位机故障时，为了不影响工作，可采用半自动单机工作方式。半自动单机工作方式需要工人选择堆垛机并在堆垛机操作面板上键入X（列好）、Y（位号）、Z（层号）参数，按动相应命令键，堆垛机在PLC控制下自动完成相应的任务，半自动单机工作方式时堆垛机出/入库也需要人工在堆垛机操作面板上键入相应的命令。手动操作主要是考虑到维修的需要，比如堆垛机上的PLC、变频器故障，这时堆垛机的运行完全靠人工操作堆垛机上的操作面板上的开关、按钮来完成。同时配以380V/50Hz的三项交流电给堆垛机提供动力。

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参考文献

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[7]学位论文 邮包自动化仓库的调度优化与堆垛机的智能控制的研究 2002 [8]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第二版）.高等教育出版社，1999 [9]爱德华.弗雷兹，物料搬运系统，1992年版 [10]M.F机械单元设计2003年，5.9.11.17第七版

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pj1.html