中国矿业大学机电专业毕业设计资料

中国矿业大学成人教育学院

毕业设计（论文）任务书

函授站（点） 专业年级 学生姓名

任务下达日期： 年 月 日

设计（论文）日期： 年 月 日 至 年 月 日

设计（论文）题目： 单立柱有轨巷道式堆垛机 设计（论文）专题题目：单立柱有轨巷道式堆垛机机械系统设计

设计（论文）主要内容和要求：

内容：堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作，半自动操作或全自 动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架，水平行走机构，提升机构，载货 台，货叉及电气控制系统构成。

确定堆垛机形式，确定堆垛机速度，其他参数及配置。 要求：堆垛机总装图1张（0#）

机架、行走机构、提升机构及载货台、货叉等零件图5张（0#） 电气原理图、接线图及PLC程序图2张（1#） 设计说明书1份（20000字）、译文5000字

指导教师签字：

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毕业设计(论文)指导教师评阅任务书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容

的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

建议成绩：

指导教师签字： 年 月

日

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毕业设计(论文)答辩及综合成绩

函授站点(点) 专业年级 学生姓名 说明书页 24 图纸 5 张 其它材料说明书一份 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日

正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答

摘 要

本文详细论述了普遍应用在现代大中型企业中的单立柱有轨巷道式堆垛机的设计方案。文中对堆垛机的分类，特点及其构造进行了详细的叙述。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机。它能够在自动化立体仓库的巷道中来回穿梭运行，将放置在巷道口的货物存入指定的货格，或者从货格中取出货物运送到巷口。

设计重点主要包括：堆垛机的机架、升降机构、行走机构、货叉伸缩机构以及安全机构。文章在确定堆垛机的总体设计方案的前提下，再对各个机构进行受力分析和设计计算，最后进行必要的相关校核并最终确定各个的机构实际取值。

本次的毕业设计运用多种起重机的现代设计方法，特别是运用计算机辅助设计（CAD）的方法，在计算机上将堆垛机的设计图纸CAD化，大大提高了设计的效率，节省时间。

关键词： 自动化立体仓库；堆垛机；升降机构；行走机构；货叉伸缩机构；安全机构

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Abstract

This article has discussed the design of the single-pillar type of Narrow-Aisle Stacker Crane which has been universally used in modern most enterprises in detail. This article described the kinds of stakers, features and the structure in detail. Stacker cranes is the most important part of the automation three-dimensional storehouse among the take heavy crane pile up equipment, it can in the tunnel of automation cube in the shuttle operation of round trip, will locate in tunnel the goods of mouth stock goods shelf; or opposite take out the goods transit in goods shelf go to tunnel mouth.

The design focus mainly include: The stacker's rack, walk organization, fork telescoping mechanism and safe organization. Under the premise of overall design scheme of stacking crane, then for organization analyze by force condition calculate. Finally, check nuclear necessarily and definite every numerical.

This Graduation Design use many kinds of Modern Designs of the crane, especially to use the method of Computer-aided design(CAD),Stackers will be the design drawings of the CAD on the computer, which greatly improve the efficiency of the design and saving time.

Keywords:

Automation

three-dimensional

storehouse

Stacker

Crane

Movement

organization Walk organization Fork telescoping mechanism Safe organization

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目 录

摘 要 ....................................................................... 1 1 引言 ....................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 ......................................................... 1 1.2 研究的内容及设计思路 ................................................... 1 1.2.1 主要设计内容 ...................................................... 1 1.2.2 设计要求 .......................................................... 1 1.3 研究的发展趋势 ......................................................... 2 1.4 堆垛机所受载荷的简化方法 ............................................... 2 2 堆垛机的整体结构设计方案 .................................................... 3 2.1 堆垛机结构的主要结构组成 ............................................... 3 2.2 单立柱有轨巷道式堆垛机的特点 ........................................... 4 2.3 堆垛机的机架结构 ....................................................... 5 2.4 堆垛机伸缩货叉的结构设计 ............................................... 5 2.5 堆垛机起升机构的整体设计 ............................................... 6 2.5.1 柔性件的选取 ...................................................... 6 2.5.2 卷筒的选取 ........................................................ 6 2.5.3 电动机的选取 ...................................................... 6 2.5.4 减速器的选取 ..................................................... 7 2.5.5 制动器的选取 ...................................................... 8 2.6 堆垛机行走机构的整体设计 ............................................... 8 2.6.1 驱动方式的选取 .................................................... 8 2.6.2 车轮的的设计 ...................................................... 9 2.6.3 电动机的选取 ...................................................... 9 2.6.4 减速器的选取 ...................................................... 9 2.6.5 制动器的选取 ...................................................... 9 2.7 轨道的设计与安装 ....................................................... 9 2.8 堆垛机的控制装置 ...................................................... 10 3堆垛机机架的结构设计计算 ................................................... 12 3.1 机架立柱的尺寸设计 .................................................... 12 3.2 机架的上、下横梁设计 .................................................. 13 3.3 框架结构的设计数据 .................................................... 13 4堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 ............................................... 14 4.1 伸缩货叉的挠度与强度 .................................................. 14 4.1.1 下叉的受力分析计算 ............................................... 14 4.1.2 中叉的受力分析计算 ............................................... 15 4.1.3 上叉的设计分析计算 ............................................... 17 4.2 货叉各参数的选择 ...................................................... 17 5堆垛机行走机构的设计计算 ................................................... 18 5.1 行走机构电动机的选取 .................................................. 18 5.2 堆垛机行走轮的设计计算 ................................................ 18 5.3 行走机构减速器的选取 .................................................. 19 5.4行走机构联轴器的选择 ................................................... 19

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6堆垛机升降机构的设计计算 ................................................... 20

6.1升降机构零部件的设计计算 ............................................... 20 6.1.1 钢丝绳的计算 ..................................................... 20 6.1.2 卷筒的相关尺寸计算 ............................................... 20 6.2升降机构传动装置的选取 ................................................. 21 6.2.1 电动机的选择 ..................................................... 21 6.2.2 减速器的选择 ..................................................... 21 结 论 ...................................................................... 22 致 谢 ...................................................................... 23 参考文献 .................................................................... 24

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1 引言

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—巷道堆垛起重机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。本文从堆垛机的应用特点入手，着重就堆垛机的结构设计进行初步的研究。

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巷道堆垛机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。堆垛机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

1.2.1 主要设计内容

（1）堆垛机的机架的设计计算； （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。 1.2.2设计要求

为使堆垛机能够准确、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，即堆垛机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)具备安全保护措施；

(4)在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部的 重量，以减小提升功率和行走时的摩擦阻力;

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(5)保护仓库环境，避免货物污染受损。

1.3 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。早期的堆垛机，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，通常称之为桥式堆垛机。但通常由于立柱高度的限制，桥式堆垛机的作业高度不能太高，而巷道堆垛机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。

日本大福公司于1999年在巷道堆垛机主体的高速化上下功夫，开发了AS21模式。AS21模式是以高效率动作为基础，在高效能化（缩短循环时间）方面引用的一个概念，使巷道堆垛机的高效能化技术得到了大幅度的提升。

1.4 堆垛机所受载荷的简化方法

堆垛机的机架有立柱、上下梁组成，整机结构高而窄。堆垛机工作时，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。堆垛机每完成一个工作循环，以上载荷将重复出现一次。因次，堆垛机所受的是交替变化的载荷。为了保证堆垛机安全可靠的工作，其钢结构部分的强度与刚度计算是必不可少的。

在此，就堆垛机所受载荷简化的基本方法作一一说明。 1)起重重量PL

实际起重重量包括货叉、附件重量和额定重量之和，用SL示。考虑到货物正常起吊时的动载冲击作用，则设计起重重量PL=?? SL

式中，?称为冲击系数，与堆垛机分类有关：(见表1-1) Ⅰ类 ?=1. 1 Ⅱ类 ?=1.25 Ⅲ类 ?=1.4 Ⅳ类 ?=1.6

工作时间 载荷 轻 中 重 表1-1堆垛机分类 长 中 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 短 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 2)水平载荷SH

堆垛机沿水平方向加减速行走或制动时，其自身质量及起重质量必然会产生与其加速度有关的水平惯性力。即SH=? SL 式中，?称为动载荷系数，由于加速度的不确定性，一般用额定速度v来确定。

水平行走时 ?=0.0005v 3）风力载荷SW

风力载荷SW为风压力q与受风面积的乘机，即SW=q?A

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4堆垛机工作时，风压力 q=1742.7h 4非工作状态，风压力 q=148.1h 式中，h为吊具高度，单位取mm

4)起升冲击载荷SR

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

堆垛机工作时，其承载能力是上述各种载荷与自重SG的不同组合： A 正常工作状态：M?（SG+?? SL +SH ） B 特殊工作状态：M?（SG +?? SL + SH）+ SW C 起升工作状态：SG + SL + SH D 停止：SG + SW

以上各式中，M称为作业系数，与堆垛机的分类有关： Ⅰ类

M=1.0； Ⅱ类M=1.05； Ⅲ类M=1.1；Ⅳ类M=1.20

2 堆垛机的整体结构设计方案

参考国内外有关堆垛机厂家的分类和型号，结合堆垛机的具体工作环境，本次设计的单立柱有轨巷道式堆垛机主要用于起重量在0.5t——1t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 堆垛机结构的主要结构组成

堆垛机结构主要有三个机构组成，整体结构如图(2-1)所示：

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图2-1 单立柱堆垛机结构图

（1） 升降机构有电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳及防落安全装置组成。升降机构的工作速度一般控制在15~25m/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。为防止堆垛机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50~100m/min，最高可达到180m/min,设计时选取80m/min。本堆垛机将采用交流变频调速方式。(在交流异步电动机的诸多调速方法中,变频调速的性能最好,调速范围大,稳定性好,运行效率高。

（3）货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置，它有上叉、中间叉、固定叉、滚动齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在15m/min，最高可达30m/min，设计时选取10m/min。

2.2 单立柱有轨巷道式堆垛机的特点

由于使用场合的限制，本单立柱巷道式堆垛机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，作业时，驾驶员的视野较好，但由于载货台和货物对单立柱的几何力矩作用可能会造成立柱的扭曲和变形，使整机刚性较差。

（2）本堆垛机沿着巷道天地轨运行,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。

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（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）各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确的要求。

（6）为保证人生和设备的安全，堆垛机必须配备有硬件及软件的安全保护装置，控制系统应具有一系列连锁保护措施。此外，在电气柜上设置报警系统，当堆垛机出现故障或探测器发现异常情况发出报警。

2.3 堆垛机的机架结构

机架是堆垛机的主要承载构件，主要由立柱和上、下横梁联接而成。通常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）。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，以及配置有电气控制开关、安全保护装置等。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，就成为堆垛机自动定位的障碍，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。[1]

2.4 堆垛机伸缩货叉的结构设计

伸缩货叉是堆垛机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、链轮等组成。

1 .上叉 2 .中叉 3.链轮 4.驱动链轮 5. 固定叉 6. 链轮

图2-2 货叉结构图

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

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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 堆垛机起升机构的整体设计

为了使堆垛机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：电动机、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，柔性件机通过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

在堆垛机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。 2.5.2 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，结合堆垛机具体使用场合和性能要求，本设计中选择单层卷绕圆柱形卷绕卷筒。

2.5.3 电动机的选取

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。[2]

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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2—2.5倍，而且也便于调速。鼠笼式异步电机的构造简单，操纵方便，价格也较便宜，但起动电流较大，达到额定电流的4—6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、功率较小的工作机构中。根据具体工作环境，堆垛机的启动负载大，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。 2.5.4 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。

(1)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。

(2)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

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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

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，从堆垛机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。

(3) 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。 (4)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

堆垛机在工作过程中，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堆垛机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。[3]

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，使堆垛机的机构布置很紧凑，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 堆垛机行走机构的整体设计

要满足堆垛机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，需要设计行走机构。主要包括：电动机、减速器、制动器、行走车轮。 2.6.1 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，堆垛机靠下部的车轮支承和驱动，上部的导向轮用以防止堆垛机的倾倒或摆动。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

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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。行走机构安装在堆垛机门架的上部，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，从而防止堆垛机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堆垛机上部，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堆垛机的全部移动载荷重，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”。[4] 2.6.2 车轮的的设计

为使堆垛机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，使堆垛机运行扭摆。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，从而保证堆垛机的安全稳定运行。 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）。 2.6.4 减速器的选取

从堆垛机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

堆垛机在运行过程中，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。同时考虑堆垛机能平稳工作，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。

2.7 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、下轨道来支承起堆垛机的全部自重，并能使堆垛机在其上顺利运行。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。综合堆垛机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

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强度。

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、下轨道来支承起堆垛机的全部自重，并能使堆垛机在其上顺利运行。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。综合堆垛机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。

堆垛机轨道安装的好坏直接影响到堆垛机的运行质量。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15—18mm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。[5]

2.8 堆垛机的控制装置

自动运行的堆垛机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、安全保护功能、自我诊断故障的功能等多种控制功能。[6]

(1)位置功能

位置控制就是确定堆垛机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减速指令使堆垛机减速，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堆垛机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

根据堆垛机出库和入库作业,伸缩货叉向左侧或右侧进行叉取操作的顺序控制功能。 (4)全保护装置

堆垛机的立柱高度达10米,载货台的升降速度也达到20m/min,而载货台是沿堆垛机立柱的导轨上下运行的承载结构,上有货叉机构、驾驶室等。为了保证堆垛机正常工作,确保操作人员的人身和货物的安全,其上必须配备完善的安全保护装置。本设计中设置以下几种保护装置:

1)机货叉上、下限自动停止保护

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在堆垛机货叉在进行升降运动时,不能超过导轨的上端和下端极限。因此可以在上下端各设置一个限位开关来实现该功能。

2)载货台负荷限制

在载货台超载时,发出报警信号并切断起升机构动力.当载货台被托住,钢丝绳松弛时,也会发出停止运动的报警信号并切断动力。因此可设置热继电器来作为检测装置,再安装一个蜂鸣器作为警报提示。

3)驾驶室的安全保护

为确保驾驶室里操作人员的人身安全,驾驶室门安全与否非常重要。可设置一个限位开关来检测为使堆垛机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。

4)速度转换装置

当堆垛机走到轨道的某一位置时应以高、中、低速 的某一速度行进时,就需要通过速度装换装置来实现这一功能.本设计中可以设置一个接近开关.

5)货叉保护装置

其功能,若发现不安全则堆垛机就会完全停止工作. 6)货叉保护装置

堆垛机在进行工作过程中,为了确保当货叉伸缩到一定位置时就回自动停止,可设置一个机械制动器来实现该功能.

7)载货台断绳保护装置

当钢丝发生绳断裂时,能够自动可靠的将载货台停止,避免溜车或坠车事故的发生.因此对这种安全保护装置的设计要求是灵敏度高、作用可靠、冲击小、结构简单.本设计中采取连杆凸轮机构来实现这一功能要求。一旦钢丝绳断裂,弹簧通过连杆机构使凸轮卡在升降机构的导轨里阻止载货台坠落.正常工作时,,提杆平衡载货台及其上货物的质量,弹簧处于压缩状态,凸轮与升降机构的导轨分离。该装置原理如图2-2所示.

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图2-3 断绳保护装

3堆垛机机架的结构设计计算

3.1 机架立柱的尺寸设计

堆垛机机架的设计计算参数如下： Q1—上梁及附件重量；

Q2—货台、货物、附件及搭乘人员的总重量； Q3—电气控制盘的重量； Q4—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；

堆垛机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，初选截面为矩形的钢管作为立柱材料.堆垛机的受力分析如图（3-1）所示。[7]

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图3-1 立柱受力分析图

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：

max?[?] 式（3.1） ?max=MW11自重引起的弯矩 Mq=ql2=?60.06?10?9?9=5.96KN.m

88载荷（包括Q1， Q2， Q3， Q4）引起的弯矩

10?h2?h2?Q210?h3?h3?Q310?h4?h4?Q4 MQ=10QL+++=118.9KN.M

LLL因此立柱中央截面的总弯矩 M总= Mq+MQ=5.95+118.9=124.85 KN.m 抗弯截面系数

bh22b3 W= = 式（3.2）

36将（3.2）式带入（3.1）式得：

33?118.9?10b?3=109mm 62?118?10h=2b?218mm

3.2 机架的上、下横梁设计

设计时初选槽钢200?73?7(高*腿长*腰厚)，截面面积=28.83,单位长度重量=22.63kg/m, I=8360cm4，q=22.637kg/m

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

ql3???2?

24EI满足刚度要求，因此最终确定选用槽钢200?73?7。

3.3 框架结构的设计数据

框架结构的设计数据如下：

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参考文献

[1] 王国华.《现代物流技术与装备》[M].中国铁道出版社，2004. [2] 张质文.《起重机设计手册》[M].中国铁道出版社1998. [3] 刘远伟，何民爱.《物流机械》[M].机械工业出版社，2006.

[4] 黄大巍、李风、毛文杰.《现代起重运输机械》[M].化学工业出版社，2006. [5] 郭环、禹永伟.《自动化立体仓库中堆垛机的设计》[J].物流技术，2002：77-78. [6] 周全申《现代物流技术与装备实务》[M].中国物资出版社，2002. [7] 刘鸿文.《材料力学》[M]. 高等教育出版社，2004.

[8] 赵波《自动化立体仓库堆垛机运行系统的研究》[D].吉林大学，2007. [9] 孙桓、陈作模.《机械原理》[M]. 高等教育出版社，2001.

[10] 刘昌祺.《物流配送中心设施及设备设计》[M].郑州大学出版社，2005.

[11]Loomis Janos. Elevator mechanical design principles and concepts. London: England Ellis Harwood Limited, 1987:117-124,128-131

[12]W.P. Dayawansa, D. Changeable. Global (fig) invariance of nonlinear systems. SLAMJ. Contr. Optimize, 1988.26:1119-1132

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tf8.html