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南京理工大學 畢業(yè)設計說明書(論文) 作 者： 學 號： 系 ： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 題 目： 立體倉庫巷道式堆垛機設計 指導者： 評閱者： 2009 年 06 月 17 日 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 畢 業(yè) 設 計 中 文 摘 要 立體倉庫巷道式堆垛機設計 摘要： 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，有軌巷道堆垛機作為立體倉庫的核心設備,應用越來越廣 泛。我國物流業(yè)的蓬勃發(fā)展，對有軌巷道堆垛機的性能提出了更高的要求。 綜合比較了幾種升降方案后，升降裝置采用鋼絲繩卷筒式，其結構簡單，受 力明確，用戶也比較熟悉。安全防墜器、高度限位裝置作為有軌巷道堆垛機的安 全保護裝置，當有軌巷道堆垛機遇到突發(fā)事故時它可以防止載貨臺墜落事故的發(fā) 生，保證人員及貨物的安全。安全防墜器采用楔塊式制動，靈敏度高、可靠性好、 結構簡單、能夠有效地防止載貨臺墜落事故的發(fā)生。貨叉采用帶有行程倍增機構 的三級伸縮貨叉，貨叉收回時，其本身的長度遠小于堆垛機運行巷道的寬度，貨 叉進行存取貨物時，貨叉的行程遠遠大于巷道的寬度。 關鍵詞：有軌巷道堆垛機 三級伸縮貨叉 安全防墜器 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 畢 業(yè) 設 計 外 文 摘 要 Design of a railroad aisle stacking crane in stereoscopic warehouse Abstract With the development of economic, railroad aisle stacking crane is the core equipment of stereoscopic warehouse, it has become more widespread in recent years. Higher demands are also asked for the performance and reliability of the railroad aisle stacking crane. After the synthesis has compared several kind of constructions elevators overall plan, uses the steel wire to hoist the type, its structure simple, the stress is clear about, the users also familiar. The security guards against falling，highly the spacing installment takes the construction elevator the safekeeping of security installment which can avoid the falling of the cage to assure the people and goods safety as soon as the construction hoist meets accident. The security guards which make use of wedge block for brake. This safety anti-falling device have high sensitivity，good reliability，simple configuration and easy to test，which can availably avoid the failing accident of the cage. The Fork trip with a double body is a three-tier telescopic fork, when fork is recovered, the length of its own is far less than the width of roadway, when accessing to goods, the fork is much longer than the width of roadway. Keywords：railroad aisle stacking crane three-tier telescopic fork security guards 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 目 次 1 緒 論 ....................................................1 1.1 有巷軌道堆垛機的發(fā)展 ......................................................................................................1 1.2 有軌巷道堆垛機的類型 ......................................................................................................1 1.3 有軌巷道堆垛機的發(fā)展現(xiàn)狀及特點 ..............................................................................3 2 有巷軌道堆垛機總體方案的確定 ................................5 2.1 有軌巷道堆垛機功能分析 ..................................................................................................5 2.2.立柱模塊的設計 ....................................................................................................................7 2.3 行走機構模塊 ..........................................................................................................................8 2.4 起升機構模塊 ..........................................................................................................................9 2.5 載貨臺模塊 ..............................................................................................................................9 2.6 載貨臺斷繩保護裝置 .........................................................................................................10 2.7 貨叉機構模塊 .......................................................................................................................13 3 有軌巷道堆垛機基型產品設計 .................................14 3.1 立柱模塊設計 .......................................................................................................................14 3.2 行走機構模塊 .......................................................................................................................18 3.3 起升裝置的選擇計算 .........................................................................................................21 3.4 貨叉機構模塊設計 ..............................................................................................................23 結 論 .....................................................30 參 考 文 獻 ................................................31 致 謝 .....................................................33 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 0 1 緒論 1.1有巷軌道堆垛機的發(fā)展 有軌巷道堆垛機是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機， 通常簡 稱為堆垛機。巷道堆垛機是立體倉庫中最重要的起重運輸設備，是代表立體倉 庫特征的標志。其主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內沿軌道運行，將位于巷 道口的貨物存人貨格或者取出貨格內的貨物運送到巷道口完成出入庫作業(yè) [1]。 50 年代初，美國首先出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50 年代末 60 年代初出現(xiàn)了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963 年美國率先在高 架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的立體倉庫。此后， 自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學科。在 20 世紀 70 年代初期，我國開始研究采用有軌巷道式堆垛機的立體倉庫。1980 年我國第 一座自動化立體倉庫在北京汽車制造廠投產，從此自動化立體倉庫在我國得到 了迅速發(fā)展 [2]。 早期的堆垛機是在橋式起重機的起重小車上懸掛一個門架，利用貨叉在立 柱上的上下運動及立柱的旋轉運動來搬運貨物，通常稱之為橋式堆垛機 [3]。 1960 年左右在美國出現(xiàn)了巷道堆垛機，這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利 用貨架上部的導軌防止傾倒，或者在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。 隨著立體倉庫的發(fā)展，巷道堆垛機逐漸替代了橋式堆垛機。日本從 1967 年 開始安裝高度為 25 高度的堆垛機。隨著計算機控制技術和自動化立體倉庫的m 發(fā)展，堆垛機的應用越來越廣泛，技術性能越來越好，高度也在不斷增加，到 1970 年實現(xiàn)了由貨架支承的高度為 40 的堆垛機。堆垛機的運行速度也不斷提m 高，目前堆垛機水平運行速度最高達 2OO (小載重量的堆垛機己達 300in/ )，起升速度高達 120 貨叉伸縮速度達 50 [4]。in/mi/ min/ 1.2有軌巷道堆垛機的類型 按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道堆垛機分類方式多種多樣，如按支承方式、 用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。在目前立體倉庫應用中，堆垛機最 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 1 常見的是按結構形式和運行軌跡分類。 (1)按結構形式，分為雙立柱有軌巷道堆垛機和單立柱有軌巷道堆垛機 ①雙立柱有軌巷道堆垛機 雙立柱有軌巷道堆垛機由兩根立柱、上橫梁、下橫梁和帶貨叉的載貨臺組 成，立柱、上橫梁和下橫梁組成一個長方形的框架，一般稱為機架。立柱形式 有方管和圓管兩種，方管可兼作起升導軌，圓管需要附加起升導軌。這種堆垛 機的最大優(yōu)點就是強度和剛性都比較好，能快速起、制動，并且運行平穩(wěn)。一 般用在起升高度較高、起重量較大和水平運行速度較高的立體倉庫中，其缺點 是自重較大。雙立柱堆垛機的起升機構，普遍采用鏈條傳動，由電機減速機驅 動鏈輪轉動，通過鏈條牽引載貨臺沿立柱或起升導軌作升降運動。 其結構如圖 1.1 所示。 圖 1.1 雙立柱有軌巷道堆垛機 ②單立柱有軌巷道堆垛機 單立柱有軌巷道堆垛機的機架由一根立柱、下橫梁和上橫梁組成。立柱多 采用型鋼或焊接制作，立柱上附加導軌，整機重量較輕，消耗材料少，因此制 造成本相對較低，但剛性稍差。由于載貨臺和貨物對立柱有偏心作用，以及行 走、制動時產生的水平慣性力作用，使單立柱有軌巷道堆垛機在使用上有較大 的局限性，不適于起重量大和水平運行速度高的堆垛機。單立柱堆垛機的起升 結構，普遍采用鋼絲繩傳動，由電機減速機驅動卷筒轉動，通過鋼絲繩牽引載 貨臺沿立柱或起升導軌作升降運動。對于鋼絲繩傳動，傳動和布置相對容易， 但定位準確性稍差。 其結構如圖 1.2 所示。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 2 圖 1.2 單立柱有軌巷道堆垛機 (2)按運行軌跡形式不同，分為直線運行型堆垛機和曲線運行型堆垛機 堆垛機水平驅動裝置一般安裝在堆垛機下橫梁上，通過電機減速機驅動車 輪轉動，使堆垛機沿水平方向運行，此種地面驅動方式使用最為普遍。一般用 兩個承重車輪，沿鋪設在地面上的軌道（通常叫地軌）運行。通過下部兩組水 平輪沿軌道運行導向，在堆垛機頂部兩組導向輪沿上軌道（通常叫天軌）運行 輔助導向。 ①直線運行型堆垛機 直線運行型堆垛機只能在巷道內直線軌道上運行，不能自行轉換巷道，只 能通過其他輸送設備轉換巷道。直線運行型堆垛機可以實現(xiàn)高速運行，能夠滿 足出入庫頻率較高的立體倉庫作業(yè)，應用最為廣泛。 ②曲線運行型堆垛機 曲線運行型堆垛機行走輪與下橫梁是通過垂直軸鉸接的，能夠在環(huán)形或其 他曲線軌道上運行，不通過其他輸送設備便可以從一個巷道自行轉移到另一個 巷道。此種堆垛機通常叫做轉軌堆垛機。曲線運行型堆垛機在使用上有局限性， 只適用于出入庫頻率較低的立體倉庫。因為不但場地要受到轉彎半徑的限制， 而且轉彎時速度特別慢，不能滿足出人庫頻率高的立體倉庫作業(yè)。 1.3有軌巷道堆垛機的發(fā)展現(xiàn)狀及特點 隨著經(jīng)濟全球化步伐的日益加快和信息技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)和消費 方式正發(fā)生著深刻的變化，物流在經(jīng)濟活動中的作用越來越受到企業(yè)的重視， 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 3 物流人才的需求也在日益增長。目前，物流人才已經(jīng)被列為我國 12 大類緊缺人 才之一，有報道稱“物流人才的需求已超過 600 萬” [5]。 物流實驗室的建設正是要搭建一座理論與實踐的橋梁，目前，我國許多高 校已經(jīng)建立了物流實驗室，據(jù)不完全統(tǒng)計，已經(jīng)有 160 多所高校建立了自己的 物流實驗室。物流實驗室為學生提供實訓平臺，深化學生對現(xiàn)代物流理論的理 解，提高學生的操作能力,內融機械、電氣、電子及計算機等技術于一體的綜合 技術，在這種技術中，不同領域和層次的知識與能力融會在一起。 隨著面向高校和科研的物流實驗室的紛紛建立，作為現(xiàn)代物流實驗室的核 心搬運設備---小型有軌巷道堆垛機得到了廣泛的應用。目前國內許多公司開始 生產各種系列的小型有軌巷道堆垛機。 例如北京絡捷斯特科技發(fā)展有限公司，生產的小型有軌巷道堆垛機可容納 托盤尺寸 460×460 ，可承載重量 15 ，定位精度為 1 。這種小型有軌mkgm 巷道堆垛機目前已經(jīng)在清華大學、南開大學等 30 多所高校的實驗室中廣泛應用。 深圳市飛鴻科技有限公司生產的小型堆垛機額定載重量為 15 ，采用 PLC 控制kg 方式，也在高校中得到了廣泛應用。另外，國內還有其它一些公司進行小型有 軌巷道堆垛機的生產設計。 與工業(yè)級用的大型有軌巷道堆垛機相比，小型有軌巷道堆垛機在構造上有 其自身的特點： (1)機架采用輕質焊接鋼管和薄壁折彎件組成，導向輪和貨叉等零件也較多 采用工程塑料、尼龍和鋁合金等輕型材料，整機質量輕，運動慣性小。 (2)由于起升高度低，承載能力小，機上的安全裝置比較簡單，外型比較簡 潔。 (3)由于起升高度低，一般不采用卷揚式起升機構，而是使用鏈條或鋼絲繩 牽引式起升機構。行走輪和驅動減速電機之間多采用撓性傳動，方便驅動電機 布置，減少機身寬度，以適應狹窄巷道。 (4)伸縮貨叉一般采用三層式板叉，鋼絲滑輪直線差動傳動機構，步進電機 或微型交流減速電機驅動。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 4 2 有巷軌道堆垛機總體方案的確定 2.1有軌巷道堆垛機功能分析 有軌巷道堆垛機基本功能是在控制系統(tǒng)或人工控制下，按照指令完成對貨 架內及站臺貨物的存取和輸送。主要動作描述： 有軌巷道堆垛機在貨架巷道內運動，可以分解為沿貨架巷道的水平方向的 行走運動、沿有軌巷道堆垛機立柱或立柱導軌的垂直起升運動和對出入庫站臺 的貨物的存取運動。機械結構可以簡單敘述為：在堆垛機的頂部和底部上分別 裝有一組或兩組導向輪，夾持著天軌和地軌(天軌安裝于貨架上，地軌安裝在地 面上)，行走電機驅動與地軌接觸的行走輪，在天軌和地軌的約束下，堆垛機在 巷道內水平行走；系著鋼絲繩或鏈條的載貨臺，在起升電機的驅動下拉動載貨 臺使其沿立柱或者立柱兩側的導軌完成升降運動；貨叉電機驅動一個行程倍增 機構，使上叉完成左右存、取貨物運動。三種運動分別在控制系統(tǒng)協(xié)調控制下， 完成貨物的出、人庫工作。 為完成有軌巷道堆垛機運動的基本功能，設備必須具備三個方向的驅動和 傳動功能，需要對設備運行進行有效的控制，有軌巷道堆垛機除了完成貨物的 存取外，設備安全也是其功能中的重要組成部分。 一般把有軌巷道堆垛機水平運行的方向稱為 X 方向，起升運行的方向稱為 Y 方向，貨叉運行的方向稱為 Z 方向。有軌巷道堆垛機沿 X、Y 和 Z 三個方向的 直線運動完成貨物的搬運是有軌巷道堆垛機的基本功能。 有軌巷道堆垛機總功能可分解為沿 X 方向的運動的分功能、沿 Y 方向的運 動的分功能和沿 Z 方向的運動分功能，如圖 2.1 所示： 有軌巷道堆垛機總功能 沿 Y 方向的分功 能 沿 Z 方向的分功 能 沿 X 方向的分功 能 圖 2.1 有軌巷道堆垛機總功能 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 5 沿 X 方向的水平運動的分功能主要由有軌巷道堆垛機的行走機構來完成， 行走機構主要有電機、主動行走輪、被動行走輪、行走輪軸、軸承等主要零部 件組成。電動機裝在主動行走輪上，驅動有軌巷道堆垛機在地軌上運行，當電 機電源切斷時，電動機能夠自動制動，使有軌巷道堆垛機停止在立體庫的巷道 中。 沿 Y 方向的起升運動的分功能主要由起升機構來實現(xiàn)。起升機構主要有起 升電機、卷筒、鋼絲繩等零部件組成。鋼絲繩與載貨臺相連接，與上橫梁的鏈 輪組成封閉結構。當電動機通過鋼絲繩傳動帶動載貨臺在立柱的導軌上進行上 下運動。 沿 Z 方向伸縮的運動分功能主要由貨叉機構來完成貨物的存取，貨叉主要 由電動機、下叉、中叉、上叉、鏈傳動機構及齒輪齒條傳動組等零部件組成 [6]。 有軌巷道堆垛機三個方向運動的實現(xiàn)都是在控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)的。 因此，根據(jù)上面的對有軌巷道堆垛機進行功能分析及功能分解，可以得出 有軌巷道堆垛機的功能模塊，如圖 2.2 所示： 有軌巷道堆垛機 控制模塊 立柱模塊 行走模塊 起升模塊 載貨臺模塊 貨叉模塊 立柱 下橫梁 起升電機 載貨臺 上叉 法蘭盤 卷筒 導向輪組 中叉 立柱導軌 下叉 緩沖器 驅動電機 驅動電機導向輪組 鏈傳動組 齒輪齒條傳動組 主動行走輪組 被動行走輪組 導向輪組 鋼絲繩 圖 2.2 有軌巷道堆垛機功能模塊 另外，為保證機器及人員的安全，應有一些輔助安全保護功能： 運動防護功能是有軌巷道堆垛機機械結構中重要的安全功能，該功能部件 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 6 由安裝于地軌終端的機械緩沖裝置構成。該功能部件保護有軌巷道堆垛機在控 制失去作用的條件下，將有軌巷道堆垛機運行的動能吸收，避免有軌巷道堆垛 機發(fā)生沖出軌道等惡性事故，終端防護緩沖堆垛機質量和運行速度有關，需要 按照標裝置結構設計與有軌巷道準選擇。 載貨臺斷繩保護，當堆垛起重機載貨臺的起吊裝置失控、載貨臺產生加速 度下墜時，應有保護裝置對載貨臺施加制動力，確保機構、貨物及工作人員的 安全。 系統(tǒng)總體方案示意圖如下： 圖 2.3 堆垛機總體方案示意圖 1．貨物 2．貨叉伸縮機構 3．載貨臺 4．司機室 5．立柱 6．下橫梁 7．水平運行機構 8．起升機構 9．鋼絲繩 10．升降導軌 11．頂部滑輪 12．上部導輪 2.2.立柱模塊的設計 立柱模塊主要有立柱、導軌和法蘭盤組成，立柱通過法蘭盤與下橫梁聯(lián)結， 導軌是載貨臺沿立柱上下運行的軌道。立柱采用熱軋 H 型鋼和鋼板焊接而成， 在滿足剛度和強度的情況下使得重量減輕，節(jié)省了材料，而且外形美觀。 立柱模塊結構如圖 2.4 所示： 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 7 圖 2.4 立柱模塊結構及截面圖 利用 pro/engineer 軟件將其生成三維圖如下： 圖 2.5 立柱模塊 用同樣的方法，生成立柱模塊的其它零件的三維模型，如圖 2.6： (a)導軌 (b)導軌堵頭 （c）立柱法蘭盤 圖 2.6 立柱模塊零部件三維模型 2.3行走機構模塊 行走機構模塊是有軌巷道堆垛機的重要組成部分，它主要有下橫梁、主動 行走輪組、被動行走輪組、下橫梁導向輪及緩沖器等零部件組成。 下橫梁是模塊零部件的支撐機構，又是堆垛機的承載構件，因此它要有足 夠的強度和剛度。主動行走輪組和被動行走輪組是堆垛機的重要部件，主、被 動行走輪組結構基本相同，主要由行走輪、行走輪軸、軸承等零件組成。通過 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 8 減速電機驅動主動行走輪組在地軌上運動，完成有軌巷道堆垛機沿巷道方向的 水平行走；法蘭盤固定在下橫梁的上部，用來固定減速電機，也是與立柱模塊 聯(lián)結的接口。下橫梁導向輪組通過支架固定在下橫梁上，兩組導向輪組夾在地 軌兩端，使有軌巷道堆垛機水平運行時，能夠沿著地軌行走不至于跑偏，起到 導向的作用。緩沖器同上橫梁的一樣，主要用來吸收堆垛機運行到巷道兩端時 發(fā)生碰撞產生的能量。 (a)下橫梁 (b) 直軸導向輪組 (c) 偏心軸導向輪組 圖 2.7 行走機構模塊零件圖 2.4起升機構模塊 有軌巷道堆垛機的起升機構模塊主要完成堆垛機的載貨臺的升降運動，起 升機構是由驅動電機、卷筒、滑動輪組和鋼絲繩組成，其結構比較簡單。 2.5載貨臺模塊 載貨臺是貨物單元承接裝置，用來支撐貨叉裝置。通過鏈條與起升機構模 塊連接，通過起升機構模塊驅動載貨臺沿立柱導軌上下運動。 載貨臺模塊主要由載貨臺、導向輪組等零部件組成。載貨臺主要用來固定 鏈條和貨叉機構，承受著貨叉和貨物的重量，要滿足強度和剛度要求。載貨臺 模塊包含多個導向輪組，導向輪組主要由導向輪、軸承和導向輪軸組成。導向 輪組主要與立柱導軌接觸，使載貨臺模塊與立柱模塊連接起來。 根據(jù)起重機等安全規(guī)范規(guī)定，其安全裝置除按起重機結構標準設計外，還 應具備如下條件： ①應有兩根以上的提升用鋼絲繩或鏈條； ②應有在提升用鋼絲繩或鏈條斷裂時，載貨臺在下降過程中自動制動的裝 置； ③提升用鋼絲繩或鏈條的安全系數(shù)必須在10以上； ④為防止載貨臺與下梁撞擊，應設有防止下降過頭的安全裝置； 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 9 ⑤當載貨臺上裝有貨叉時，構造上應保證只有在貨叉縮回時才能行走。 載貨臺導向輪如下圖： 2.8 載貨臺導向輪 2.6載貨臺斷繩保護裝置 垛起重機載貨臺架運行安全可靠，根據(jù)JB5319.2一91堆垛起重機安全規(guī)范 中5.1.2條規(guī)定，當承載鋼絲繩斷裂時，斷繩保護裝置應能可靠地動作，斷繩保 護裝置產生的制動力應不小于被制動部分全部載荷的1.25倍，同時，在安全規(guī) 范5.1條中還要求安全裝置應具有不依賴其他動力、獨立可靠地工作的性能。 目前，鋼絲繩提升式施工升降機安全防墜器按制動形式不同，大致分為滑 楔式、偏心輪式及銷式三類。 2.6.1滑楔式安全防墜器 滑楔式安全防墜器結構示意圖如圖2.9所示，它主要由動滑楔、定滑楔及控 制系統(tǒng)組成。其制動原理為：當控制機構將動滑楔向上推動時，動滑楔相對定 滑楔產生水平位移，動滑楔與導軌接觸后產生摩擦力，摩擦力阻滯動滑楔隨吊 籠一起下滑，而此時動滑楔與定滑楔相對水平位移繼續(xù)增大，導致動滑楔與導 軌摩擦力也繼續(xù)增大，直至制動為止。 這類安全防墜器制動快捷迅速，平穩(wěn)沖擊小，但對動滑楔的制作精度、導 軌的直線度和平整度要求較高。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 10 1.滑軌 2.動滑楔 3.定滑楔 4.控制機構 圖2.9滑楔式安全防墜器 2.6.2偏心輪式安全防墜器 1.滑輪 2.滑輪架 3.向滑輪 4.鋼絲繩 5.偏心輪 6.導軌 7.彈簧 圖2.10偏心輪式安全防墜器 偏心輪式安全防墜器結構如圖2.10所示，它的制動機構由偏心輪機構組成， 其制動原理為：當控制機構將偏心輪向上旋轉后，偏心輪與滑軌接觸，產生摩 擦，隨著吊籠繼續(xù)下滑，偏心輪繼續(xù)旋轉，由于偏心的原因，偏心輪對導軌的 正壓力增大，摩擦力也繼續(xù)增大，直至制動為止。這類安全防墜器的制動迅速 平穩(wěn)，但對偏心輪制作精度、滑軌的直線度和平整度要求較高，加工難度大。 2.6.3銷式安全防墜器 銷式安全防墜器機構如圖2.11所示，它的制動器由銷機構組成，其制動原 理為：當控制機構將銷彈出后，根部卡在吊籠橫梁上，端部卡在塔身橫桿上而 制動。這類安全防墜裝置制動時間短，結構簡單，比較經(jīng)濟實用。但銷對塔身 橫桿由于消耗重力功和慣性動能而產生很大沖擊，故要求滑銷、吊籠橫梁和塔 身的強度較高。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 11 1.滑輪 2.滑輪架 3.導向滑輪 4.鋼絲繩 5.彈簧 6.吊籠橫梁 7.卡銷 8.塔身橫桿 圖2.11銷式安全防墜器 2.6.4技術指標要求 制動時間與制動距離是安全防墜器最為重要的性能指標，根據(jù)《施工升降 機規(guī)范》 ，設定具體的設計指標參數(shù)為： 制動時間：t≤0.5 ；s 制動距離：S≤0.1 。m 在滿足以上兩個設計指標的同時，應盡量提高安全防墜器的可靠性。同時， 還應該考慮到如何簡化機構，使其便于安裝調試。 2.6.5安全防墜器總體方案的制定 通過對現(xiàn)有制動形式的研究與分析，這里安全防墜器采用了瞬時式楔塊制 動。該安全防墜器主要由驅動機構、傳動機構和制動機構三部分組成。 1．驅動機構 驅動機構是當提升鋼絲繩斷裂時安全防墜器動作的動力源。 它的形式有電動、液壓、氣動，還可以采用彈簧、人工控制形式。對于驅動機 構的設計，應盡量使其結構簡單、動作靈敏，并根據(jù)實際情況合理地選用驅動 形式。這里采用彈簧作為安全防墜器的驅動機構； 2．傳動機構 傳動機構的作用是實現(xiàn)由發(fā)動機構到制動機構之間運動的傳 遞，其形式有很多種，這里設計的傳動機構主要由連桿構成，這是因為連桿機 構具有傳動準確、工作靈活可靠，便于安裝調試的優(yōu)點； 3．制動機構 制動機構的作用是當升降機發(fā)生故障時，在驅動機構的帶動 下完成對載貨臺的制動，安全防墜器制動機構形式的選擇取決于提升設備的形 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 12 式和布置方式以及軌道的形式。軌道一般分為軟性軌道和剛性軌道，軟性軌道 主要是鋼絲繩。升降機采用鋼絲繩提升載貨臺，軌道采用剛性軌道，材料為冷 拉鋼板。由于導軌表面的光滑度，以及導軌與塔身之間的連接板都會影響載貨 臺的上下運動，因此為了防止載貨臺在上下運動過程中出現(xiàn)被卡、擱的情況， 將制動楔塊做成非封閉的形式。采用雙向制動機構，該機構有兩個相對的動滑 楔，布置在導軌兩側，兩個動滑楔由導軌兩側等距抱緊。動滑楔與導軌表面相 接觸，具有承載能力大，制動準確，工作可靠的優(yōu)點。 結構原理如下： 1．滾輪 2．動滑楔 3．墊鐵 4．U型螺栓 5．拉臂支架 6．拉臂 7．活動板 8．立柱面 9．彈簧 10．拉桿 11．提升滑輪 圖2.12 載貨臺斷繩保護裝置工作原理示意圖 2．7 貨叉機構模塊 貨叉機構是有軌巷道堆垛機主要工作機構，貨叉機構安裝在載貨臺上，能 夠雙向伸出，以便向貨格存取貨物。貨叉機構主要有上叉、中叉、下叉、叉軌、 導向輪組和鏈傳動機構等零部件組成。由于要求在設計貨叉時，其本身的長度 要小于堆垛機運行巷道的寬度，以防止小型有軌巷道堆垛機在運行過程中與巷 道兩邊的貨架發(fā)生碰撞；在貨叉進行存取貨物時，貨叉的行程又要遠遠大于巷 道的寬度，來完成貨物的存取。因此，貨叉在結構上設計成行程倍增結構，來 滿足貨叉功能要求。通常行程倍增結構采用三級直線差動式貨叉機構，傳動方 式采用齒輪齒條式或鏈輪鏈條式。圖2.13是齒輪齒條式傳動的貨叉機構的結構 圖。 這種結構的貨叉工作原理是電機驅動齒輪旋轉，通過齒輪齒條嚙合傳動驅 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 13 動中叉運動，安裝在上叉上的鏈輪鏈條機構在中叉的驅動下，推動上叉運動。 由于安裝在上叉上鏈輪鏈條機構相當于一組動滑輪機構，實現(xiàn)了行程和速度的 倍增。 圖 2.13 齒輪齒條式傳動的貨叉機構的結構示意圖 3 有軌巷道堆垛機基型產品設計 3.1立柱模塊設計 目前，在設計堆垛機的立柱時，主要是依據(jù)德國工業(yè)標準（DIN15350— 1992）中的巷道堆垛機鋼結構計算規(guī)范，采用此規(guī)范中的經(jīng)驗公式來計算、校 核。結合規(guī)范的說明和廠家產品的特點，在計算和校核堆垛機立柱強度和剛度 的時候，可以根據(jù)下面三個公式來計算。圖3.1是堆垛機受力結構簡圖。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 14 圖3.1 堆垛機受力結構簡圖 圖中變量的意義如下： 立柱的質量( )： kg柱G 貨物的質量( )： Q 貨叉的質量( )： k叉 載貨臺的質量( )： g臺G 起升裝置的質量( )： k升 行走電機的質量( )： 行 司機室和斷繩保護裝置的質量( )： kg司G 堆垛機的整機高度( )：mH 載貨臺下邊到上橫梁的距離( )： 兩行走輪的之間的間距( )： B 貨叉、貨物重心到導軌中心線的間距（ ）：m1L 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 15 司機室和斷繩保護裝置重心到導軌中心線的間距( )：m2L 載貨臺到導軌中心線的間距( )：m5L 載貨臺導輪壓力( )：NP 載貨臺導輪間距( )： S 立柱的剛度是以載貨臺滿載位于立柱最高位置時，頂端在巷道縱向平面內 的撓度來表征。設計撓度應小于許用值，即 ≤[ ]， f （ 為立柱高度） 。當載貨臺升至立柱最高位置時，各種載荷10~2][Hf? 位置及結構尺寸如圖 3.1 所示。載貨臺通過一對滾輪作用在升降導軌上的力為： (3.1)NLGLQSP2650])[(132????臺司叉 可以認為，立柱在距頂端 截面上受力矩的 作用，即hM (3.2)mM?????125)(132臺司叉 立柱在力矩 作用下，端部產生的水平位移 主要由三部分組成：f 在 作用下，立柱端部的水平位移 ；0f 在 作用下，下滾輪處截面轉角 引起的頂部水平位移 = ；1?1f?H 下橫梁和立柱聯(lián)接處截面轉角 引起的立柱頂部水平位移 = ；2 2 即 = + + 。f01f2 (1) 的計算(圖3.1) 由外載荷彎矩圖[ ]和單位載荷彎矩圖[ ] 進行圖乘得：pM1M = +0f )(21)([1hHEI??柱 ]3232[1 MBbHBbEI?梁 = =1.35 (3.3)2 3132BbII梁柱 ）（ m 式中 ——立柱截面垂直縱向平面軸的慣性矩， =22400柱 柱I4cm 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 16 ——下橫梁截面垂直縱向平面軸的慣性矩， =11600梁I 梁I4cm ——材料彈性模量， =2.1×1011EEPa 圖中 ——立柱頂部水平位移的單位力P ——立柱截面轉角的單位力偶M （2） 的計算（圖3.2）1f 圖3.2 堆垛機計算簡圖 由[ ]和單位載荷彎矩圖[ ]進行圖乘得：pM2M = +1?)](hHEI?柱 ]32131[MBbbBEI?梁 = (3.4)213II?梁柱 ）（ 而 ≈ ≈ =0.32 (3.5)1f?H231BbEIhEIMh??梁柱 ）（ m (2) 的計算2f 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 17 圖3.3 下橫梁計算簡圖 為求 ，單獨取下橫梁為研究對象，其計算簡圖如圖3.3，圖中 為下橫2f 0G 梁支承的上部總重量?？捎孟率奖硎荆? (3.6)升行柱司臺叉 GGQ???0 由外載荷彎矩圖[ ]和單位載荷彎矩圖[ ]圖乘可得立柱和下橫梁聯(lián)接面轉pMM 角 ：2? = ]321321[ 100 BbGBbEI?梁 = (3.7))(321210bIG梁 而 = (3.8)Hf2??)(21210bBEI?梁 立柱一般位于下橫梁跨中附近，即 ≈ ，加之下橫梁的截面設計總盡量12 避免出現(xiàn)明顯的下?lián)?，所以由下橫梁變形引起的撓度f 2常忽略不計。 載貨臺升至最高位置時，立柱頂部總撓度可按下式計算： (3.9)mff67.10?? 3.2行走機構模塊 行走機構模塊主要包括主動行走輪組、被動行走輪組、下橫梁和緩沖器； 基本功能是以一定的速度安全可靠地完成物料在水平方向上的運動。主動行走 輪組和被動行走輪組結構基本相同，因此，主要對主動行走輪模塊進行設計。 3.2.1主動行走輪直徑的確定 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 18 為了選擇行走輪，應考慮以下因素以確定其直徑：(1)行走輪上的載荷；(2)制 造行走輪的金屬材料；(3)軌道形式；(4)行走輪轉速；(5)機構工作級別。 行走輪直徑主要根據(jù)疲勞計算輪壓選取，其計算公式為 (3.10)][32minaxccFRF??? 式中 ——疲勞計算輪壓( )；c N ——堆垛機正常工作時行走輪的最大輪壓( )；maxR N ——堆垛機正常工作時行走輪的最小輪壓( )；in ——行走輪許用輪壓( )。][cFN 表3.1 由車輪轉速決定的轉速系數(shù) 值1C 轉速 min/r160 125 112 100 80 63 56 501C 0.72 0.77 0.79 0.82 0.87 0.91 0.92 0.94 表3.2 由工作級別決定的 的值2C 工作級別 1－ 3M4 5M6 7－ 9M2C 1.25 1.12 1.00 0.9 0.8 表3.3 由材料抗拉強度決定的 值1K 抗拉強度 )/(2mNb?500 600 650 700 7801K 3.8 5.6 6.0 6.6 7.2 注：（1）鋼制車輪一般應經(jīng)熱處理，在確定許用的 值時，仍取材料未經(jīng)熱處理時的 。1Kb? （2）當車輪材料采用球墨鑄鐵時， 值按 =500 選取。1b?2/mN 其行走輪疲勞計算輪壓計算公式為 (3.11)121DLKCFc? 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 19 式中 ——轉速系數(shù)(按表3.1選取)；1C ——工作級別系數(shù)(按表3.2選取)；2 ——行走輪直徑( )；Dm ——行走輪與軌道接觸的有效長度( )；Lm ——與行走輪材料有關的許用接觸應力常數(shù)(按表3.3選取)。1K 選車輪直徑 =250 ，工作等級為 5，速度為40 ，輪寬B=100Min/ ，車輪材料選用65Mn，σ b=735 ，可知： =0.72， =1.00， =100mPa1C2L ， =7.0，得1K =125000 <4506000 ，所以安全。12DLCFc?N 3.2.2行走輪軸的設計 在零件的定位和裝配方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直 徑與軸上的載荷大小有關。初步確定軸的直徑時，可按照軸所受的扭矩初步估 算軸所需的直徑．將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸的最小直徑 ，然后mind 再按軸上零件的裝配方案和定位要求，從而確定各段軸的直徑。 對有伸出端的軸（輸入、輸出軸） ，最小直徑 為裝聯(lián)軸器的軸頭直徑。mind 對中間軸 為裝軸承的軸頸直徑。軸的最小直徑的計算分兩種情況來考慮。mind (1)心軸 心軸是僅受彎矩作用的軸，強度計算公式 (3.12)][1.03????DMW 式中 σ——心軸計算截面的工作彎曲應力( )；MPa ——心軸計算截面的彎矩( )；mN? ——計算截面的截面模量， ；331.02DW?? [σ]——許用彎曲應力( )。Pa (2)轉軸 轉軸是既受彎矩又受到扭矩作用的軸，按當量彎矩計算，其當量應力為 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 20 (3.13)??][1013212??????daTMe 式中 ——轉軸計算截面的當量工作應力( )；e MPa ——轉軸計算截面的合成彎矩( )；mN? ——轉軸計算截面的扭矩( )；T ——軸的直徑( )；dm ——根據(jù)扭轉剪應力變化性質而定的校正系數(shù)；a [ ] ——許用疲勞應力( )。1??MPa 對有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑，為了裝拆方便，并減少配合 表面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑。 3.2.3行走電機的選擇 堆垛機的自重 =30000 ，貨物重量 =5000 ，行走速度1WN2WN ，滾動阻力系數(shù) =0.02，動力傳動效率 =0.8，行走smV/67.0in/4??? 阻力 =700 。?)(21R? 最高時速時需要動力： =700×1/0.8=875 ，為了安全起見，?/RVP? 選用電機功率為2.2 。kW 選擇電機：YEJ112M-6 2.2 k 型號 功率( ) 轉速( )min/r 轉動慣量( )2kg? YEJ112M-6 2.2 940 0.07639 3.2.4緩沖器的選擇 堆垛機在運動過程中控制系統(tǒng)失控時，就會和巷道口的機械裝置發(fā)生碰撞， 為了減小碰撞時對堆垛機造成的危害，在堆垛機上的下橫梁兩端安裝了緩沖器。 緩沖器主要用來吸收發(fā)生碰撞時所產生的能量，緩沖器的緩沖容量 按下式計W 算： =( + ) /(2×9.81)=6 (3.14)W0G10VmkN? 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 21 式中 ——緩沖器緩沖容量( )；WmkN? ——碰撞瞬時速度( )；0Vin/ ——堆垛機自重( )；Gkg ——額定起重量( )。1 選擇：HT3-630 型號 參數(shù) 緩沖容量 /WmkN?緩沖行程 /S 緩沖力 /1PkN重量/ k HT3-630 6.3 150 88 ≈145.8 3.3 升降裝置的選擇計算 3.3.1升降電機的選擇計算 貨箱重量 =5000 ，司機室、載貨臺重量 =13000 ，升降速度1WN2WN ，傳動效率 =0.9。最高時速時需要動力： =( + )smV/5.0??P12 / =(5000+13000)×0.15/0.9=3 。?k 因此，為保證安全，選擇升降電機功率為5.5 。k 選擇電動機為繞線型異步電動機：YZ160M1-6 5.5 W 型號 功率( )kW轉速( )min/r 轉動慣量( )2kg? 轉子繞組開路電 壓( )V YZ160M1-6 5.5 930 0.12 138 YZ 系列是最新設計的繞線子電動機，具有過載能力大、機械強度高、效率 高、噪聲低、振動小、堵轉轉矩高、運行可靠等特點，適用于驅動各種類型的 起重冶金機械或其它類似設備的專用產品。 3.3.2鋼絲繩的選擇 鋼絲繩最大靜拉力： = =9000 (3.15)maxFN 鋼絲繩破斷拉力： 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 22 ≥ =90000 (3.16)0FmaxnN 式中 ——鋼絲繩的破斷拉力( )； ——安全系數(shù)。 鋼絲繩直徑： =10 (3.17)maxFCd? 式中 ――鋼絲繩最小直徑（ ）m ——鋼絲繩最大靜拉力（ ）ax N ——選擇系數(shù)（ ）C/ 選擇系數(shù) 的取值與機構的工作級別有關，按表 3.1 選取。表中的數(shù)值是 對鋼絲繩充滿系數(shù) =0.46，折減系數(shù) =0.82 時的選擇系數(shù) 值。?kC 表 3.1 和 值Cn 選擇系數(shù) 值 鋼絲繩公稱抗拉強度 MPab/?機構工作級別 1550 1700 1850 最小安全系數(shù) n M1-M3 0.093 0.089 0.085 4 M4 0.099 0.095 0.091 4.5 M5 0.104 0.100 0.096 5 M6 0.114 0.109 0.106 6 M7 0.123 0.118 0.113 7 M8 0.140 0.134 0.128 9 選擇的鋼絲繩標記為： 18NAT6×7+NF170058.7035.10GB/T8918-1996 3.3.3滑輪的選擇 根據(jù)鋼絲繩直徑選擇滑輪外徑 D=225m 滑輪標記為： A10×225-45 JB/T9005.3-1999 3.3.4卷筒的選擇 卷筒上有螺旋槽部分長 =205 (3.18)pzD aHL)(10mx0???m 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 23 單層單聯(lián)卷筒長度 = + + =345 (3.19)L012m 式中 ——卷筒名義直徑（ ）D ——最大起升高度（ ）axH ——滑輪組倍率 ——卷筒計算直徑（ ）d??0 m ——無繩槽卷筒端部尺寸，由結構需要決定1L ——固定鋼絲繩所需長度， ≈32 2Lp ——繩槽槽距p 選擇的卷筒標記為： A200×345-6×13-5×2-左 JB/T9006.2-1999 3.3.5聯(lián)抽器 最大扭矩： [ ]≥ [ ]=110 (3.20)1TKmN? 式中 [ ]——聯(lián)軸器許用扭矩（ )；? ——工作級別系數(shù)。 選擇聯(lián)軸器型號為 TLL1 型帶制動輪彈性套柱銷聯(lián)軸器。 3.4貨叉機構模塊設計 堆垛機貨叉一般采用 3 級直線差動機構，這種結構形式的貨叉由動力驅動 和上、中、底 3 叉以及導向部分構成，底叉固定在載貨臺上，中叉可在齒輪齒 條(或鏈輪鏈條) 的驅動下，相對于底叉向兩側伸出一定距離，上叉在安裝于中 叉上的增速機構的帶動下相對中叉向外伸出更長的距離，實現(xiàn)向貨位內存取貨 物。 這種 3 級直線差動機構的特點是上叉相對于中叉伸出的距離為伸出行程的 2/3，而中叉相對于下叉伸出的距離為伸出行程的 1/3，上叉與中叉之間、中叉 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 24 與下叉之間均有合適的導向接觸長度，保證 3 層貨叉伸出時的相對剛度要求。 同時，三層貨叉相對運動時，采用了滾輪與滾道的純滾動摩擦，最大限度地減 小了工作摩擦阻力。 圖 3.4 為當堆垛機的貨叉上叉運行到最大距離時各叉板的支承結構簡圖， 其中底叉固定在載貨臺上，中叉運行到貨叉行程的 1/3 距離，此時有 2 個導向 輪支承，上叉相對于中叉運行貨叉行程的 2/3，剛好也有 2 個導向輪支承，與 中叉相連。 1 底叉 2 中叉 3 上叉 圖3.4 叉板之間的支承結構 3.4.1貨叉撓度的計算 如果貨叉伸出作業(yè)時，叉端撓度太大，就會影響有軌巷道堆垛機正常作業(yè)， 嚴重時會與貨架發(fā)生干涉，造成事故。因此，貨叉設計的基本原則是在保證貨 叉強度的前提下，使其前端撓度盡量小。假設有軌巷道堆垛機在運動過程中立 柱不發(fā)生變形，根據(jù)貨叉的支承結構，做出受力分析簡圖如圖3.5所示。 圖3.5貨叉機構的受力分析 圖中， ， ， ， ， ， ， ， ， 和 分別是各支點間的尺寸，abcdefghmn ， ， 分別是下叉、中叉和上叉的慣性矩， 是材料的彈性模量。 =551I23I Ea ， =45 ， =16 ， =45 ， =8 ， =100 ， =61 ， =69cmccmceccmn ， =126 ， =467.3 ， =969.5 ， =467.3 ， =6000 h1I42I43I4QN (包括貨叉伸長部分重量和貨箱重量在內)，彈性模數(shù) =2.1×1011 。EPa ①上叉撓度計算 貨叉在貨物的作用下，在上叉 處和 處的產生支反力上叉受力和撓度變D 形簡圖如圖3.6所示。 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 25 圖3.6上叉撓度簡圖 由上圖利用受力平衡和彎矩平衡可求得上叉支點 、 處的支點反力、轉DE 角微分方程和撓度方程，其公式分別為 = (3.21)dFQe = (3.22)e? = =－ + 0 (3.23)idx?EI3 2i =－ + 0+ 0 (3.24)IeQ36i? 當 = 時， =0， =0，所以xd0 = (3.25)0i36EIe 將式代入(3.25)帶入到式(3.23)得 處的傾角為E =－ (3.26)1i36IeQd 所以載荷 在 點產生的撓度為E =－ (h－m)=－0.0048 (3.27)1?3Iedcm ②中叉撓度計算 由于載荷的作用，在支點 處產生反力為 ，設在 點的傾角為 ，撓度BbFC2i 為2 。( 為不變形部分的長度)如圖3.7所示。?h 南京理工大學 2009 屆本科畢業(yè)設計論文 26 圖3.7 部分為不變形時中叉撓度簡圖h 由上圖求出 、 點的支反力及 段的彎矩方程分別為：BCBC = (3.28)bFQn = + (3.29)c = = (3.30)Mbx 則撓度曲線微分方程為： =－ =－ (3.31)2dx?2EIbQnx2 所以傾角和撓度方程分別為： = =－ + 0 (3.32)idx?bIn2i =－ + 0 + (3.33)EIQ2 36i? 當 = 時， =0， =0，所以有xb0 = (3.34)0i26In 把式（3.34）代人到式(3.32)和(3.33)得，當 = 時的傾角和撓度分別為：xb =－ (3.35)2i23EIQnb =－ =－0.0378 (3.36)2?2Ihcm 把 段看成剛性， 點作為固定端考慮，如圖3.8所示，設載荷 在中叉產bCQ 生的反力為 和 ，這些反力在前叉產生的傾角為 和 ，撓度為 和 。dFe 0i10?1 南京理工大