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小型秸稈堆垛及搬運機設計
小型秸稈堆垛及搬運機設計
摘 要
本文主要是關于堆垛機的機械部分的設計，包括堆垛機的升降機構、行走機構與伸縮機構的設計，其中重點放在了升降機構和行走機構的設計上。根據比較選擇了雙立柱堆垛機，在進行機構的設計過程中，根據電動機來進行機構的總體結構確定，再通過運行阻力計算行走電動機的功率，來確定電機的型號。本設計升降軌道采用雙柱型軌道，結構比較簡單工藝性好，貨叉的伸縮機構借用了抽屜軌道的原理。從設計要求出發(fā)對各主要部件進行初步選型后再對部件進行強度的計算校核，來保證部件選用的合理性。
關鍵詞：小型堆垛機；行走機構；起升機構
II
ABSTRACT
This paper describes the design of the mechanical structure , including the walking、lifting、stretch outing and draw backing mechanism of a stacker crane, in my design work I focus on the design of the walking mechanisms. According to the comparison we choice the single pillar stacker , In the design of the mechanism ,we according to he motor institutions determine the general structure of a stacker crane, Then cording the resistance to calculation traveling motor power and determine the motor model. Tracking the movement double column type orbit. Structure is simple and good in usability. The goods for the expansion institutions fork drawer the principle of orbit. According to the design requirements of the main components of preliminary selection, then to parts of checking intensity. to ensure that the choice of rationality . In the last part of this paper , the stacker strength and stability for a more detailed analysis , so as to ensure the smoothness of work stacker slide may run and reliability .
Keywords: stacker crane； walking mechanism； Lifting mechanism
目 錄
I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1選題的意義和必要性 1
1.2課題簡介 2
1.2.1堆垛機結構的組成和形式 2
1.2.2巷道堆垛機的特點 3
1.2.3堆垛機所受載荷的簡化方法 3
1.3 主要工作 4
2.堆垛機的方案選定 5
2.1 單立柱堆垛機 5
2.1.1單立柱堆垛機的主要特點 5
2.1.2單立柱式堆垛機的工作方式 6
2.2雙立柱堆垛機 6
2.2.1雙立柱堆垛機主要特點 6
2.2.2雙立柱堆垛機運行方式 7
2.3 橋式堆垛機 7
2.3.1 橋式堆垛機特點 7
2.4 載荷計算 8
2.4.1 起重重量 8
2.4.2 水平載荷 8
3.水平運行機構設計 9
3.1行走機構總體方案確定 9
3.2 自走式運行機構的計算 9
3.2.1 運行阻力的計算 9
3.2.2電動機的選擇 10
3.2.3 行走輪的主軸設計計算 11
4. 堆垛機起升機構設計 14
4.1 總體方案確定 14
4.2鋼絲繩的計算 15
4.4軸承的選擇 18
5.1伸縮機構方案的確定 20
II
5.2貨叉?zhèn)鲃与姍C的選擇 20
5.3貨叉?zhèn)鲃育X條與齒輪的計算 20
6.導向裝置的設計 24
結 論 25
附錄1：外文翻譯 27
附錄2：外文原文 29
II
1 緒論
1.1選題的意義和必要性
作為自動化立體倉庫的核心部件，堆垛機負擔著全部出庫、進庫、盤庫等任務。自動化立體倉庫的發(fā)展就是以堆垛機的發(fā)展為主要標志。
初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎，這種堆垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉運動來搬運貨物。1960年左右，美國出現了沒有大梁的巷道式堆垛機，這種堆垛機是在地面上的導軌上行走，利用貨架上邊的導軌防止傾倒，或者相反，在上邊的導軌上行走，利用地面的導軌防止傾倒。隨著立體倉庫的發(fā)展，巷道式堆垛機逐漸代替了橋式堆垛機。 橋式堆垛機被淘汰的原因如下：
（1） 與巷道式堆垛機相比，自重很大，必須用比較堅固的建筑結構。
（2） 為使堆垛機的大梁通過，在倉庫的天栩與貨架之間要有很大的空間。
（3） 堆垛機的通道寬度大，而且也受大梁的跨度的限制(約為13-23 米)。
（4） 更為重要的是它難以實現自動化控制等問題。
但是，橋式堆垛機對重、長物料的高堆垛可以發(fā)揮其特長。如當前在人工控制的鋼鐵倉庫(盤料、鋼帶、鋼板、棒材、型鋼、管材等)還使用這種堆垛機，它可以搬運長達20米，重達20噸的貨物。
隨著微電子技術的發(fā)展，出現了計算機控制的堆垛機，而且，堆垛機的結構也有了較大的改變。首先，由貨架支撐式改變?yōu)榈孛嬷问?；其次，大、中、小型立體倉庫都有了發(fā)展，雙立柱堆垛機也隨之誕生，而且逐漸體現出其優(yōu)越性。
巷道式堆垛機是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產物，它的歷史較短，目前正在發(fā)展之中。但現在差不多己經定型，盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結構形式有些差異，但可以說大同小異，所有的堆垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。
機架，除輕載荷、低層貨架用單立柱型堆垛機外，一般都是矩形框架結構。它們的支撐與驅動方式有：上部支撐上部驅動型，下部支撐下部驅動型，下部支撐上下同時驅動型。另外，還有一種適用于小型立體倉庫的用絲杠螺母驅動的小型堆垛機。
近年來，隨著企業(yè)生產與管理的不斷提高，越來越多的企業(yè)認識到物流系統(tǒng)的改善與合理性對企業(yè)提高生產率、降低成本非常重要。堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的起重堆垛設備。本文著重就堆垛機的結構設計進行初步研究。
1.2課題簡介
1.2.1堆垛機結構的組成和形式
自動化立體倉庫是物流中的重要組成部分，它是在不直接進行人工干預的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)。它是現代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產物，對提高生產率、降低成本有著重要意義。近年來，隨著企業(yè)生產與管理的不斷提高，越來越多的企業(yè)認識到物流系統(tǒng)的改善與合理性對企業(yè)的發(fā)展非常重要。堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的起重堆垛設備，它能夠在自動化立體的巷道中來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格；或者相反取出貨格內的貨物運送到巷道口。
世界主要工業(yè)國家都把著眼點放在開發(fā)性能可靠的新產品和采用高新技術上，更加注重實用性和安全性。在堆垛機方面，我們應當看到和世界發(fā)達國家的差距，總結經驗，找出不足，打破傳統(tǒng)思路，推出新的外形和更高性能的堆垛機。
相信，通過我們的不斷努力，必能設計出高速、安全、可靠性能高的堆垛機，為增強我國綜合國力，為我國填補一分科技空白。
堆垛機結構主要有三個機構組成：
升降機構有電動機、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩及防落安全裝置組成。升降機構的工作速度一般控制在15~25m/min，最高可達45m/min。
行走機構有電動機、聯軸節(jié)、制動器、減速器和行走輪組成。在其頂部設置導向輪沿固定在貨架上弦的導軌導行。下部裝有水平導輪沿貨架下部的水平導規(guī)導行。行走機構的工作速度依據巷道長度和物料出入庫頻率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可達到180m/min。
貨叉伸縮機構是堆垛機的取放物料裝置，它有前叉、中間叉、固定叉、驅動齒輪等組成。貨叉伸縮機構的工作速度控制在15m/min，最高可達30m/min。
1.2.2巷道堆垛機的特點
由于使用場合的限制，巷道堆垛機在結構和性能方面有以下特點：
整機結構高而窄，其寬度一般不超過儲料單元的寬度，因此限制了整機布置和結構選型。
金屬結構件除應滿足強度和剛度要求外，還要有較高的制造和安裝精度。
采用專門的取料裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板機構。
各電氣傳動機構應同時滿足快速、平穩(wěn)和準確。
配備可靠的安全裝置，控制系統(tǒng)應具有一系列連鎖保護措施。
1.2.3堆垛機所受載荷的簡化方法
堆垛機的機架有立柱、上下梁組成，整機結構高而窄。堆垛機工作時，將受到載貨臺、貨物的鉛垂作用，行走、制動和加減速的水平慣性力作用以及起吊時的沖擊載荷作用；某些特殊環(huán)境下，還要受到風力的作用。堆垛機每完成一個工作循環(huán)，以上載荷將重復出現一次。因次，堆垛機所受的是交替變化的載荷。為了保證堆垛機安全可靠的工作，其剛結構部分的強度與剛度計算是必不可少的。
在此，就堆垛機所受載荷簡化的基本方法作一說明。
（1）起重重量P
實際起重重量包括吊具重量和額定重量之和，用S表示?？紤]到貨物正常起吊時的動載沖擊作用，則設計起重重量P= S （1.1）
式中，稱為沖擊系數，與堆垛機分類有關：
1類 =1. 1 2類 =1.25 3類 =1.4 4類 =1.6
（2）水平載荷S
堆垛機沿水平方向加減速行走或旋轉時，必然存在與其加速度有關的水平慣性力。即S=S （1.2）
式中，稱為動載荷系數，由于加速度的不確定性，一般用額定速度v來確定。
水平行走時 =0.0005v； 旋轉時 =0.0004v.
（3）風力載荷S
風力載荷S為風壓力q與受風面積的乘機，即S=qA （1.3）
堆垛機工作時，風壓力 q=1742.7
非工作狀態(tài)，風壓力 q=148.1 式中，h為吊具高度，單位取mm
（4)起吊沖擊載荷S
在正常情況下，起吊貨物的加速度可能很大，這時的沖擊載荷很大，設計時應另行考慮。
（5）載荷狀態(tài)
堆垛機工作時，其承載能力是上述各種載荷與自重S的不同組合：
A 正常工作狀態(tài)：M（S+S+ S）
B 特殊工作狀態(tài)：M（S+ S+ S）+ S
C 起吊工作狀態(tài)：S+ S+ S
D 停止：S+ S
以上各式中，M稱為作業(yè)系數，與堆垛機的分類有關：
1類 M=1.0； 2類M=1.05； 3類M=1.1；4類M=1.20
1.3 主要工作
在堆垛機設計中將做以下工作：
（1） 堆垛機的框架結構方案選定；
（2） 堆垛機的貨叉伸縮機構的設計計算；
（3） 堆垛機的行走機構的設計計算；
（4） 堆垛機的升降機構的設計計算；
2. 堆垛機的方案選定
堆垛起重機按其構造方式而言可分為雙立柱式堆垛機；單立柱型堆垛機；橋式堆垛機。
圖2.1 單立柱堆垛機
2.1 單立柱堆垛機
這種形式堆垛機組成構件主要是立柱、配有貨叉的載物臺、下梁、等。主動行走輪與從動行走輪裝在下橫梁上，下橫梁上還裝著行駛機構，電機，通訊部件與控制部件，等。導向輪裝在立柱上部，其在上部巷道的工型鋼中運行。水平運行輪裝于下橫梁上，其在安裝于地上的一條單軌道上運行。
2.1.1單立柱堆垛機的主要特點
（1）結構簡單
節(jié)省材料和費用，實用性強，便于維護，不易出現故障。性較好，自身重量較輕，但小車檢查與修整不方便，運行機構安放也較困難，并需要添加防止小車翻斜的保護措施。
（2）運行速度可以達到很高
在較長較高的巷道全力運行時，行進速度最高可達到150米/分和提升速度最高可到達45米/分。貨叉叉取貨物速度可達到30米/分。
（3）安全性高
行進，貨叉機構和提升設置了多重機械安全裝置進行保護，并有電控安全保護系統(tǒng)，等來確保堆垛機設備的工作能夠安全平穩(wěn)的進行，并保障了貨物存儲和運送的安全。
（4）智能化程度高
可對執(zhí)行指令自動識別和分析，自動記錄并保存狀態(tài)信息和故障數據。當運行有異常情況發(fā)生時時，能自行讓運行停止并自動發(fā)出警報。
2.1.2單立柱式堆垛機的工作方式
單立柱式堆垛機的運動形式主要有三種，在軌道上的運動為水平運行行走運動，可視為水平軸向的運動。在垂直方向上載物臺的升降，可視為垂直軸的軸向運動。貨叉在載物臺上進行取放貨物時進行的的伸縮運動，可視為前后軸的向軸運動。
圖2.2雙立柱堆垛機
2.2雙立柱堆垛機
堆垛機的機架是由一個矩形框架和下上橫梁和兩根長的構成。立柱的構件可以是方管也可以是圓管。方管除了有支架作用外還可以作為起升導軌，圓管附加起開作用。
2.2.1雙立柱堆垛機主要特點
（1）結構穩(wěn)固
由于由兩個立柱的構造故其強度和剛性都比較好，構造較簡 單，工藝性好，可使用焊或半動焊，實用性強，易大量生產，選用較多。
（2）運行可靠
運行速度可以達到很高，制動簡單，運行中較平穩(wěn)，振動、噪聲、沖擊較小。可以用在運行速度較快，起重質量較高的場合。
（3）傳動方式簡單
現在雙立柱式堆垛機普遍采用的傳動方式是鋼繩傳動，通過電動減速器進行帶動，鋼繩進行傳遞轉矩，載貨臺由鋼繩進行帶動，沿著起升導軌或立柱（作為起升導軌）作上下運動。
2.2.2雙立柱堆垛機運行方式
雙立柱式堆垛機的運動形式主要有三種，在軌道上的運動為水平運行行走運動，可視為水平軸向的運動。在垂直方向上載物臺的上下運動，可視為垂直軸上的軸向運動。貨叉在載物臺上進行取放貨物時進行的的伸縮運動，可視為前后軸的向軸運動。
圖2.3橋式堆垛機
2.3 橋式堆垛機
橋式堆垛起重機結構具有叉車的結構特點也有堆垛機的結構特點，具有橋梁與回轉小車?；剞D的行走是在橋架上，橋架的是在倉庫上方。其立柱形式還有固定式和可伸縮式兩種，立柱上裝有貨叉或其他代替貨叉的取物裝置。倉庫頂與貨架之間要留出一定空間，保證其正常運行?？苫剞D的立柱，保證了工作的靈活性。回轉小車根據需要可以來回運動。因此橋式起重機可以服務于多條巷道。
2.3.1 橋式堆垛機特點
（1）橋式堆垛起重機是巷道式堆垛起重機的雛形，因其體積大所以較重，所以行走速度不會太快，適用的倉庫貨物出入庫不能太高。
（2）橋式堆垛起重機的大體構造比較簡單，使用起來也較方便，貨物的堆垛和裝卸可以越過一些不太高的障礙物進行。
（3）橋式堆垛起重機的軌道大多是安裝在房屋上方上的，所以其自身較輕。
（4）制造較難，剛性較好，高成本，由于難使用半自動焊，焊，不宜大量制造，很少被使用。
在進行優(yōu)缺點比較后雙立柱型堆垛機結構作為本次設計選用的機構形式。
2.4 載荷計算
2.4.1 起重重量
實際起重重量為貨物重量與貨叉總重量的和，用來進行表示。 貨物在正常吊起時不可避免會有沖擊動載作用，因此本次起重的計算方式為：
（2.1）
上式中；——沖擊系數，其選取和堆垛機的分類有關：
類=1.1， 類=1.25，
Ⅲ類=1.4，Ⅳ類=1.6，
本文設計中=200+20=220kg; 由于堆垛機載荷小平穩(wěn)運行且環(huán)境狀況良好，所以取 =1．1。
2.4.2 水平載荷
堆垛機在水平方向進行減速或者加速運行時，必定會有一定的水平的性力產生。
= （2.2）
上式中；——動載荷系數，
因為無法確定加速度，所以用額定速度V來表示。
水平動載系數：=0.0005v；
3. 水平運行機構設計
3.1行走機構總體方案確定
機的行走機構主要有以下幾種方案：
方案1：無軌道式堆垛機，
門架一般選用多節(jié)式，比普通叉車的起開高，可是低于一般機所可以到達的高度。比一般機機動性好，在外也可以使用，也可以作為一般叉車在庫房外使用。
方案2：雙軌堆垛機道：
堆垛機的機架重量較輕，抗彎抗扭和剛度較高，可精確調位，耐磨性好，起升精度高。
方案3：單軌道式堆垛機；
導軌固定行走較平穩(wěn)，制造成本低，但行走路線不易改變，轉彎角度不能太小，噪聲較大。
因設計為小型堆垛機其運行環(huán)境一般為倉庫外，所以初選為無軌道式堆垛機，即自行式堆垛機。
堆垛機的運行機構主要包括機，器，器，軸，組和器等。自行式又分為分別與兩中方式。其布置方式如圖3.1所示。
圖3.1減速器安裝方式
因為套裝式運行機構的總體布置緊湊，并能使車輪組的安裝簡便，所以初選采用套裝式。
3.2 自走式運行機構的計算
3.2.1 運行阻力的計算
沿直線穩(wěn)定運行的堆垛機其總靜阻力主要為；
（1）摩擦阻力
時的單梁小車所受的最大和最??；
（3.1）
（3.2）
式中：——起升載荷
G—— 堆垛機自重
——滾動摩擦力臂
D——車輪直徑
——水平滾輪直
——滿載水平滾輪總壓力
——考慮車輪輪緣與輪轂摩擦的系數
因本次設計微小型起重機D，分別取100mm，于150mm。取0.25
取1.2。H約為滿載載荷。堆垛機自重約為120Kg
=（120+200） 20.25/101.2+222020.25/15 （3.3）
=300N
運行環(huán)境為時，阻力、風阻、相對比較小，可以忽計；我們所以可認為小型堆垛機的其摩擦阻力就等于靜阻力。
3.2.2電動機的選擇
的運行為滿載時，其動機功率；
（3.4）
式中：
—— 堆垛機滿載時的總功率
——堆垛機行走速度取60m/min
——機構總效率取=0.9
所以，=30060/600.9=330w
可以，小率動機就可以用作機機構的動機。因此可以選擇R35面斜機，輸出轉矩為40n.m，輸出轉速為239r/min，減速比5.54。電動機型號Y91s 額定功率為1.0kw機身重為15KG。
3.2.3 行走輪的主軸設計計算
同步帶傳動設計計算
（1）確定計算功率
電動機每天要進行8小時的工作，查表得工作系數K=1.4。其計算算功率為：
P=KP=0.3301.40=0.467kw （3.5）
圖3.1帶型選取關系圖
查看選型同步帶圖后選型帶H。節(jié)距選P=12.7mm。
選取齒輪齒數
由于Z=14為此帶型最小齒數，所以小帶輪齒數選取Z=20。
小帶輪的節(jié)圓直徑；
==2012.7/3.14=81mm （3.6）
小帶輪的轉速計算；
=247813.14/6000=1.05m/s
大的計算；
有傳動比1:1，即大帶輪數據與小帶輪相同。及齒數Z=20，
P=12.7mm。
中心距的初定
0.7（d+d）a2（d+d） （3.7）
224 mm a320mm
初定中心句為a=250mm
帶長確定
L=2a+/2（d+d）=762mm （3.8）
查表得其帶的基準長度L=800mm
實際中心距a=a+（L-L）/2=269mm
軸最小直徑的計算
d （3.9）
式中A取110，p=0.5，n=247。
d=1100.126=13.91mm
圓整d=30mm，軸承選取代號為6207的，：d=30mm，D=72mm，基本19kn。
圖3.2軸的結構圖
圖3.3軸的受力情況圖
圖3.4垂直彎矩圖
圖3.5軸的轉矩圖
圖3.6 軸的水平彎矩圖
：
其為60MPa，為81273.8n.mm
==24mm （3.10）
小與最細軸徑所以軸安全。
4. 堆垛機起升機構設計
4.1 總體方案確定
（1）鏈條起升機構
圖4.1鏈條起升機構
式主要由、提升、與電動機（包括）、改輪和提條組成提升機構。采用雙子鏈作為提升鏈條一般不小于5，其與橫梁上的改輪和載物臺組成一個封閉的結構。當傳條通過起落電動機帶動旋轉時提升運動，載物臺升降被調控。
與繩比較的話，車庫采取式提升方式的較多，性好許多在起落過程中，這主要與繩與的不相同的構造有關系。然而這樣的升降方法對于高度太高的機不太適合，由于的本錢要比繩高，并且會有比大的聲音產生在升降過程中，因此噪聲比較高。所以機較高時通常不使用這樣的方法。
（2）曳引式提升機構
圖4.2曳引式提升機構
式升降機構普遍使用在當今電梯的提升方式中，組成主要是繩、輪、力裝置、反繩輪和導向輪等構件。繩一端連接配置，另外一端與載物臺相連接，配置、載物臺與載荷的重量使緊緊壓在輪繩內的繩擁有極大的力來帶動貨物沿向上或向下運動。
式升降機構的好處是有小而輕巧的傳動體積，相比與式傳動機要小出很多。沒有上限的提升高度，但是機與不一樣，機要水平運行，會晃動、產生噪音，配置一定不可以太過大，配重裝置并且要安裝到里面沿著向上或向下運行，安修比較困難。
（3）卷筒式提升機構：
圖4.3 卷筒式提升機構
常用于帶動載物臺向上向下運行的是式升降機構，一般由減機、、組及繩組成。它的工作原理是；卷筒經過減速電機帶動轉動繩，再經過滑與繩升降載物臺。
初選為卷筒式升降機構。
4.2鋼絲繩的計算
鋼絲繩所受拉力S= （4.1)
式中：Q——起重載荷
a——繩系數目
m——繩系滑輪倍數
—一根繩繞過移動小車和吊具上的數
K——滑輪的阻力系數
表4.1 K的推薦值表
鋼絲繩傳動
鏈傳動
滾動軸承
滑動軸承
滾動軸承
滑動軸承
1.03
1.05
1.04
1.06
S=22001.3/2=1167N
鋼絲繩直徑計算：
d=C （4.2）
C——直徑系數取0.114，
d=0.114=3.8mm
取d=6mm
卷筒和滑輪直徑計算
卷筒直徑D=ed （4.3）
式中e——系數
d——鋼絲繩直徑
表4.2 e的取值表
機構工作類型
電動滑車
動臂絞車
其他絞車
手動
輕級
中級
強級
18
20
28
30
20
20
30
D=ed=206=120mm （4.4）
滑輪直徑D一般選取為滾筒的0.6倍，但推薦選與滾筒相同，所以滑輪直徑也為120mm。
電動機的選擇
電動功率：P= （4.5）
式中：v——升降速度
M——電機個數
——機率取0.85
P=2201.2/10000.85=310w
選擇配有器的電動機，安便，結湊。器型號：R56，輸矩181N.M，輸速37r/min，37.30；Y80，其為1390r/min,額為0.65KW,電量13KG。
設計
卷筒直徑D=120mm，卷度L=150mm，節(jié)距螺旋p=7mm，卷筒壁厚為d=10mm，繩的最為S=1167N。
4.3 卷筒心軸的計算
軸為調質處理過的號鋼。
圖 4.4 軸的受力情況圖
心軸的直徑計算：dA （4.6）
式中：A——系數取110：
N——轉速為37r/min
d=22.3mm，取d=25mm
心軸受力分析
支力：R=（116745+1167110）/135=1339N
R=（1167115）/135=994N
左右輪轂收到的彎矩最大：
M= R45=44730N·mm
M=R25=33475N·mm
疲勞強度計算
彎曲應力=M/0.1d=44730/（0.125）=28.6MPa （4.7）
軸材料為彎曲許用應力=100MPa
<所以卷筒芯軸安全
強度計算
卷筒為低動機構，其動力系數=1.2
M=M=447301.2=53676N·mm （4.8）
=M/0.1d=34.4MPa
<
所以強度校核也通過。
4.4軸承的選擇
左端軸承
軸承額定凈負載
C （4.9）
式中：C——軸承額定靜負載：
P——當負載：
N——安全系數，本次設計選取n=1.04
選用軸承，為6205，軸額定載C=4200N，左承的當載荷。
p= （4.10）
式中：f——當量靜載荷系數，本次設計取f=1.1；
P=1.11339=1473N
n=1.041473=1532N
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