双立柱巷道物流堆垛起重机的毕业设计

摘要

随着世界经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流作为现代经济的重要组成部分和工业化进程中最为经济合理的综合服务模式，正在全球范围内得以迅速发展。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自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。

本文以设计了一台能在仓库中运输、堆取货物的机械设备——双立柱式巷道堆垛起重机，并着重分析了其升降机构、伸叉机构、行走机构等机构的工作原理，并对各机构进行分析设计、选取与尺寸计算。内容包括：总体运动方案设计和结构分析、起升机构的设计、伸叉机构设计、行走机构设计、机体支架设计及其他装置设计等内容。各机构以电机的选取入手，通过对钢丝绳、卷筒、链轮链条、皮带轮皮带的工作性能的分析设计计算与选取，从而设计合适的双立柱式巷道堆垛机起重机的机架，进而设计一台性能完备的双立柱式巷道堆垛起重机。

关键词：双立柱；自动化仓库；巷道；物流；堆垛起重机；设计

ABSTRACT

Along with continuously develop of the science technology and world economy, modern logistics which are an important part in the modern economy and a most economic reasonable comprehensive service mode in the process of industrialization, develops quickly in the global scope. Automated three-dimensional storehouse as an important composition part in logistics, is one kind of multilayered depositing cargo high structure warehouse systems. It dose not directly carries on the manual intervention in the situation automatically to save and to take out the system which the thing flows. It is the high tech product out of the development of modern industry society, which have the vital significance to enhance the productivity and reduce the cost.

This paper is taking designing a machine named double pillar alley Stacking Crane of engaging in piling things or transportation in storehouse. It analyses it’s hoisting mechanism, stretch fork mechanism , walk mechanism, working principle, and it’s aimed at each mechanism to design, select , and size’s calculate of double post alley stacking crane. Overall sport scheme’s design and analyze of structure, the design of hoisting mechanism , stretch fork’s mechanism design , walk mechanism’s design, organism frame design and other installation designs. Each mechanism with generator select to start, through calculating and selecting of the character of service of wire rope, reel, sprocket chain and the ship leather belt of leather belt to analyze and design, so to design the suitable frame of double pillar alley stacking crane, and then to design a double pillar alley stacker of complete natural capacity

Keyword: Double Pillar; Automated Three-dimensional Storehouse; Alley; Logistics;

Stacking Crane; Design

目录

摘要................................................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................................................... II 第1章绪论 .. (1)

1.1课题背景 (1)

1.1.1巷道堆垛机发展现状、发展趋势与优势 (1)

1.1.2双立柱巷道堆垛机的分类 (3)

1.2设计参数 (3)

第2章总体运动方案设计和结构分析 (5)

2.1双立柱巷道物流堆垛起重机的总体运动方案设计 (5)

2.2主要装置 (6)

2.2.1底架 (6)

2.2.2立柱 (6)

2.2.3升降载货台 (6)

2.2.4 行走机构 (6)

2.2.5升降机构 (7)

2.2.6货叉驱动机构 (7)

2.2.7堆垛机的控制装置 (7)

2.3本章小结 (8)

第3章双立柱巷道堆垛机起升装置的设计 (9)

3.1电动机的选择计算 (9)

3.1.1选择电动机类型 (9)

3.1.2选择电动机容量 (9)

3.2钢丝绳和滑轮设计 (10)

3.3 起重卷筒设计 (11)

3.4 涡轮蜗杆减速器的选取 (12)

3.5 本章小结 (12)

第4章堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 (13)

4.1伸缩货叉的扰度与强度 (13)

4.1.1下叉的受力分析: (13)

4.1.2 中叉的受力分析 (14)

4.1.3 前叉的设计分析 (16)

4.2货叉各参数的选择 (17)

4.3货叉内部零件的选取与校核 (17)

4.4货叉伸缩装置中的电机和减速器的选取 (21)

4.5本章小结 (21)

第5章堆垛机行走机构的设计计算 (22)

5.1 堆垛机行走轮的设计计算 (22)

5.2 行走机构电动机的选取 (23)

5.3 V带轮与V带的设计计算与选择 (23)

5.4 行走机构减速器的选取 (26)

5.5行走机构联轴器的选择 (26)

5.6本章小结 (26)

第6章双立柱巷道堆垛机机体支架设计 (27)

6.1 机架设计计算的准则和要求 (27)

6.2机架的设计步骤 (28)

6.3其他装置设计和选择 (29)

6.4 其他装置设计和选择 (30)

结论 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

附录A (37)

附录B (41)

第1章绪论

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。物流系统的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。堆垛起重机是自动化立体仓库中最重要的起重运输设备，是代表立体仓库的标志。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]。

1.1课题背景

1.1.1巷道堆垛机发展现状、发展趋势与优势

随着计算机信息技术的发展，现代企业生产模的不断扩大和竞争的日益加剧,市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用效率高、便于实现自动化管理、适时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统连网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，因此自动化仓库受到越来越多的关注并已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、裁减、邮电等许多行业。仓库最早是在二战期间被美国用来存储油料、枪支、器械等物品。在当时看来这种简单的设备已经具有占地空间小、便于我品的存放与管理等优点。到十九世纪五六十年代我国的大部分生产厂家应用仓库来存储产品，到七八十年代仓库已经发展为自动化立体仓库并得到广泛应用。随着仓库的不断发展，仓库内的搬运设施也不断的优化,从最初的人力搬运转化为机械搬运。仓库内的搬运、取货设备最开始是由一辆引导车牵引一节装有起重机的车厢，由起重机来完成货物的存取与运输。这种方法与之前的人力相比具有了提高劳动生产率、降低劳动成本等优点，但行走所需空间大，这就降低了仓库的利用率。为了弥补这种不足，人们就想到了把引导车与起重机结合到一起来完成货物的存取与运输功能，巷道堆垛起重机就是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称堆剁机。堆剁机是立体仓库中最重要的起重运输、搬运、堆垛设备，是代表立体仓库特征的标志。其主要用途是在接受计算机的指令以后，能在高层货架巷道中来回穿梭，将货物从巷道口出入库货台搬运到指定的货格中，或把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出入库货台，再配以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出入库作业。其对立体仓库的出入货效率

有重要影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键内容之一。20世纪70年代初，我国开始研究采用旱稻式堆垛机的立体仓库，据不完全统计，到目前已建成三百余座。而堆垛机作为立体仓库中最重要的其中搬运设备，也得到了较快的发展。

按照现行继续界行业标准，巷道堆垛起重机可以按照支撑方式、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都主要由水平行走机构、起升机构、栽货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。堆剁机的分类方式很多，主要分类形式有以下几种：

①按照有无导轨，堆剁机可分为有轨堆垛机和无轨堆垛机。有堆垛机需沿巷道内的轨道运行；无轨堆剁机又称为高架叉车。在立体仓库中运行的主要设备有轨道堆垛机、无轨道堆垛机和普通叉车。这三种设备相比较之下，有轨巷道堆垛机对巷到要求宽度小，对仓库的利用率高切作业高度高，可以进行手动、半自动、自动和远距离集中控制，但却必须配备出、入库设备。无轨巷道堆剁机由于无轨道限制可以服务于两个以上的巷道，并可完成高架区外的做业。

②按高度不同，堆剁机可分为低层型、中层型、高层形。低层行起重机一般起升高度在5m以下，主要用于分体式高层货架仓库及简易立体仓库中，中层型堆垛机的起升高度在5-15m之间，而高层型堆垛机的起升高度在15m以上，主要用于一体式的高层货架仓库中。

③按照驱动方式不同，堆垛机可分为上部驱动式、下部驱动式、和上下部相结合的驱动方式。

④按照用途不同，堆垛机可分为桥式堆垛机和巷道式堆垛机。桥式堆垛机具有起重机和叉车的双重结构特点，像起重机一样，具有桥架和回转小车，同时具有固定式和可伸缩式的立柱，立柱上装有货叉或者其他取物装置。桥式堆垛机的堆垛和取货是通过取货装置在立柱上的运动实现的，但由于立柱的高度限制，桥式堆垛机主要适用于12m以下中等跨度的仓库，且航道宽度较大，适用于笨重和长大物料的搬运和堆垛，并可服务于多条航道。

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；采用货叉伸缩机构，使货叉可以伸缩，这样就可以使巷道宽度变窄提高仓库的利用率；巷道堆垛机适用于各种高度的高层货架仓库，除以上优点之外，巷道堆垛机还要求有较高的运行速度和生产效率、配备出入仓库装置较高的制造和安装精度、多节伸缩货叉或货板、较高的电气传动调速且制动平衡、停车准确、要有安全保护装置等特点[2]。

1.1.2双立柱巷道堆垛机的分类

巷道堆垛机按结构不同可分为单立柱型巷道堆垛机和双立柱型巷道堆垛机。

单立柱型巷道堆垛机的机架结构由一根立柱、上横梁和下横梁组成一个矩形框架。立柱多采用较大的H型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。整车质量较轻，消耗材料少，因此制造成本相对较低，但结构刚度比双立柱差。由于载物台及货物对立柱的偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力的作用，使单立柱堆垛机在使用上有局限性。不适用于起重量大和水平运行速度高的堆垛机，适用于重量12t以下，起升高度在16m以下的仓库。单立柱堆垛机的起升结构普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载物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。

双立柱机构的堆垛机的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。一般对于起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库堆垛机，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（钢丝绳）传动，由电机减速机驱动链轮（卷筒）转动，通过链条（钢丝绳）牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。由于链条传动多采用封闭链或配重装置，受空间尺寸限制，传动和布置较复杂，但定位较准确[2]。

1.2设计参数

表1.1 载重量为3吨的双立柱巷道堆垛起重机的主要性能参数

序号技术项目技术指标

1 主体结构形式双立柱、单深位、单货台

2 货叉形式单副伸缩式存取货叉

3 适合高度12m以下

4 适合载荷小于3t

3 最大走行速度,m/min120(自动运转时)

4 水平加速度,m/s20.4(自动运转时)

5 最大升降速度,m/ min12（满载）,20（空载）

6 升降加速度,m/s20.5（自动运转时）

7 最大伸叉速度20（满载）,30（空载）

8 伸叉加速度,m/s20.4自动运转

表1.1 载重量为3吨的双立柱巷道堆垛起重机的主要性能参数续表

9 水平走行定位精度,mm±5

10 垂直升降定位精度, mm±5

11 伸叉定位精度,mm±5

12 行走驱动下部驱动

13 升降驱动电机带动，钢丝绳牵引

14 伸叉驱动电机带动链轮和链条驱动

15 作业形式单一和复合循环

16 供电方式低部安全滑触线

17 控制操作方式手动/自动/在线

第2章总体运动方案设计和结构分析

2.1双立柱巷道物流堆垛起重机的总体运动方案设计

因为与单立柱相比，双立柱巷道堆垛机具有强度和刚性都比较好，运行平稳且定位准确等优点，被广泛应用于自动化立体仓库中，结合这一现状，我决定对双立柱巷道堆垛起重机进行研究和设计。

为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出库，必须满足以下设计要求：

（1）具备三维运动功能，能在高窄巷道中进行高升降行程作业,可以有效利用仓库空间,能适应最高层、最低层、其他层货位及站台货位的存、取货物。货叉长度及伸叉行程适应托盘深度及货架宽度方向尺寸（包括巷道宽度），使单元负载得以正确平稳地方入货位中。在存取货时，堆垛机的行走及升降运动能同时动作，且行走及升降速度匹配，缩短了作业时间，即沿巷道来回运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方向伸缩运动能同时进行；

（2）堆垛机的结构设计成熟可靠，结构具有足够的强度及刚性要求，运行稳定可靠，满足一定的定位精度，重复定位精度不能超过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分的重量，以减小提升功率和行走时的摩擦阻力；

（5）所有零部件按标准要求采用优质材料制造，以提高堆垛机整机性能；堆垛机需调整的零部件以尽量减少，以简化维护工作并延长使用寿命；

（6）堆垛机起升导轨光滑，保证堆垛机运行平稳；

（7）保护仓库环境，避免货物污染受损。根据以上设计要求制定双立柱巷道物流堆垛起重机的总体运动方案。

无轨堆垛机在使用过程中虽然因为没有轨道而节约了仓库的地面利用率，但却存在在存取货物时不便于控制的缺点，所以我决定针对有轨巷道堆垛机进行研和设计。在这个课题中由于采用上下两条轨道作为堆垛机滑轨已经可以保证堆垛机沿伸叉方向的平稳性，所以上下轨道我均采用单轨道作为滑轨，这样即可以节轨道占地空间又可以节约轨道与机器的制造成本。

堆垛机的起升机构多数采用链传动或钢丝绳传动，为了减小体积在这里我采用钢丝绳—卷筒传动；在伸叉结构中为了保证伸平稳性的高精度采用链轮—链条传动；在

控制行走的部分为了达到体积与平稳性的要求采用皮带轮传动[3]。

堆垛机结构如图2.1、2.2所示

图2.1单立柱堆垛机结构简图图2.2双立柱堆垛机结构简图

2.2主要装置

2.2.1底架

是堆垛机整体支承座，由两端的行走轮支架及钢板组焊成的矩形梁构成。堆垛机运行时产生的动负荷及静负荷均由底架传至行走轮，底架具有很好的刚性。

2.2.2立柱

矩形截面，减小行走运动时的立柱震动，维持走行运行平稳。

在立柱上加工升降导向槽，支撑升降台上下运动，行走时立柱上的导向轮沿着天轨做直线运动，防止立柱左右偏摆，有足够的稳定性。

2.2.3升降载货台

为U型结构，其竖支架侧面有深沟球轴承可以在立柱内的导向槽内沿着立柱升降，升降牵引机构采用钢丝绳方式。

升降载货台水平支架上设有货叉，可左右滑动叉取货架上的货物或将货物放置到