【正文】 1 緒論 本課題研究的背景及意義我國(guó)現(xiàn)在正處于工業(yè)化、城市化發(fā)展的高速期，未來一段時(shí)間內(nèi)，土地資源和勞動(dòng)力資源將會(huì)成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，鑒于此，建造立體倉(cāng)庫(kù)是未來企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是現(xiàn)代物流中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)合理化的關(guān)鍵。它具有空間利用率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，實(shí)時(shí)自動(dòng)結(jié)算庫(kù)存貨物種類和數(shù)量等許多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)加快物流速度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本很重要，已開始應(yīng)用于汽車、電子、醫(yī)藥、煙草、建材、郵電等許多行業(yè)。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的搬運(yùn)、起重、堆垛設(shè)備，對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)效率有決定性影響，是立體倉(cāng)庫(kù)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵設(shè)備之一。而我國(guó)在堆垛機(jī)制造技術(shù)上和世界發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距，鑒于我國(guó)未來物流業(yè)發(fā)展的廣闊空間，堆垛機(jī)技術(shù)落后必將成為限制我國(guó)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)發(fā)展的瓶頸，使我國(guó)在國(guó)際物流業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位。鑒于以上因素，發(fā)展堆垛機(jī)技術(shù)有積極意義。 有軌巷道堆垛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀有軌巷道堆垛起重機(jī)是隨著立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機(jī)，通常簡(jiǎn)稱為堆垛機(jī)。其主要用途是在高層貨架倉(cāng)庫(kù)的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者相反，取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到巷道口，完成出入庫(kù)作業(yè)。20世紀(jì)70年代初期，我國(guó)開始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù)，1980年我國(guó)第一座自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在北京汽車制造廠投產(chǎn)，從此自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前已建成三百余座。堆垛機(jī)做為立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，也得到了較快的發(fā)展。早期的堆垛機(jī)是在橋式起重機(jī)的起重小車上懸掛一個(gè)門架，利用貨叉在立柱上的上下運(yùn)動(dòng)及立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來搬運(yùn)貨物，通常稱之為橋式堆垛機(jī)。1960年左右在美國(guó)出現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)，這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒。隨著立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展，巷道堆垛機(jī)逐漸替代了橋式堆垛機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展，堆垛機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)性能越來越好，高度也在不斷增加，到1970年實(shí)現(xiàn)了由貨架支承的高度為40米的堆垛機(jī)。堆垛機(jī)的運(yùn)行速度也不斷提高，目前堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度可達(dá)200m/min，起升速度高達(dá)120m/min，貨叉伸縮速度達(dá)50m/min。2004年國(guó)際物流綜合展覽會(huì)上推出的超高效能巷道堆垛機(jī)“HV1”，走行速度500m/min，處理能力每小時(shí)500箱，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)存取效率的飛躍。80年代初期，巷道堆垛機(jī)的運(yùn)行能力主要由機(jī)械的速度模式來決定，速度控制是將子母電機(jī)或變極電機(jī)進(jìn)行復(fù)合，機(jī)械式地進(jìn)行速度切換來控制高速、低速運(yùn)行。因此，最高行走速度不超過100m/min，最高升降速度不超過20m/min，在高速化上受到了制約。于是，在速度控制方面采用了直流電機(jī)的電壓切換控制方式，使巷道堆垛機(jī)的最高行走速度達(dá)到125m/min，最高升降速度達(dá)到30m/min。但是，伴隨高速化的另一個(gè)重要問題是停止，為了滑動(dòng)停止就必須降到很低的速度。當(dāng)進(jìn)行速度切換時(shí)，由于急加減速而形成的或是由于制動(dòng)停止而引起的沖擊，誘發(fā)了機(jī)械的振動(dòng)?，F(xiàn)代堆垛機(jī)多使用變頻調(diào)速，速度控制更加平穩(wěn)，解決了變速時(shí)的沖擊問題，但是在堆垛機(jī)制動(dòng)器抱閘停止時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生沖擊，在堆垛機(jī)機(jī)架較高的情況下，造成機(jī)架晃動(dòng)，目前只能通過改善控制減小沖擊，尚無更好的解決辦法。目前，我國(guó)巷道堆垛機(jī)的性能參數(shù)和可靠性有待進(jìn)一步提高。國(guó)產(chǎn)堆垛機(jī)的質(zhì)量相對(duì)國(guó)外堆垛機(jī)而言差距較大，為使國(guó)產(chǎn)堆垛機(jī)趕超國(guó)際水平，應(yīng)加強(qiáng)自主研究和開發(fā)。 本課題設(shè)計(jì)任務(wù)及要求此堆垛機(jī)用于機(jī)械加工工廠的毛坯、零件倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)貨架總高度為10m，貨物單元長(zhǎng)、寬尺寸為1200x1000mm，額定負(fù)載800kg，最高行走速度120m/min，最高升降速度30m/min，最高貨叉速度30m/min，首層貨架高度600mm，負(fù)載單元器具為托盤或貨箱，貨叉數(shù)為雙貨叉，每小時(shí)出入庫(kù)20次，平均工作周期3min。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括門架結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)出更合理堆垛機(jī)門架結(jié)構(gòu),在保證其強(qiáng)度及剛度條件下盡量減輕整機(jī)重量，同時(shí)，設(shè)計(jì)出能減輕堆垛機(jī)制動(dòng)時(shí)晃動(dòng)的輔助天軌制動(dòng)裝置和更加簡(jiǎn)單可靠的斷繩保護(hù)裝置。2 堆垛機(jī)總體方案的確定堆垛機(jī)工作于立體倉(cāng)庫(kù)貨架之間，為節(jié)省空間，加大有限空間存貨量，現(xiàn)代立體倉(cāng)庫(kù)貨架間距做的很窄而高度很高。堆垛機(jī)在此環(huán)境下工作，決定其整體結(jié)構(gòu)高而窄，為防止傾倒，將堆垛機(jī)行走軌道設(shè)計(jì)成上下雙軌，下部地軌起支撐和引導(dǎo)作用，上部天軌可支持堆垛機(jī)直立行走，保證不發(fā)生傾倒事故。高而窄的結(jié)構(gòu)也造成堆垛機(jī)沿高度方向剛度不足，在起停過程中振動(dòng)嚴(yán)重，會(huì)延長(zhǎng)定位時(shí)間，影響效率，也會(huì)造成堆垛機(jī)定位不準(zhǔn)確，無法正常工作。為減輕剛度不足造成的影響，堆垛機(jī)設(shè)計(jì)中要非常注意機(jī)構(gòu)的動(dòng)剛度。 有軌巷道堆垛機(jī)門架結(jié)構(gòu)選型按傳統(tǒng)門架結(jié)構(gòu)形式堆垛機(jī)可分為雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)和單立柱有軌巷道堆垛機(jī)：(1)雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)由兩根立柱、上橫梁、下橫梁和帶貨叉的載貨臺(tái)組成，立柱、上橫梁和下橫梁組成一個(gè)長(zhǎng)方形的框架，一般稱為機(jī)架。這種堆垛機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)就是強(qiáng)度和剛性都比較好，能快速起、制動(dòng)，并且運(yùn)行平穩(wěn)。一般用在起升高度較高、起重量較大和水平運(yùn)行速度較高的立體倉(cāng)庫(kù)中，其缺點(diǎn)是自重較大。(2)單立柱有軌巷道堆垛機(jī) 雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)單立柱有軌巷道堆垛機(jī)的機(jī)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(dǎo)軌。整機(jī)重量較輕，消耗材料少，因此制造成本相對(duì)較低，但剛性稍差。由于載貨臺(tái)和貨物對(duì)立柱有偏心作用，以及行走、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平慣性力作用，使單立柱有軌巷道堆垛機(jī)在使用上有較大的局限性。不適于起重量大和水平運(yùn)行速度高的堆垛機(jī)。 單立柱有軌巷道堆垛機(jī)通過對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)中堆垛機(jī)應(yīng)用于機(jī)械零件及毛坯的搬運(yùn)，受力較大。單立柱堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)剛度小，設(shè)計(jì)大剛度門架較困難。且本設(shè)計(jì)針對(duì)加大倉(cāng)庫(kù)存貨量的中型倉(cāng)庫(kù)，庫(kù)高為10米，單立柱結(jié)構(gòu)做到10米高，會(huì)顯著提高成本，不夠經(jīng)濟(jì)。故本設(shè)計(jì)采用雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)，這種堆垛機(jī)強(qiáng)度和剛性都比較好，能快速起、制動(dòng)，并且運(yùn)行平穩(wěn)。用在起升高度較高、起重量較大和水平運(yùn)行速度較高的立體倉(cāng)庫(kù)中，符合本設(shè)計(jì)的任務(wù)要求。 貨叉伸縮機(jī)構(gòu) 貨叉結(jié)構(gòu)貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)存取貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，置于堆垛機(jī)載貨臺(tái)上，可以橫向伸縮以便向兩側(cè)貨格送入或取出貨物。一般按叉子的數(shù)量分為單叉貨叉，雙叉貨叉和多叉貨叉，其中多叉貨叉多用在特長(zhǎng)貨物的堆垛。由于工作需要，堆垛機(jī)貨叉在收回狀態(tài)下的長(zhǎng)度要小于巷道的寬度，但伸展后的長(zhǎng)度卻要大大長(zhǎng)于巷道寬度。為了從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，必須采用多級(jí)伸縮式貨叉，目前最常用的是3級(jí)直線差動(dòng)式貨叉。底叉固定在載貨臺(tái)上，動(dòng)力裝置安裝在底叉上，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中叉相對(duì)底叉運(yùn)動(dòng)，中叉和上叉之間裝有直線差動(dòng)機(jī)構(gòu)，使中叉相對(duì)底叉運(yùn)動(dòng)時(shí)，上叉相對(duì)中叉以2倍速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大距離伸叉的要求。 中叉板的驅(qū)動(dòng)中叉的運(yùn)動(dòng)是通過安裝在底叉板或載貨臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，傳動(dòng)方案有齒輪齒條傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)。，電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)構(gòu)安裝在載貨臺(tái)上，齒條固定在中間叉上，齒輪固定在載貨臺(tái)中部，驅(qū)動(dòng)齒條從中點(diǎn)，向左或向右移動(dòng)大約自身長(zhǎng)度的的一半。前叉可以從中間叉的中點(diǎn)，在鏈條或鋼絲繩驅(qū)動(dòng)下向左或向右伸出比自身稍長(zhǎng)的長(zhǎng)度。 齒輪齒條式伸縮叉伸縮機(jī)構(gòu)，固定叉安裝在載貨臺(tái)上，固定貨叉、中、上叉之間由鏈輪鏈條進(jìn)行連接，電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)鏈輪由鏈條帶動(dòng)中間叉運(yùn)動(dòng)，從固定叉中點(diǎn)向左或向右伸縮，在中叉向左或向右伸縮時(shí)，由另外兩條鏈帶動(dòng)上叉以三倍速度伸縮。 鏈條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu)分析以上兩方案，鏈條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu)采用鏈輪鏈條執(zhí)行動(dòng)作，鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)整體尺寸較大，由圖中也可以看到，鏈條數(shù)較多，空間布置不便，容易造成鏈條間的干涉，傳動(dòng)中有一定的速度波動(dòng)，貨叉位置控制難以做到很精確，不利于檢測(cè)。齒輪齒條式貨叉伸縮機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條執(zhí)行動(dòng)作，速度平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，齒輪齒條耐用度高，減少維修輔助時(shí)間。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用齒輪齒條式貨叉伸縮機(jī)。 起升機(jī)構(gòu) 起升機(jī)構(gòu)形式起升機(jī)構(gòu)通過支架用螺栓固定在立柱下端，本設(shè)計(jì)可參考方案有電動(dòng)葫蘆起升機(jī)構(gòu)，卷?yè)P(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu)以及鏈條起升機(jī)構(gòu)。鋼絲繩由電動(dòng)葫蘆卷筒引出，通過上橫梁的兩個(gè)固定滑輪與載貨臺(tái)上的動(dòng)滑輪連接，但在調(diào)速方面，市場(chǎng)上目前暫無可調(diào)頻調(diào)速的電動(dòng)葫蘆，需要專廠定制，且市場(chǎng)成熟度不是很好，在一定程度上增加成本。由于本設(shè)計(jì)中堆垛機(jī)對(duì)定位要求很高，電動(dòng)葫蘆由于調(diào)速上的缺陷難以做到很精確定位，市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品升降速度也不能滿足任務(wù)要求，故不采用。 電動(dòng)葫蘆起升機(jī)構(gòu)采用鏈輪與鏈條起升，該形式在結(jié)構(gòu)上由于升降電機(jī)裝置上置，使堆垛機(jī)重心上移，增加了不穩(wěn)定因素。鏈傳動(dòng)本身不穩(wěn)定，工作中產(chǎn)生振動(dòng)和脈動(dòng)，且工作一段時(shí)間吊鏈伸長(zhǎng)量超標(biāo)(5%)，必須更換，增加了成本和輔助時(shí)間，對(duì)于高度較高的堆垛機(jī)設(shè)備不是最合理的選擇，本設(shè)計(jì)不采用。該機(jī)構(gòu)可采用專業(yè)起重用調(diào)頻調(diào)速電機(jī)，通過直連式或聯(lián)軸器與減速器軸連接，輸出軸上安裝卷筒，卷筒是非標(biāo)件，可根據(jù)具體起升高度自行設(shè)計(jì)。根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有堆垛機(jī)設(shè)備調(diào)查，目前市場(chǎng)上巷道堆垛機(jī)多采用這種升降裝置，故本設(shè)計(jì)采用。鋼絲繩3纏繞在卷筒8上，由卷筒引出后通過上橫梁的固定滑輪2與載貨臺(tái)上的動(dòng)滑輪10連接，卷筒在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確控制載貨臺(tái)位置。1機(jī)架 2定滑輪 3鋼絲繩 4電動(dòng)機(jī) 5支座 6聯(lián)軸器 7減速器 8卷筒 卷?yè)P(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu) 卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的布置方案卷?yè)P(yáng)機(jī)典型布置方案有3種。(a)圖采用的是平行軸圓柱齒輪減速器，它將電動(dòng)機(jī)和卷筒布置在減速器的同側(cè)，這種布置型式結(jié)構(gòu)最緊湊，整套機(jī)構(gòu)外形尺寸最小。但它要求減速器的中心距具有一定的數(shù)值。 (b)圖采用的也是平行軸圓柱齒輪減速器，它將電動(dòng)機(jī)和卷筒布置在減速器的兩側(cè)，這種布置型式適用于減速器的中心距不夠大，整套機(jī)構(gòu)的寬度尺寸不受限制的情況。 (c)圖采用的是直交軸的減速器，它是在整套機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸不受限制的情況下采用的一種布置型式。 卷?yè)P(yáng)機(jī)布置形式鑒于巷道堆垛機(jī)的工作環(huán)境限制，選擇圖(a)的布置形式，其結(jié)構(gòu)緊湊，也便于安裝。 安全機(jī)構(gòu)為了保證堆垛機(jī)正常工作，確保載貨臺(tái)上人員、貨物的安全，當(dāng)載貨臺(tái)工作中發(fā)生斷繩事故時(shí)，必須自動(dòng)可靠地將載貨臺(tái)及時(shí)停止，避免發(fā)生溜車或墜車事故 因此，載貨臺(tái)必須裝有安全機(jī)構(gòu)。這種安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等。 行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)水平運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般由電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，制動(dòng)器，減速器和行走車輪組成。按運(yùn)行機(jī)構(gòu)所在位置的不同分為地面運(yùn)行式和上部運(yùn)行式，由于上部運(yùn)行式堆垛機(jī)的天軌設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求高，制造難度大，增加了倉(cāng)庫(kù)頂棚成本，行走驅(qū)動(dòng)在頂部使堆垛機(jī)重心上移，增加不穩(wěn)定因素，維修不便。行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)地面布置利用地軌支撐驅(qū)動(dòng)輪，很容易保證剛度，成本較低，維修方便，結(jié)構(gòu)合理。本設(shè)計(jì)采用地面驅(qū)動(dòng)形式，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪沿設(shè)在地面上的單軌運(yùn)行。 行走機(jī)構(gòu)堆垛機(jī)的頂部用兩組水平輪固定在上橫梁的工字鋼導(dǎo)上。上橫梁和立柱焊接在一起，下橫梁用槽鋼和鋼板拼焊，行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主從動(dòng)車輪，電器柜等都裝在它的上面。 天軌機(jī)構(gòu)，圖a采用一般臥式減速器，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)輪，整體尺寸較大。圖b采用套裝式減速器，減速器提供空心軸孔，驅(qū)動(dòng)輪軸直接插入減速器空心軸孔中，車輪組安裝時(shí)較簡(jiǎn)便，并能使運(yùn)行機(jī)構(gòu)整體布置緊湊。主動(dòng)車輪通過鍵與軸連接，減速器底座用螺栓固定在下橫梁一側(cè)的底座上，輸入側(cè)通過電機(jī)連接盤與電機(jī)殼相連。同時(shí)可將車輪軸通過帶偏心法蘭依靠螺栓固定在下橫梁端頭兩側(cè)板上，利用帶孔偏法蘭心可調(diào)整被動(dòng)車輪輪心與軌面距離，從而達(dá)到調(diào)整立柱對(duì)軌道的垂直度。行走車輪在鋪設(shè)于地面的單軌上行走，為防止走行輪行走中產(chǎn)生脫軌現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)安裝側(cè)面導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)。在下橫梁兩端頭部設(shè)置