1 緒論1.1 本課題研究的背景及意義我國現(xiàn)在正處于工業(yè)化、城市化發(fā)展的高速期，未來一段時間內(nèi)，土地資源和勞動力資源將會成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，鑒于此，建造立體倉庫是未來企業(yè)發(fā)展趨勢，自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流中的重要組成部分，是實現(xiàn)物流系統(tǒng)合理化的關(guān)鍵它具有空間利用率高，便于實現(xiàn)自動化管理，實時自動結(jié)算庫存貨物種類和數(shù)量等許多優(yōu)點，對加快物流速度、提高勞動生產(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)堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的搬運、起重、堆垛設(shè)備，對立體倉庫的出入庫效率有決定性影響，是立體倉庫能否達到設(shè)計要求的關(guān)鍵設(shè)備之一而我國在堆垛機制造技術(shù)上和世界發(fā)達國家有很大差距，鑒于我國未來物流業(yè)發(fā)展的廣闊空間，堆垛機技術(shù)落后必將成為限制我國自動化立體倉庫發(fā)展的瓶頸，使我國在國際物流業(yè)競爭中處于不利地位鑒于以上因素，發(fā)展堆垛機技術(shù)有積極意義1.2 有軌巷道堆垛機的發(fā)展現(xiàn)狀有軌巷道堆垛起重機是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機，通常簡稱為堆垛機其主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者相反，取出貨格內(nèi)的貨物運送到巷道口，完成出入庫作業(yè)。

20世紀70年代初期，我國開始研究采用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(chǎn)，從此自動化立體倉庫在我國得到了迅速發(fā)展據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前已建成三百余座堆垛機做為立體倉庫中最重要的起重運輸設(shè)備，也得到了較快的發(fā)展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(zhuǎn)運動來搬運貨物，通常稱之為橋式堆垛機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(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)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隨著計算機控制技術(shù)和自動化立體倉庫的發(fā)展，堆垛機的應(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年實現(xiàn)了由貨架支承的高度為40米的堆垛機堆垛機的運行速度也不斷提高，目前堆垛機水平運行速度可達200m/min，起升速度高達120m/min，貨叉伸縮速度達50m/min2004年國際物流綜合展覽會上推出的超高效能巷道堆垛機“H-V1”，走行速度500m/min，加減速0.5G，處理能力每小時500箱，實現(xiàn)了自動化立體倉庫存取效率的飛躍80年代初期，巷道堆垛機的運行能力主要由機械的速度模式來決定，速度控制是將子母電機或變極電機進行復(fù)合，機械式地進行速度切換來控制高速、低速運行。

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的電壓切換控制方式，使巷道堆垛機的最高行走速度達到125m/min，最高升降速度達到30m/min但是，伴隨高速化的另一個重要問題是停止，為了滑動停止就必須降到很低的速度當進行速度切換時，由于急加減速而形成的或是由于制動停止而引起的沖擊，誘發(fā)了機械的振動現(xiàn)代堆垛機多使用變頻調(diào)速，速度控制更加平穩(wěn)，解決了變速時的沖擊問題，但是在堆垛機制動器抱閘停止時，也會產(chǎn)生沖擊，在堆垛機機架較高的情況下，造成機架晃動，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，我國巷道堆垛機的性能參數(shù)和可靠性有待進一步提高國產(chǎn)堆垛機的質(zhì)量相對國外堆垛機而言差距較大，為使國產(chǎn)堆垛機趕超國際水平，應(yīng)加強自主研究和開發(fā)1.3 本課題設(shè)計任務(wù)及要求此堆垛機用于機械加工工廠的毛坯、零件倉庫，倉庫貨架總高度為10m，貨物單元長、寬尺寸為1200x1000mm，額定負載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，負載單元器具為托盤或貨箱，貨叉數(shù)為雙貨叉，每小時出入庫20次，平均工作周期3min。

本次畢業(yè)設(shè)計對堆垛機的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要包括門架結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)設(shè)計出更合理堆垛機門架結(jié)構(gòu),在保證其強度及剛度條件下盡量減輕整機重量，同時，設(shè)計出能減輕堆垛機制動時晃動的輔助天軌制動裝置和更加簡單可靠的斷繩保護裝置2 堆垛機總體方案的確定堆垛機工作于立體倉庫貨架之間，為節(jié)省空間，加大有限空間存貨量，現(xiàn)代立體倉庫貨架間距做的很窄而高度很高堆垛機在此環(huán)境下工作，決定其整體結(jié)構(gòu)高而窄，為防止傾倒，將堆垛機行走軌道設(shè)計成上下雙軌，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)也造成堆垛機沿高度方向剛度不足，在起停過程中振動嚴重，會延長定位時間，影響效率，也會造成堆垛機定位不準確，無法正常工作為減輕剛度不足造成的影響，堆垛機設(shè)計中要非常注意機構(gòu)的動剛度2.1 有軌巷道堆垛機門架結(jié)構(gòu)選型按傳統(tǒng)門架結(jié)構(gòu)形式堆垛機可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2)單立柱有軌巷道堆垛機圖2.1 雙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(dǎo)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(chǎn)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圖2.2 單立柱有軌巷道堆垛機通過對比分析，本設(shè)計中堆垛機應(yīng)用于機械零件及毛坯的搬運，受力較大單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)剛度小，設(shè)計大剛度門架較困難且本設(shè)計針對加大倉庫存貨量的中型倉庫，庫高為10米，單立柱結(jié)構(gòu)做到10米高，會顯著提高成本，不夠經(jīng)濟故本設(shè)計采用雙立柱有軌巷道堆垛機，這種堆垛機強度和剛性都比較好，能快速起、制動，并且運行平穩(wěn)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，符合本設(shè)計的任務(wù)要求2.2 貨叉伸縮機構(gòu)2.2.1 貨叉結(jié)構(gòu)貨叉伸縮機構(gòu)是堆垛機存取貨物的執(zhí)行機構(gòu)，置于堆垛機載貨臺上，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貨物的堆垛。

由于工作需要，堆垛機貨叉在收回狀態(tài)下的長度要小于巷道的寬度，但伸展后的長度卻要大大長于巷道寬度為了從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)這個要求，必須采用多級伸縮式貨叉，目前最常用的是3級直線差動式貨叉底叉固定在載貨臺上，動力裝置安裝在底叉上，通過傳動機構(gòu)驅(qū)動中叉相對底叉運動，中叉和上叉之間裝有直線差動機構(gòu)，使中叉相對底叉運動時，上叉相對中叉以2倍速運動，從而實現(xiàn)大距離伸叉的要求2.2.2 中叉板的驅(qū)動中叉的運動是通過安裝在底叉板或載貨臺上的電動機和傳動機構(gòu)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)的，傳動方案有齒輪齒條傳動和鏈條傳動1.齒輪齒條式伸縮叉如圖2.3，電動機及減速機構(gòu)安裝在載貨臺上，齒條固定在中間叉上，齒輪固定在載貨臺中部，驅(qū)動齒條從中點，向左或向右移動大約自身長度的的一半前叉可以從中間叉的中點，在鏈條或鋼絲繩驅(qū)動下向左或向右伸出比自身稍長的長度圖2.3 齒輪齒條式伸縮叉伸縮機構(gòu)2.鏈條鏈輪式伸縮叉如圖2.4，固定叉安裝在載貨臺上，固定貨叉、中、上叉之間由鏈輪鏈條進行連接，電動機通過驅(qū)動鏈輪由鏈條帶動中間叉運動，從固定叉中點向左或向右伸縮，在中叉向左或向右伸縮時，由另外兩條鏈帶動上叉以三倍速度伸縮圖2.4 鏈條式貨叉伸縮機構(gòu)分析以上兩方案，鏈條式貨叉伸縮機構(gòu)采用鏈輪鏈條執(zhí)行動作，鏈輪鏈條機構(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，傳動中有一定的速度波動，貨叉位置控制難以做到很精確，不利于檢測。

齒輪齒條式貨叉伸縮機構(gòu)采用齒輪齒條執(zhí)行動作，速度平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，齒輪齒條耐用度高，減少維修輔助時間鑒于以上優(yōu)點，本設(shè)計采用齒輪齒條式貨叉伸縮機2.3 起升機構(gòu)2.3.1 起升機構(gòu)形式起升機構(gòu)通過支架用螺栓固定在立柱下端，本設(shè)計可參考方案有電動葫蘆起升機構(gòu)，卷揚機起升機構(gòu)以及鏈條起升機構(gòu)1.電動葫蘆起升機構(gòu)圖2.6吊鏈式起升機構(gòu)鋼絲繩由電動葫蘆卷筒引出，通過上橫梁的兩個固定滑輪與載貨臺上的動滑輪連接，如圖2.5.電動葫蘆作為起升機構(gòu)應(yīng)用很廣泛，但在調(diào)速方面，市場上目前暫無可調(diào)頻調(diào)速的電動葫蘆，需要專廠定制，且市場成熟度不是很好，在一定程度上增加成本由于本設(shè)計中堆垛機對定位要求很高，電動葫蘆由于調(diào)速上的缺陷難以做到很精確定位，市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品升降速度也不能滿足任務(wù)要求，故不采用2.吊鏈式起升機構(gòu)圖2.5 電動葫蘆起升機構(gòu)采用鏈輪與鏈條起升，該形式在結(jié)構(gòu)上由于升降電機裝置上置，使堆垛機重心上移，增加了不穩(wěn)定因素鏈傳動本身不穩(wěn)定，工作中產(chǎn)生振動和脈動，且工作一段時間吊鏈伸長量超標(5%)，必須更換，增加了成本和輔助時間，對于高度較高的堆垛機設(shè)備不是最合理的選擇，本設(shè)計不采用3.卷揚機起升機構(gòu)該機構(gòu)可采用專業(yè)起重用調(diào)頻調(diào)速電機，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，卷筒是非標件，可根據(jù)具體起升高度自行設(shè)計。

根據(jù)市場上現(xiàn)有堆垛機設(shè)備調(diào)查，目前市場上巷道堆垛機多采用這種升降裝置，故本設(shè)計采用，其結(jié)構(gòu)如圖2.6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與載貨臺上的動滑輪10連接，卷筒在電動機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，通過控制電動機輸出轉(zhuǎn)速可以準確控制載貨臺位置1-機架 2-定滑輪 3-鋼絲繩 4-電動機 5-支座 6-聯(lián)軸器 7-減速器 8-卷筒圖2.6 卷揚機起升機構(gòu)2.3.2 卷揚機構(gòu)的布置方案卷揚機典型布置方案有3種，如圖2.7a)圖采用的是平行軸圓柱齒輪減速器，它將電動機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，它將電動機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，它是在整套機構(gòu)的長度尺寸不受限制的情況下采用的一種布置型式圖2.7 卷揚機布置形式鑒于巷道堆垛機的工作環(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2.3.3 安全機構(gòu)為了保證堆垛機正常工作，確保載貨臺上人員、貨物的安全，當載貨臺工作中發(fā)生斷繩事故時，必須自動可靠地將載貨臺及時停止，避免發(fā)生溜車或墜車事故 因此，載貨臺必須裝有安全機構(gòu)。

這種安全機構(gòu)的設(shè)計要求是敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等2.4 行走機構(gòu)行走機構(gòu)是堆垛機水平運動的驅(qū)動機構(gòu)，一般由電動機，聯(lián)軸器，制動器，減速器和行走車輪組成按運行機構(gòu)所在位置的不同分為地面運行式和上部運行式，由于上部運行式堆垛機的天軌設(shè)計強度要求高，制造難度大，增加了倉庫頂棚成本，行走驅(qū)動在頂部使堆垛機重心上移，增加不穩(wěn)定因素，維修不便行走驅(qū)動機構(gòu)地面布置利用地軌支撐驅(qū)動輪，很容易保證剛度，成本較低，維修方便，結(jié)構(gòu)合理本設(shè)計采用地面驅(qū)動形式，主動輪和從動輪沿設(shè)在地面上的單軌運行，結(jié)構(gòu)圖如2.8所示圖2.8 行走機構(gòu)堆垛機的頂部用兩組水平輪固定在上橫梁的工字鋼導(dǎo)上，如圖2.9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)動機構(gòu)，主從動車輪，電器柜等都裝在它的上面。