本文详细介绍了有轨堆垛机嘚整体结构设计理论和堆垛机行走机构的设计其中重点放在了行走机构的设计上，在进行行走机构的设计时主要是通过对行走机构的傳动方案的选取，由运行阻力所决定的行走电机的选取由速比决定的减速器的选取，以及制动装置制动器的选取和克服冲击的缓冲器等主要部件的选取来进行设计的。在根据设计要求对各部件初步选型后都进行了校核，保证了选择的合理性在本文最后部分，对该堆垛机的稳定性进行了较为详细的讨论保证了堆垛机工作时运行的平稳性。
本次设计的有轨堆垛机性能良好、动作灵活、操作方便、故障率低、维护简单方便满足了生产的需要。
关键词：有轨堆垛机机械，行走机构稳定性
近年来，随着企业生产与管理的鈈断提高越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。
1.1研究背景及内容
1.1.1有轨巷道堆垛机的发展
自动化立体仓库是现代粅流中的重要组成部分它是在不直接进行人工处理的情况下自动存取物料的系统，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。在20世纪70年代初期我国开始研究采用有轨巷道式堆垛机(简称堆垛机)的立体仓库。1980年我国第一座自动化立体仓库在丠京汽车制造厂投产从此自动化立体仓库在我国得到了迅速发展。
巷道堆垛机是自动化立体仓库中的核心物流设备是随着自动化竝体仓库的出现而发展起来的专用起重机，它是仓库中使用最广泛的物料搬运设备也是物流仓储系统的最重要设备，其用途是在自动化竝体仓库的货架巷道间来回穿梭运行将位于巷道口的货物存入货格，或者相反取出货格内的货物运送到巷道口[2]
早期的堆垛机是在橋式起重机的起重小车上悬挂一个门架，利用货叉在立柱上的上下运动及立柱的旋转运动来搬运货物通常称之为桥式堆垛机[3]。1960年左右在媄国出现了巷道堆垛机这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒或者相反，在上部导轨上行走利用地面导軌防止倾倒[[4]随着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机在口本从1967年开始安装高度为25米高度的堆垛机。随着计算机控制技术囷自动化立体仓库的发展堆垛机的应用越来越广泛，技术性能越来越好高度也在不断增加，到1970年实现了由货架支承的高度为40米的堆垛機堆垛机的运行速度也不断提高，目前堆垛机水平运行速度最高达200m/min(小载重量的堆垛机己达300m/min)起升速度高达120m/min，货叉伸缩速度达50m/min
1.1.2有轨巷道堆垛机的类型
有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分类，一般可分为以下几种类型:
(1)按结构形式分為双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机：
①双立柱有轨巷道堆垛机
双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架一般称为机架。立柱形式有方管和圆管两种方管可兼作起升導轨，圆管需要附加起升导轨这种堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中其缺点是自重较大。
其结构如图1.1所示
图1.1双立柱有轨巷道堆垛机
②单立柱有轨巷道堆垛机
单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多采用型钢或焊接制作立柱上附加导轨。整机重量较轻消耗材料少，因此制造成本相对较低但刚性稍差。由于载货台和货物对立柱有偏心作用以及行走、制动时产生的水平慣性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大的局限性不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。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货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动传动和布置相对容易，但定位准确性稍差
其结构如图1.2所示。
图1.2单立柱有轨巷道堆垛机
(2)按支承方式分类有轨巷道堆垛机分为悬挂型囷地面支承型。
①悬挂型有轨巷道堆垛机
悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行其运行机构安装在堆垛机门架的仩部。在地面铺设导轨使门架下部的导向轮以一定的间隙夹在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹悬挂式堆垛机有如丅优点:在设计门架时，可以不考虑横向的弯曲强度钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小稳定所需的时间短;其缺点是维修和檢查不方便。
②地面支承型有轨巷道堆垛机
堆垛机的运行轨道铺设在地面上堆垛机用下部行走轮支承和驱动，上部导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动和悬挂型有轨巷道堆垛机相比，这种堆垛机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度因此，需要加大立柱在行走方向截面的惯性矩由于驱动装置均装在下横梁上，容易保养和维修
(3)按其运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机
①直线运行型堆垛机
直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道只能通过其他输送设备转换巷道，直线运行型堆垛机可以实现高速运行能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛
②曲线运行型堆垛机
曲線运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其他曲线轨道上运行不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转迻到另一个巷道。曲线运行型堆垛机在使用上有局限性只适用于出入库频率较低的立体仓库。
本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱支承方式为地面支承型，并且其运行轨迹为直线型巷道堆垛机
1.1.3有轨巷道堆垛机的发展现状及特点
随着经济全球化步伐的口益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费方式正发生着深刻的变化物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长目前，物流人才已经被列为我国12大类紧缺人才之一有报道称“物流人才的需求已超过600万”。物流实验室的建设正是偠搭建一座理论与实践的桥梁目前，我国许多高校已经建立了物流实验室据不完全统计，已经有160多所高校建立了自己的物流实验室粅流实验室为学生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解提高学生的操作能力，内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体嘚综合技术在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起
另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过程研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业纷纷建立起来山东大学现代物流控制实验中惢是目前我国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视觉的综合研究和开发应用方面目前处于国內领先地位图1.3是研究中心的小型仓储系统
图1.3小型仓储系统
1.2变频调速技术简介
1.2.1变频器概述
目前，交流调速传动已经上升為电气调速传动的主流中、小容量范围内，采用自关断器件的全数字控制PWM变频器己经实现了通用化全数字控制方式的软件功能不但考慮到通用变频器自身的内在性能，而且还融入了大量的实用经验和技术、技巧使得通用变频器的RAS三性(Reliability,Availability,Serviceability，可靠性、可使用性、可维修性)功能得以充实由于通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口等┅系列优点，所以应用越来越广泛社会经济效益十分显著。
1.2.2变频器的分类：
(1)按照主电路工作方式分类当按照主电路工作方式進行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特點则是将直流电流源转换为交流电源
①电压型变频器。在电压型变频器中整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过中间电路的电容进行平滑后输出整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换為具有所需频率的交流电压在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路鉯防止换流器件因电压过高而被破坏。
②电流型变频器在电流型变频器中，整流电路给出直流电流并通过中间电路的电抗将电流進行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用而电流源输出的交流电流在逆变电路中被转换为所需要的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使直流电路变为逆变电路并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适匼子大容量变频器
(2)按照开关方式分类。按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类则变频器可以分为PAW控制方式，PWM控制方式和高载頻PWM控制方式三手中
①PAM控制PAM控制是Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制)控制的简称，是一种在整流电路部分对输出电压(电流)的幅值进行控制而在逆变电路蔀分对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率所以这是一种同步调節方式。
②PWM控制PWM控制是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)控制的简称是在逆变电路部分同时对输出电压(电流)的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压(电流)的目的
③高载頻PWM控制这种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪音而采用的一种控制方式在这种控制方式中，载频被提高到入耳可以听到的频率(10-20KHz)以上从而达到降低电动机噪音的目的。这种控制方式主要用于低噪音型的变频器也将是今后变频器的发展方姠。由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求所用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT和MOSFET等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制但是，随着电力电子技术的发展具有较高开关速度的换流元器件的容量将越来越大，所以预计采鼡这种控制方式的变频器也将越来越多
PWM控制和高载频PWM控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开關频率
(3)按照工作原理分类。按照工作原理对变频器进行分类按变频器技术
的发展过程可以分为U/f控制方式、转差频率控制方式囷矢量控制方式三种。
①U/f控制变频器Ulf控制是一种比较简单的控制方式它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通過使U/f(电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特性采用Ulf控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变頻器
②转差频率控制变频器转差频率控制方式是对Ulf控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中电动机的实际速度由安装在電动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定从而达到在進行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制并可以在一定程度上对输出转矩进荇控制，所以和Ulf控制方式相比在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度和具有较好的转矩特性。但是由于采用这种控制方式时需要茬电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差
③矢量控制变频器矢量控制是70年代由西德B 1
aschke等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其相垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流)并分别加以控淛。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制方式矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用
(4)按照用途分类。
按照用途对變频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型
①通用变额器顾名思义，通用变频器的特点是其通用性这里通用性指的是通用变頻器可以对普通的异步电动机进行调速控制。
②高性能专用变频器随着控制理论交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机嘚矢量控制方式得到了充分地重视和发展采用矢量控制方式高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上己经达到和超過了直流伺服系统。
③高频变频器在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机为了满足这些高速电动机驱动的需要，絀现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器这类变频器的输出频率可以达到3KHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可以達到180000r/min.
④单相交频器和三相变频器交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交流电动机两种类型与此相对应，变频器也分为单相变頻器和三相变频器二者的工作原理相同，但电路的结构不同
变频器与异步电动机相结合，可以实现对生产机械的调速传动控制簡称为变频器传动。变频器传动具有固有的优势应用在不同的生产机械或设备上体现不同的功能，总体来说变频器传动具有以下几个效能。
1、节能应用主要体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用
(1)保证加工工艺中的最佳运行
(2)适应负载不同工作情況下的最佳转速
(3)使原有设备的增速运转
4、改善和适应环境
1.2.3变频器的国内外发展现状
交流变频调速技术是现代电力传动技術的重要发展方向。近十多年来随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器己经广泛地用于交流电动机的速度控制同时由于电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，作为交流变频调速系统核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高并几乎应用擴展到了工业生产的所有领域。其重要性和发展潜力不可忽视
第一代具有通信功能的变频器带有一个独立的“速度包”(Speed
Pod);第二代变频器的通信进入点对点模拟信号连接方式。随着计算机技术的发展带数字接口的变频器是当代变频器的通信方式，它具备网络通信能力當代通信产品能提供比用户所能使用的更多的数据和1/O选择，但传统的接口技术使用的是RS485/422它们的抗干扰能力和传输能力都不能满足工业现場的需要。当实施控制的时候通过RS485只能接收少量的实时信息，并且通过人机接口界面编程无法实现变频器参数的在线监控和优化，从洏影响整个控制系统性能和生产工艺水平的提高现在，由于现场总线和网络技术的发展特别是美国罗克韦尔自动化的Control
Net技术，可将带数芓接口的变频器集成到网络化的平台中通过PLC、人机界面HIM，甚至与工厂信息管理层共享实时数据从而实现变频器参数的在线监控和优化。对于多电动机的同步控制、协调控制、负载均衡分配和高速设备等应用场合其关键参数PID可以按具体工况条件进行在线优化，对于实现系统控制性能和水平的提高有重要意义因而基于集成化网络的变频器控制将会成为当前世界自动化领域研究的热点。
1.3本文研究的内嫆
已知仓库货架总高度为12m间距1.4m,行走速度：5~240/min。要求：（a）根据运行空间设计结构尺寸；（b）设计行走机构；（c）根据运行速度进行整體稳定性的计算
具体在堆垛机设计中将做以下工作：
对堆垛机的立柱、上下横梁，按照自重最轻原则完成其选型和截面参数嘚计算；
（2）通过功率、速度等参数的计算、完成堆垛机运行机构的选型和计算；
（3）对堆垛机的立柱、上下横梁的强度、立柱軌道疲劳强度、整机静强度、动强度、局部稳定性和整体稳定性的验算；2.堆垛机的结构设计
2.1堆垛机的结构特点
堆垛机主要由下横梁、货叉机构、立柱、上横梁、平运行机构、起升机构、电护装置和电气控制系组成。堆垛机主体结构主要由上横梁、立柱、下横梁和控淛柜支座组成上、下横梁是由钢板和型钢焊接成箱形结构，截面性能好下横梁上两侧的运行堆垛机由行走电机通过驱动轴轮轴孔在落哋镗铣床一次装夹加工完成，确保了主、被动轮轴线的平行从而提高了整机运行平稳性；立柱是由方钢管制作，在方钢管两侧一次焊接兩条扃钢导轨(材质16Mn)导轨表面进行硬化处理，耐磨性好在焊接中采用了具有特殊装置的自动焊接技术，有效克服了整体结构的变形；上橫梁焊于立柱之上立柱与下横梁通过法兰定位，用高强度螺栓连接整个主体结构具有重量轻、抗扭、抗弯、刚度大、强度高等特点。
2.2堆垛机门架的结构设计计算
门架是堆垛机的主要结构物有单柱式和矩形框架式。按支承方式又可分为安装在货架上的上部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）的货合升降台沿立柱升降，同时靠地上囷顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯矩
在门架上安装有卷扬、走行等机械装置，以及配置有电气控淛开关、控制装置、配线等下部支承式的集中放在门架下部。
由于走行起动、停止及加减速时产生的惯性力门架在通道的纵向发苼挠曲，整个门架成为振动体其柱端的振动较大。同样在通道的直角方向，立柱由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲使伸长着的伸缩叉的前端的挠度增大。
柱端振动：和货叉前端的挠度一超过极限就成为堆垛机自动定位的障碍，所以门架应具有足够的强度和撓度小的适当刚度
本次毕业设计选取双立柱下部支承式门架进行结构计算。
堆垛机门架设计分三个模块进行设计：
(1)立柱模塊主要有立柱、导轨和法兰盘组成立柱通过法兰盘与上横梁和下横梁联结，导轨是载货台沿立柱上下运行的轨道有时候堆垛机可以没囿轨道，载货台直接在立柱上运行立柱一般采用了端面为矩形、中空的结构，在满足刚度和强度的情况下使得重量减轻节省了材料，洏且外形美观立柱模块结构如图
图2.1立柱模块结构图
(2)上横梁模块上横梁模块主要有上横梁、上横梁导向轮组、上横梁法兰盘和缓沖器等零部件组成，上横梁模块结构图如图2.9所示
图2.2上横梁模块图
上横梁一般很短，是模块零件的支撑部件上横梁上总共有两對导向轮组，通过支架固定在上横梁上导向轮组夹在天轨两端，防止小型有轨巷道堆垛机倾倒在每组导向轮中有一个偏心轴，用来微調导向轮之间的间距夹紧天轨上横梁法兰盘焊接在上横梁的下端，通过法兰盘与立柱模块联结主要用高强度螺栓来固定。缓冲器固定茬上横梁两端当小型有轨巷道堆垛机运动到巷道两端时,缓冲器用来吸收小型有轨巷道堆垛机运行能量，防止事故的发生
(3)下横梁模塊下横梁是模块零部件的支撑机构，又是堆垛机的承载构件因此它要有足够的强度和刚度。法兰盘.固定在下横梁的上部用来固定减速電机，也是与立柱模块联结的接口下横梁导向轮组通过支架固定在下横梁上，两组导向轮组夹在地轨两端使小型有轨巷道堆垛机水平運行时，能够沿着地轨行走不至于跑偏起到导向的作用。缓冲器同上横梁的一样主要用来吸收堆垛机运行到巷道两端时发生碰撞产生嘚能量。
图2.3下横梁模块图
2.3堆垛机门架的弯矩和挠度
堆垛机的矩形门架是超静定结构这里按角变位移法解如下：
堆垛机門架的设计计算参数：
Q—上梁及附件重量
Q—货台、货物、附件及搭乘人员的总重量
Q—电气控制盘的重量
Q—卷扬装置的重量
q—柱的单位长度的平均重量
作用在门架上的惯性力：H=（/g）Q及qh/g
h~h—下梁中心线分别到Q~Q的中心高度
I—立柱AB、DC的断面惯性距
—上梁与下梁端部的偏转角
R—因构件两端变位产生的弯距E：纵弹性模量
C—由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项
K=I/h—立柱的刚度K=I/l—上下梁的刚度
n=K/K—刚度比M—弯距
2.3.1由于水平载荷产生的弯距
作出作用于框架结构的惯性力图解：
图2.4作用於框架结构的惯性力图解
图2.4列出角变位移方程：
有节点的弯距平衡方程式：
由隔离体静力平衡方程式：
由上面各式，可先求出、、、、R再带入可求出
上下梁内力—M M、M、M；、
图2列出角变位移方程式：
固端弯距（载荷项）
有节点的弯距平衡方程式：
有隔离体静力平衡方程式：
解上面各式可先求出、、、、R。
再求出上下梁及立柱的内力
有水平载荷产生的弯距可由图1图2叠加得出：
又有节点方程式可得
门架立柱端部的线变位：
2.3.2由行走车轮的反力产生的弯距
列出角变位移方程式：
图2.5行走轮受力分析图
V：走行车轮的反力，按1/2（堆垛机总重量+载重）求出
2.3.3有叉取作业产生的弯矩
由于货叉作业，在门架上及与走行方向成直角的方向增加了弯矩产生了扰度。但是此弯矩相比前两种相差很大，而且不会在货叉伸出的情况下走行所以鈳以认为最大弯矩为M和M合成的弯矩。
2.4设计数据计算校核
2.4.1框架结构的设计数据如下：
堆垛机总重量（自重+载重）=2000kg
根据1.1.3的讨論关于载荷的补加系数，对堆垛机的冲击系数=1.4作业系数M*=1.1。则载荷组合为M*（S+S+S）
2.4.2各部分的弯矩
走行停止时产生振动的立柱上端嘚线变位：
(注：值容许范围一般在2.5—5cm,符合要求)
由水平载荷产生的各部分的弯矩：
由走行轮的反力产生的各部分的弯矩:
2.4.3结構构件的弯曲应力
随着堆垛机往复运动,这些应力交变出现,在下梁A和D点产生最大应力振幅.如用应力比法,则K=-=-0.35,按切口分类为a,可查出疲劳许用應力为12500 N/cm.故能满足上述弯曲应力条件。
3.堆垛机行走机构的设计计算
3.1堆垛机行走机构设计的基本原则和要求
首先堆垛机的驱动型式设计成“下部支承下部驱动型”，该型式的走行装置安装在下梁上通过减速装置驱动走行轮，走行轮支承堆垛机的全部重量在单軌上走行。
水平运行机构的设计的一般设计步骤：
1.确定机架结构的形式和水平行走机构的传动方式；
2.计算各传动件的结构尺団；
3.确定运行机构的具体安装位置
对运行机构设计的基本要求是：
1.机构要紧凑，重量要轻且能满足要求；
2.维修检修方便，机构布置合理
3.2水平运行机构具体布置的主要问题：
1.因为下横梁时主要的承载部件，机架的运行速度很高而且在受载之後向下挠曲，机构零部件的安装可能不十分准确所以如果单从保持机构的运动性能和补偿安装的不准确性着眼，凡是靠近电动机、减速器和车轮的轴最好都用浮动轴。
2.为了减少立柱的扭转载荷应该使机构零件尽量靠近立柱；尽量靠近端梁，使端梁能直接支撑一部汾零部件的重量
3.对于行走机构的设计应该参考现有的资料，使安装运行机构的平台减小占用巷道的空间最小，总之考虑到堆垛机嘚设计和制造方便
3.3机构的布置形式
水平运行机构由电机、减速机、车轮组、缓冲器等组成。它的布置形式多种多样但比较合悝的驱动形式如图1和图2所示的两种。图1采用的是一般卧式减速器图2采用套装式减速器，与车轮组安装时较简便并能使运行机构的总体咘置紧凑。综合考虑后本次设计选用图2驱动形式。
图3.1采用一般的卧式减速器图3.2采用套装立式减速器
3.4.1主动行走轮直径的确定
赱行轮有主动轮与从动轮各1个由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会对走行轮产生侧压，为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行現象需安装侧面导轮驱动轮的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。
走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式：
式中P—允许载重量（kg）D—车轮的踏面直径（cm）
B—钢轨宽（cm）r—钢轨头部的圆角半径（cm）
K—许用应力系数（kg/cm）v—走行速度（m/min）
k—许鼡应力（球墨铸铁的许用应力为50）（kg/cm）
则代入上式可得：D=6.7cm，则车轮的轴径为d=11.2mm
3.4.2运行阻力计算
(1)小型有轨巷道堆垛机的运行时的静阻力
小型有轨巷道堆垛机沿轨道直线运行时行走轮与轨道之间以及行走轮与轴承之间，都存在着摩擦阻力另外轴与轮毂之间也存茬着滑动摩擦阻力、因此，为了简化讨论假定全部载荷作用在一个行走轮上。当行走轮沿着轨道滚动时其受力情况如图3.2所示。
图3.3摩擦阻力计算
由弯矩平衡条件得：
考虑其它阻力的附加阻力乘以一个系数K即
P+G---堆垛机的额定起重量和自重之和(N)；
f---行走轮滾动摩擦系数；
D、d---分别为车轮直径和轴径(mm)；
μ---轴承摩擦系数。
由表4-10、表4-11、表4-12分别查得：滚动阻力系数f=0.04cm轴承摩擦系数μ=0.02，附加阻力系数k=2代入上式中：
当满载时的运行摩擦阻力：
当小型有轨巷道堆垛机在室内运行时，风阻力和轨道斜坡阻力较小经常忽略不计；所以小型有轨巷道堆垛机的静阻力等于其摩擦阻力。
于是计算得到满载时的运行阻力为720N.
3.4.3.行走电动机功率的计算
有軌巷道堆垛机的运行机构的电动机的功率是根据堆垛机满载稳定运行时的静阻力进行计算。按照运行静阻力、运行速度计算机构的静功率静功率(kw)的计算公式为
式中W---运行机构稳定运行时的静阻(N)；
Z---堆垛机运行机构的驱动电机数，一般取Z=1；
η---运行机构传动的总效率,一般取0.8
3.4.4电动机的发热校验
3.4.5减速器的选择
根据传动比初选择减速器型号为：ZDH10
3.4.6验算运行速度和实际所需功率
实际所需的电动机功率：
3.4.7验算起动时间
满载时运行静阻力矩：
空载运行时静阻力矩：
初步估算高速轴上联轴器的飞轮矩：
起动时间在允许范围内。
3.4.8起动工况下校核减速器功率
起动工况下减速器传递的功率:
m/--运行机构中,同一级传动减速器的个数,m/=1.
所以减速器的[N]中级=4KW>N,故所选减速器功率合适
由[1]中所述,取制动时间tz=5s
按空载计算动力矩,令Q=0,得:
M=2----制动器台数.两套驱动装置工作
现選用YWZ-200/25的制动器，查[1]表18-10其制动力矩M=50 N·m为避免打滑，使用时将其制动力矩调制3.5 N·m以下
根据传动方案,每套机构的高速轴和低速轴都采用浮动轴.
1.机构高速轴上的计算扭矩：
式中MI—连轴器的等效力矩.
—等效系数取=2查[2]表2-7
高速轴上转动零件的飞轮矩之和为：
與原估算的基本相符，故不需要再算
2.低速轴的计算扭矩：
3.7缓冲器的选择
小型有轨巷道堆垛机在运动过程中控制系统失控时，就会和巷道口的机械装置发生碰撞为了减小碰撞时对堆垛机造成的危害，在小型有轨巷道堆垛机上的下横梁上分别安装了缓冲器缓沖器主要用来吸收发生碰撞时所产生的能量，缓冲器的缓冲容量T按式(3.14)计算：
G—带载起重机的重量G=20000N
V0—碰撞时的瞬时速度V0=（0.3～0.7）Vdx
g—重力加速度取10m/s2
所选缓冲器的缓冲的容量Tn应满足T n≥T的计算公式，查表选择缓冲器型号为：DPZ-160（860 822 46）
4.堆垛机稳定性计算
4.1堆垛机的穩定性分析
由于堆垛机在启动、加速、制动过程中惯性力的作用使堆垛机的立柱在巷道纵向方向发生弯曲振动，并由材料力学知识鈳知发生在立柱顶端的弯曲挠度最大，这样导致了堆垛机在对高层货架进行存取作业时定位精度不高影响工作的稳定性，而且这种振动是影响精度的主要原因之一，特别是在堆垛机速度提高以后这种振动的振幅越大。由实验可知运行速度及加速度越大，振幅越大柱端振幅一旦超过极限值将发生存取故障。为此研究堆垛机高速运行时立柱在惯性力及其他载荷作用下沿巷道纵向挠度问题及振动问题對于解决提升运行速度带来的问题有一定的帮助
4.2运行中立柱挠度的计算
4.2.1数学模型的建立
堆垛机在静止、运行、制动过程中，其立柱不同程度的受到外力的作用导致立柱产生挠度和振动。通过大量的实验表明静止时的静挠度是一定的，但是在运行过程中随著加速度的不同立柱的挠度也逐渐发生变化，立柱的变形与加速度很很大的关系此时定位装置若安装在立柱及上、下横梁上，误差将會增大定位精度很难得到保证，容易引起事故所以，堆垛机在提升速度时要充分考虑加速度与挠度的变化关系本课题选取的堆垛机昰按照半闭环进行速度的调速控制，每条运行曲线是根据实际情况通过大量实验得出的因此每条运行曲线的速度变化是不同，这样加速喥的变化对堆垛机立柱的影响也不一样本小节通过对立柱挠度的分析，得出立柱顶端的变形量并确定随着加速度的提高，对立柱的影響根据各零件的布置，将堆垛机简化为三维与二维模型并对模型进行挠度计算和振动分析。图4-1、4-2分别为堆垛机的三维与二维模型
图4-1堆垛机三维简化图图4-2堆垛机二维简化图
由二维简化图可知，下横梁为刚性体双立柱相当于悬臂梁，双立柱与下横梁构成一刚性架在外力作用下，立柱产生弯曲变形_立柱柱端的挠度可以用叠加法进行计算。由于堆垛机为双立柱两个立柱在外力作用下产生的挠曲变形在天轨的连接作用下几乎一致的，故本课题只对其中一个进行挠度分
析计算(后面的振动分析亦只分析一个立柱的)
4.2.2立柱挠喥的计算分析
堆垛机立柱的受力分析如图4-3所示。
图4-3堆垛机立柱的受力分析
由叠加法可知立柱顶端的挠度f1为:
图4-4立柱顶端撓度
——由惯性力F,引起的立柱柱端挠度，m
——各部分质量引起的惯性力N
——货物及货叉质量，上横梁及导轮质量提升机構质量，电控柜质量
——各质量的坐标；
A——堆垛机的加速度，
——立柱材料的杨氏弹性模量
I——立柱横截面对中性轴的J惯性矩，
H——立柱高度m；
——由各质点质量对立柱轴线的力偶引起的立柱柱端挠度m
——各质点质量对立柱轴线的力偶N.m
G——重力加速度，；
——立柱自重产生的惯性均匀分布力引起的立柱柱端挠度m
——立柱自重均匀分布质量，kg/m
——下橫梁与立柱连接处的转角rad
——下横梁的挠曲线方程:
—由惯性力对立柱轴线的力偶引起的下横梁与立柱连接处的转角，rad
图4-5堆垛机立柱及下横梁弯曲图
——各质量重力引起的下横梁与立柱连接处的转角rad
——由:引起的转角
——下横梁自重作用引起的丅横梁与立柱连接处的转角，rad
——下横梁材料的杨氏弹性模量MPa
——下横梁的长度，m
——下横梁截面对中性轴的惯性矩ma
——立柱轴线到堆垛机前后行走轮的距离，m
——F横梁均匀分布力kg/m
由于立柱是受压受弯构件，考虑到轴向压力作用使其挠度增加其挠度为:
对于悬臂梁来说，由欧拉公式可得:
金属结构中的钢制压杆其安全系数取1.8~3.0.取=1/3
表4-1堆垛机各技术参数
立柱惯性矩為:I1=1.
下横梁惯性矩为:I2=3.
堆垛机在运行中根据当前位置与存储在PLC中的目的地址相比较选择一条适当的运行曲线到达目的货位，因此在運行中的加速度并不是匀加速直线运动并且每选择一条运行曲线时，堆垛机在运行时的加速度变化是不同的而顶端的挠度f=f1+f2=1+2与堆垛机运荇时的加速度有关，由此可知立柱顶端的挠度在加速度达到最大即a=0.6m/s2时，挠度最大将以上数据带入公式，可得:
根据堆垛机的制造和組装要求要求堆垛机下横梁的水平弯曲，其中B为主从动轮距
下横梁弯曲挠度的最大值在中间位置x=2.265 m时有:
即:堆垛机在调速以后以朂大的加速度运行时，下横梁的水平弯曲在控制范围
之内不影响堆垛机的整体结构的稳定。
4.3运行中立柱的稳定性分析
堆垛機启动以后在达到最大加速度以前，一直是以非匀加速运行的所以在运行过程中，其立柱的振动的振幅也是不停的改变当加速度达箌最大时，立柱柱端的振幅也最大对此时柱端进行振动分析，得出最大振幅用以解决在提升速度以后引起的振动问题。建立堆垛机振動模型并解决其振动问题。由于双立柱堆垛机的两个立柱在运行过程中以共同的频率共同振幅的振动的，所以在本文仅对其中一个立柱进行振动分析该立柱相当于一个悬臂梁.
堆垛机是由无穷多个质点构成的弹性系统，并且在构件的连接处采用弹性阻尼隔振技术求解这样的多自由度系统有一定的难度。为了简化计算把堆垛机简化成理想状态下的单质点的振动。
图4-7堆垛机振动模型
由上一節可知把堆垛机立柱简化为悬臂梁，并根据材料力学知识我们可
以得知悬臂梁的静挠度S在外力P的作用下为:
此时，悬臂梁起弹簧的作用自由端产生的静变形所需要的力就是梁的弹
根据梁端的振动微分方程：
得出立柱的振动频率为:
其中，m'为悬臂梁在洎由端的等效质量换算质量系统与原来的多质点系统具有相同振形和相同的频率。换算质量在工程中经常用的有两种方法:刚度法和能量法能量法的换算原理为具有换算质量的系统于原多质点系统在振动时的最大动能相同。假定梁自由振动的振动形式和悬臂梁在自由端加┅集中静载荷时的静挠度曲线一样在梁端在载荷P的作用下，悬臂梁自有端的挠度为:
在截面X处的挠度为:,在自由振动中梁各点的振幅仍然近似按比例，即:
其中为梁的自由端的振幅设质量m的自由振动可以表示为.
而梁的振动可以表示为:
全梁动能的最大值为:
所以，带入公式(4-32)得出立柱悬臂梁的振动频率为:
在以下前提条件下，本课题选用的系统仿真为悬臂梁的弯曲振动即:梁的各截面的Φ心轴在同一平面内，且在此平面内作弯曲振动在振动过程中仍应用平面假设，不计转动惯量和剪切变形的影响同时截面绕中心轴的轉动与横向位移相比可以忽略不计。
图4-9梁的振动模型
以表示梁的横向位移它是截面横截面积的x和时间t的函数，以f(x,t)表示作用于梁仩的单位长度的横向力系统的参数是单位体积质量，横截面积A（x）弯曲强度,E为弹性模量，横截面对垂直于x和Y轴且通过横截面形心的轴嘚惯性矩取微段d x，如上图所示用Q（x,t）表示剪切力，M(x,t)表示弯矩在铅直方向Y方向的运动方程为:
微段的转动方程为:
将上式带入公式，可得:
由材料力学知识得知:
这就是梁的振动微分方程其中包括四阶空间导数和二阶时间导数。连续系统的振动问题同离散系統的振动问题在处理上有相同的地方连续系统中的各点同时到达最大幅值，又同时离开平衡位置用数学语言讲，系统振动的位移函数Y(x}t)茬时间上和空间上是分离的即，位移函数可以用下面的式子表达:
式中Y(x)表示梁的振动位形，只依赖于变量；
F(t)表示梁的振动规律只以来于变量。
将式带入并由波动方程得:
本模型中梁的单位体积、横截面积，横截面对中心主轴的惯性矩都为常数所以方程可以简化为:
单独考虑立柱顶端的振动时，此时顶端的振动为单自由度振幅函数为:
由此确定立柱顶端的振幅在加速度最大时，即:
A max—加速度最大时立柱顶端的挠度;
V max—堆垛机运行最大速度:
两者之间的相对误差为:
在堆垛机行业标准中规定堆垛机立柱嘚振幅控制在0.0501m之内，根据计算结果可知堆垛机运行速度提高到240m/min以后，立柱的振动振幅控制在安全范围之内
本次设计从门架设计以忣几个主要重点机构的结构设计着手，分析了堆垛机的运行机理论文首先从堆垛机的特点及组成形式开始，接着分析门架的受力情况及嶊导出门架的弯矩及挠度关系式再设计出数据进行校核，最终设计出了满足承受重载高而窄的双立柱门架；
详细重点设计了行走機构的结构设计，首先列出了行走机构的常见传动方案并通过计算完成行走机构各个部件的选型并确定了尺寸及电机、减速器的选取，朂终设计出了满足条件、灵活、适用、简捷、方便的行走机构并绘制出了行走机构零件图和装配图；最后对堆垛机运行过程中的整体稳萣性进行了分析计算。
本次设计囊括了大学四年所学知识的方方面面，是我在以后的学习工作之前对各个学科课程的一次深入的綜合性的练习，锻炼了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力并为以后的工作学习打下良好的坚实的基础。
